ЛЕКЦИЯ 9. ИСКУССТВЕННОЕ УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ ОСНОВАНИЙ. ЗАЩИТА ФУНДАМЕНТОВ ОТ ГРУНТОВЫХ ВОД.

Необходимость искусственного улучшения свойств оснований возникает при строительстве на слабых грунтах, структурно неустойчивых грунтах или в обычных условиях, если мероприятия, направленные на улучшение свойств оснований являются технически и экономически целесообразными. Методы улучшения свойств оснований подразделяют на механические и физико-химические. К механическим методам улучшения свойств оснований относят устройство грунтовых подушек и различные методы уплотнения оснований. К физико-химическим методам относят методы закрепления грунтов силикатизацией, цементацией, пропиткой смолами, термической обработкой и т.п. Химические методы закрепления грунтов применяются в сочетании с электростатическим воздействием на грунты. Такие методы называются электрохимическими. Ниже рассматриваются отдельные приемы и методы улучшения свойств оснований и укрепления грунтов, подпадающие под вышеприведенную классификацию.

1. Устройство в основаниях, сложенных слабыми грунтами, грунтовых подушек. Это мероприятие можно классифицировать как устройство искусственных оснований с заданными свойствами вместо естественного основания. Толщину грунтовой подушки (рис. 9.1) определяют из условия допустимости давлений на слабый грунт на уровне подошвы условного фундамента, которым является искусственное основание в виде грунтовой подушки. Ширину условного фундамента определяют по формуле:

B = b + 2×hcs×tg , (9.1)

где b – ширина фундамента; hcs – толщина грунтовой подушки;  - угол наклона к вертикали луча, проведенного из крайней точки подошвы фундамента до пересечения с основанием грунтовой подушки (рис. 9.1), принимается по данным Б.И. Далматова в пределах 30–45° в зависимости от сжимаемости грунта по боковым поверхностям грунтовой подушки.

Как правило, грунтовая подушка имеет трапецеидальное поперечное сечение, образуемое лучами, проведенными из крайних точек условного

фундамента под углом  к вертикали до пересечения с поверхностью естественного основания (рис. 9.1). Грунтовую подушку устраивают послойно с уплотнением до плотности сухого грунта 1650–1750 кг/м3. В качестве материала для устройства грунтовых подушек применяют крупнозернистый песок или щебень. Допускается также устраивать

N Рис. 9.1. Схема устройства

1 грунтовой подушки:

1 – фундамент; 2 – грунтовая

подушка; 3 – слабый коренной

2 3 грунт.

b

hcs

B

грунтовые подушки из уплотненного местного грунта (суглинка, глины и т.п.).

2. Поверхностное уплотнение грунта природного сложения. Поверхностное уплотнение грунта производят вибромашинами, катками и

hs 0,2d

d

h

B 0,2d

Рис. 9.2. Схема уплотнения грунтов тяжёлыми трамбовками: d – диаметр трамбовки; В – размер котлована по наружным габаритам фундаментов;

hs – зона уплотнения; h – величина недобора котлована (отметка, с которой производится уплотнение).

трамбовками. Наибольший эффект достигается при поверхностном уплотнении грунта трамбовками (рис. 9.2). Уплотнению подлежат грунты со степенью влажности Sr < 0,7. При попытке уплотнять грунты большей влажности может наблюдаться обратный процесс, связанный с их

разуплотнением за счет несжимаемости и формоизменения поровой воды. Существует оптимальная для уплотнения влажность грунта, которая вычисляется по формуле:

W0= Wp– (0,01¸0,03), (9.2)

где Wp– влажность грунта на границе пластичности.

Оптимальная для уплотнения влажность грунта предварительно вычисляется по формуле (9.2) и уточняется по результатам опытных уплотнений. Уплотнению подлежит грунт с плотностью сухого грунта

d£ 1,55 т/м3. Зоной уплотнения считается слой грунта от поверхности до

глубины, на которой плотность сухого грунта d= 1,6 т/м3.

Уплотнению трамбованием подлежит площадь поверхности основания, выступающая за пределы фундамента на 0,2×d, где d – диаметр трамбовки. Трамбование производят сбрасыванием с определенной высоты (до 5–10 м) груза цилиндрической формы с плоским дном, называемым трамбовкой. Вес груза обычно составляет несколько тонн. Степень уплотнения грунта зависит от работы уплотнения, равной произведению веса трамбовки на высоту сбрасывания и на количество ударов по одному месту. Глубина уплотнения грунта зависит от диаметра трамбовки. Зависимость между диаметром трамбовки и глубиной уплотнения грунта определяется эмпирической формулой:

hs = k×d, (9.3)

где k – коэффициент, принимаемый равным: для крупнообломочных грунтов и песков крупных и средней крупности – 2,2; для песков мелких и супесей – 2,0; для пылевато-глинистых грунтов – 1,8.

Вес трамбовки назначается из условия, чтобы ее статическое давление на основание было не менее 15 кПа. При уплотнении основания трамбованием следует проектировать недобор котлована до проектной отметки на величину h, рассчитываемую по формуле:

h = 1,2×hs(1 - d/ d,s), (9.4)

где d– плотность сухого грунта до уплотнения; d,s– плотность сухого грунта после уплотнения.

