Поверхностное и глубинное уплотнение грунтов и искусственных оснований.

Методы уплотнения грунтов подразделяются на поверхностные, когда уплотняющие воздействия прикладываются на поверхности и приводят к уплотнению сравнительно небольшой толщи грунтов, и глубинные при передаче уплотняющих воздействий на значительные по глубине участки грунтового массива.

Поверхностное уплотнение производится укаткой, трамбованием, вибрационными механизмами, подводными взрывами, методом вытрамбования котлованов. К методам глубинного уплотнения относятся устройство песчаных, грунтовых и известковых свай, глубинное виброуплотнение, уплотнение статической пригрузкой в сочетании с устройством вертикального дренажа, водопонижение.

Уплотняемость грунтов, особенно глинистых в значительной степени зависит от их влажности и определяется максимальной плотностью скелета уплотненного грунта r_d,max и оптимальной влажностью W_O. Эти параметры находятся по методике стандартного уплотнения грунта при различной влажности 40-а ударами груза весом 215 Н, сбрасываемого с высоты 30 см. Оптимальную влажность глинистых грунтов, уплотняемых трамбованием, ориентировочно можно принимать равной W_O=W_р+(0,01…0,03), а укаткой W_O=W_р (где W_р - влажность на границе раскатывания). Поверхностное уплотнение глинистых грунтов может применяться при коэффициенте водонасыщенности S_r<0,7, песчаных и крупнообломочных при любой степени влажностьи.

За уплотненную зону h’_com принимают толщу грунта, в пределах которой плотность скелета грунта не ниже заданного в проекте или допустимого ее минимального значения.

Уплотнение укаткой. Этот метод применяется при послойном возведении грунтовых подушек, планировочных насыпей, земляных сооружений, при подсыпке оснований под полы. Уплотнение укаткой производится самоходными и прицепными катками на пневматическом ходу, гружеными скреперами, автомашинами, тракторами, а для уплотнения несвязных грунтов исполтьзуются виброкатки и самопередвигающиенся вибромашины. Уплотнение достигается многократной проходкой уплотняющих механизмов (от 6 до 12 раз).

Уплотнение трамбующими машинами. Этот способ применяют для уплотнения грунтов в стесненных условиях – при устройстве обратных засыпок котлованов, траншей, засыпок пазух, щелей с использованием самоходных трамбующих машин и самопередвигающихся механизмов ударного и виброударного действия.

Уплотнение тяжелыми трамбовками. Уплотнение производится свободным сбрасыванием с помощью крана-экскаватора с высоты 5…10 м трамбовок диаметром 1,2…3,5 м и весом 25…150 кН. Имеется опыт применения сверхтяжелых трамбовок весом более 400 кН, сбрасываемых с высоты до 40 м. Уплотнение производится до определенной степени плотности, выражаемой коэффициентом уплотнения – отношением заданного значения плотности скелета к его максимальному значению k_com=r_d,com/r_d,max. При этом k_com обычно принимают в пределах 0,92…0,98.

Наибольшая глубина уплотнения h’_com достигается при оптимальной влажности грунта W_O и приближенно оценивается по соотношению

h’_com=k_c×d,

где h’_com=k_c×d – диаметр основания трамбовки;

k_c – коэффициент принимаемый для супесей и суглинков 1,8, для глин – 1,5.

Уплотнение подводными взрывами. Метод применяется в просадочных лессовых грунтах, рыхлых песчаных и глинистых грунтах. Наибольший эффект уплотнения достигается при степени влажности грунтов 0,7…0,8.

Суть метода заключается в использовании энергии взрыва, производимого в водной среде, для разрушения структуры и уплотнения грунтов. Водная среда обеспечивает более равномерное распределение уплотняющего взрывного воздействия по поверхности грунта, гасит энергию взрыва, направленную вверх.

Уплотнение производится в котлованах. Глубина котлована назначается таким образом, чтобы высота столба воды составляла не менее 1,3…1,5 м.

Глубина уплотнения этим методом составляет 1…4 м.

Вытрамбовывание котлованов. Метод заключается в образовании в грунтовом массиве полости путем сбрасывания в одно и тоже место трамбовки 15…100 кН, имеющей форму будущего ф. с высоты 3…8 м в одно место. Затем полость заполняется бетонной смесью.

Метод эффективен тем, что при вытрамбовывании полости грунт вокруг нее уплотняется, увеличивается несущая способность основания и снижается деформируемость, а сооружение монолитной конструкции ф. не требует применения опалубки.

Минимальное расстояние между ф. в свету – не менее 0,8 их ширины по верху.

Ф. в вытрамбованных котлованах применяются в каркасных зданиях с нагрузкой на колонну до 2000 кН, бескаркасных с нагрузкой до 500 кН/м.

Песчаные сваи применяются для уплотнения сильносжимаемых водонасыщенных глинистых грунтов, рыхлых песков, заторфованных грунтов на глубину 18…20 м.

В качестве материала свай используют крупные и средней крупности пески.

Песчаные сваи устраивают посредством погружения в слабый грунт пустотелых металлических труб диаметром 300…400 мм с инвентарным самораскрывающимся наконечником с помощью свайного молота или вибратора, поэтапным заполнением снизу-вверх образовавшейся полости песком с последующим уплотнением его методом «свая в сваю». Готовые сваи достигают в диаметре 600…700 мм.

Сваи размещают обычно в шахматном порядке.

Грунтовые сваи применяются для улучшения строительных свойств просадочных макропористых и насыпных глинистых грунтов при степени влажности S_r=0,3…0,7 на глубину до 20 м.

Метод заключается в устройстве вертикальной полости в основании, которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением. В результате образуется массив уплотненного грунта, характеризующийся повышенной прочностью и более низкой сжимаемостью. Устройство грунтовых свай в просадочных грунтах позволяет устранить их просадочные свойства.

Уплотнение оснований грунтовыми сваями производится двумя методами, отличающимися по способу устройства полости.

В первом методе в уплотняемом массиве пробивают ударным снарядом скважины. Диаметр скважины в зависимости от применяемого оборудования составляет от 0,4 до 1 м при диаметре зоны уплотнения 1,4…3,6 м.

Второй метод основан на использовании для глубинного уплотнения грунтов энергии взрыва. Заряд ВВ массой 5…12 кг размещают гирляндой в интервале глубин 3…12 м в пробуренных или пробитых скважинах диаметром 60…80 мм, располагаемых на расстоянии 4…10 м одна от другой. После взрыва заряда образуется вертикальная полость диаметром 500…600 мм.

Засыпка скважины выполняется местным лессовым или глинистым грунтом при влажности близкой к оптимальной. Грунт засыпается порциями по 0,25…0,3 м³ с послойным уплотнением трамбующим снарядом в виде параболоидного клина диаметром 280…320 мм и весом 3,5 кН, сбрасываемым с высоты 2,5…3 м. Грунт в скважине должен быть уплотнен до удельного веса нре менее 17,5 кН/м³.

Грунтовые сваи располагают в шахматном порядке в вершинах равнобедренных треугольников на расстоянии (между осями свай)

L=0,95×d×(r_d,com/(r_d,com-r_d)),

где d – диаметр грунтовой сваи;

r_d и r_d,com – соответственно значения плотности скелета естественного грунта основания.

Известковые сваи применяются для глубинного уплотнения водонасыщенных заторфованных или глинистых грунтов.

В толще пробуривают скважину диаметром 320…500 мм. Если грунт не сохраняет вертикальные стенки скважин, то используют ту же технологию, что и при устройстве песчаных свай. Скважины заполняют негашеной комовой известью. Известь засыпают таким образом, чтобы при извлечении обсадной трубы толщина слоя извести в нижней части трубы составляла не менее 1 м и уплотняют трамбовкой 3…4 кН.

Уплотнение грунтов при применении известковых свай происходит в основном в результате того, что негашеная комовая известь при взаимодействии с поровой водой гасится и в процессе гашения увеличивается в объеме, что приводит к увеличению диаметра сваи на 60…80%. Кроме того, при гашении извести происходит большое выделение тепла и температура тела сваи достигает 300 ⁰C. При этом происходит частичное испарение поровой воды, в результате чего уменьшается влажность грунта и ускоряется уплотнение.

При взаимодействии негашеной комовой извести с грунтом происходит также физико-химическое закрепление грунта в зонах, примыкающих к поверхности сваи, и увеличиваются прочностные и деформационные характеристики грунтов. Обычно после устройства известковых свай по поверхности отсыпают слой из местного грунта толщиной 2…3 м, уплотняемый тяжелыми трамбовками.

Уплотнение известковыми сваями относится к одному из самых дешевых способов улучшения свойств слабых водонасыщенных оснований.

Глубинное виброуплотнение применяют в рыхлых песчаных грунтах естественного залегания, а также при укладке несвязных грунтов в насыпи, устройстве обратных засыпок.

При вибрации пески и другие сыпучие материалы, у которых отсутствует сцепление между частицами, приходят в движение и под действием инерционных сил вибрации и сил тяжести происходит смещение частиц. В результате пески и сыпучие материалы уплотняются. Эффективность уплотнения повышается при подаче в зону уплотнения воды. При этом методе уплотнения плотность скелета песчаного грунта может быть доведена до 1,7…1,8 г/см³.

Существуют два основных способа виброуплотнения. В первом способе уплотнение происходит при погружении в песок вибратора. Этим способом уплотняют толщи рыхлых песков мощностью до 8…10 м. Второй способ заключается в погружении в грунт стержня с прикрепленным к его головке вибратором. Этим способом уплотняют толщи мощностью до 20 м. Расстояние между точками погружения обычно составляет 2…3 м. Полный цикл уплотнения песчаной толщи в одной точке состоит из 4-5 чередующихся погружений и подъемов виброустановки.

Предварительное уплотнение оснований статической нагрузкой применяют для улучшения строительных свойств слабых водонасыщенных глинистых грунтов и торфов при их распространении на значительную глубину. Статическая нагрузка создается отсыпкой на уплотняемой площади насыпи из местных материалов.

Давление по подошве насыпи должно быть не менее давления, передаваемого на основание проектируемым сооружением. Поскольку для возведения временных насыпей необходимо транспортирование большого количества материала, то этот метод применяется в основном для уплотнения основания сооружений, передающих относительно небольшие давления на основание – малоэтажных зданий, аэродромных и дорожных покрытий, резервуаров.

При использовании этого метода для уплотнения толщ слабых грунтов мощностью более 10 м требуется длительное время для завершения процессов консолидации и стабилизации осадок, поскольку водопроницаемость слабых, особенно глинистых, грунтов весьма незначительна. Для ускорения процесса уплотнения используют вертикальные дрены различной конструкции: песчаные дрены, бумажные комбинированные дрены и т.п.

Технология устройства вертикальных песчаных дрен аналогична технологии изготовления песчаных свай. Шаг песчаных дрен – 1,5…3 м.

Бумажная комбинированная дрена имеет поперечное сечение 4х100 мм и состоит из полимерного жесткого ребристого сердечника и фильтрующей оболочки. Дрена вводится в грунт в обсадной трубе прямоугольного сечения статическим вдавливанием. Глубина уплотняемой толщи грунтов при этом может достигать 20 м. Шаг бумажных комбинированных дрен – 0,6…1,2 м.

После устройства дрен производится отсыпка песчаной подушки для сбора и отвода фильтрующей воды, после чего возводится временная насыпь. После стабилизации осадок насыпь удаляется и площадка готова к возведению сооружения.

Уплотнение грунта водопонижением. Этот метод эффективен при уплотнении оснований, сложенных мелкими и пылеватыми песками. При коэффициенте фильтрации песков от 0,05 до 0,002 см/с для водопонижения используют иглофильтровальные установки. При содержании в пылеватых песках большого количества глинистых частиц и коэффициенте фильтрации менее
0,002 см/с применяют эжекторные иглофильтры, позволяющие понижать уровень подземных вод до глубины 25 м. Водопонижение в глинистых грунтах коэффициент фильтрации которых менее 0,0001 м/с, производтся с помощью электроосмоса. Для этого в грунт погружают иглофильтры, являющиеся катодами, и металлические стержни – аноды. При пропускании через грунт постоянного электрического тока, происходит передвижение воды к иглофильтру – катоду и эффективный коэффициент фильтрации увеличивается в 10…100 раз.

Понижение уровня подземных вод приводит к тому, что в пределах зоны водопонижения снимается взвешивающее действие воды на скелет грунта. В единице объема грунта возникает дополнительная массовая сила, равная разнице между удельным весом влажного грунта и удельным весом скелета грунта, взвешенного в воде, т.е. g-g_sb которая и вызывает уплотнение грунтового массива.

Лекция №11. Закрепление грунтов

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами, приводящими к образованию прочных и водостойких структурных связей между частицами грунта. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды.

Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних крупнозернистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов более 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.

Для цементации грунтов применяют растворы, состоящие из цемента и воды при В/Ц отношении 0,4…1,0.

Цементационные растворы под давлением нагнетаются в грунт через специальные инъекторы – трубы диаметром 25…200 мм, снабженные перфорированным звеном длиной 0,5…1,5 м.

Метод цементации применяется также для усиления конструкции существующих фундаментов.

Силикатизация грунтов. Применяется для химического закрепления песков при коэффициенте фильтрации от 0,5 до 80 м/сут., макропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2 м/сут. и насыпных грунтов.

Сущность метода заключается в том, что в грунт через инъекторы нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени.

Особенностью силикатизации лессовых грунтов является то, что в их состав входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Процесс гелеобразования происходит практически мгновенно, прочность растет очень быстро и может достигать для закрепления массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств. На полное твердение геля требуется 28 сут.

Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,45…1,5 м.

Смолизация. Метод закрепления грунтов смолами заключается в ведении высокомолекулярных органических соединений типа карбомидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями.

Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации 0,5…25 м/сут.

Обычное время гелеобразования составляет 1,5…2,5 ч при времени упрочнения 2 сут.

Почность закрепленного смолой грунта колеблется в пределах 1…5 МПа. Радиус закрепленной области вокруг одного инъектора составляет 0,3…1 м.

Этот метод относится к дорогостоящим.

Глинизация и битумизация. Глинизация применяется для уменьшения водопроницаемости песков. Технология заключается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60%. Глинистые частицы выпадая в осадок заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.

Битуминизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород.

Метод сводится к нагнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот и массив становится практически водонепроницаемым.

Электрохимическое закрепление грунтов. Наиболее часто этот метод применяется для закрепления водонасыщенных глинистых грунтов в сочетании с электоосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые соединяясь с глинистым грунтом коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

Термическое закрепление грунтов. Этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20 м.

Сущность метода заключается в том, что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскаленный воздух или раскаленный газ с температурой 750…850 ⁰С. Под действием высокой температуры отдельные минералы оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта, что уменьшает или полностью ликвидирует просадочность, размокаемость и способность к набуханию.

Термическая обработка грунтов производится через специально пробуренные скважины диаметром 100…200 мм непрерывно в течение 5…12 суток.

В результате термической обработки в зависимости от технологической схемы получается либо упрочненный конусообразный массив грунта диаметром поверху 1,5…2,5 м, а понизу на глубине 8…10 м около 0,2…0,4 диаметра поверху, либо термосваю постоянного сечения диаметром 1,5…2,5 м. При этом прочность закрепленного грунта может достигать 10 МПа.