Величина недобора котлована может составлять в зависимости от глубины уплотнения грунта и степени его природной плотности до 0,5–1,0 м.

3. Уплотнение массивов грунтовыми сваями. Рассматриваемая технология (рис. 9.3) позволяет уплотнять грунтовые массивы на глубину до 10–24 м. Наибольшее применение она нашла при уплотнении массивов структурно неустойчивых грунтов, например, просадочных грунтов II типа. Степень влажности уплотняемых грунтов Sr должна быть меньше 0,75. Процесс уплотнения массива грунта заключается в следующем. Со дна котлована на расстоянии l друг от друга пробиваются скважины диаметром d (рис. 9.3). В скважины засыпается песчано-гравийная смесь и послойно уплотняется. Заполнение скважин может также осуществляться грунтом, разрабатываемым на площадке строительства. Зависимость между расстоянием между пробитыми скважинами l и их диаметром d определяется формулой:

l = 0,95 × d

d , s

,

d , s - d

(9.5)

где dи d,s – соответственно плотность сухого грунта до уплотнения и после уплотнения.

4 l l l l

hb

Рис. 9.3. Схема уплотнения массивов грунтовыми сваями:

1 – пробуренные или пробитые скважины; 2 – уплотнённая песчано-гравийная смесь;

3 – уплотнённый грунт; 4 – буферный слой.

d

Размеры уплотняемой площади дна котлована должны выходить за границы наружного контура проектируемых фундаментов на 3×d в каждую сторону. При уплотнении грунтового массива происходит разуплотнение его верхней зоны за счет выпора грунта вокруг пробитых скважин. Верхний разуплотненный слой грунтового массива называется буферным слоем. Высота буферного слоя hb рассчитывается по формуле:

hb = kb d, (9.6)

где kb – коэффициент, зависящий от вида грунта (принимает значения от 4 до 6).

Высота буферного слоя может достигать 1–1,5 м. Буферный слой подлежит уплотнению тяжелыми трамбовками до плотности сухого грунта 1,65–1,75 т/м3. Можно также проектировать котлован с недобором на величину буферного слоя. В этом случае после уплотнения грунтового массива буферный слой подлежит срезке.

4. Укрепление грунтов цементацией. Данная технология (рис. 9.4) применяется для закрепления песчаных и гравелистых грунтов с размерами пор, соизмеримыми с размерами частиц цемента. Процесс закрепления грунтов состоит в следующем. В грунт погружается по лидерной скважине инъектор в виде перфорированной трубы диаметром до 50 мм на глубину до 3 м. В инъектор подается под давлением 2–3 атмосферы цементно-водная суспензия, которая проникает в поры грунта на расстояние 1–3 м от оси инъектора. Свободная вода из суспензии фильтрует в окружающий массив грунта, а попавшие в поры грунта частицы цемента претерпевают химическую реакцию гидратации и превращаются в цементный камень, укрепляющий грунт. Применяют цементно-водные суспензии состава от 1:1 до 1:10. В качестве эмульгатора в цементно-водную суспензию добавляют глиняные растворы с содержанием глины от 50 до 100 % по массе цемента. С применением эмульгированных цементно-водных суспензий могут укрепляться макропористые супеси и слабые суглинки.

a) б) 4

1 2

Рис. 9.4. Схемы укрепления грунтов основания цементацией или силикатизацией: а – под ленточным фундаментом; б – под плитным фундаментом; 1

– лидерная скважина; 2 – отверстие в плите; 3 – инъектор; 4 – подводящий шланг; 5

– закреплённый грунт.

5. Укрепление грунтов силикатизацией. Для силикатизации грунтов используется такое же технологическое оборудование, что и для цементации (рис. 9.4). Отличие заключается в том, что раствор подается в инъектор под давлением 10–15 атмосфер на глубину до 15–20 м. Упрочненная зона создается вокруг инъектора радиусом 0,4–1 м в зависимости от коэффициента фильтрации грунта. Впервые метод силикатизации для упрочнения рыхлых песков был предложен в Англии в 1925 г. Как правило, эффективное закрепление достигается при коэффициенте фильтрации грунтов более 0,3 м/сутки. При этом прочность укрепленного грунта при одноосном сжатии может достигать от 0,3 до 3,0 МПа. Различают однорастворную и двухрастворную силикатизацию грунта. Однорастворная силикатизация применяется в грунтах, в которых имеются в достаточном количестве соли хлористого кальция. В этом случае в инъектор подается водный раствор силиката натрия или жидкого стекла (Na2O×nSiO2). Химическая реакция силиката натрия с хлористым кальцием приводит к образованию геля кремниевой кислоты с последующим превращением его в твердый остаток, который и является цементирующим веществом, проникающим в поры и закрепляющим грунт. При недостатке в грунте солей хлористого кальция применяется технология двухрастворной силикатизации. При этом после закачки в скважину раствора силиката натрия в нее повторно нагнетается в качестве реагента раствор хлористого кальция.

В первый момент после реализации процесса силикатизации грунта может наблюдаться снижение его прочностных свойств за счет повышения влажности. При этом наблюдаются дополнительные осадки сооружения. После затвердевания геля кремниевой кислоты прочность закрепляемых грунтов существенно повышается. Обычно это происходит через несколько суток после осуществления процесса закрепления грунта. Классическим примером реализации рассматриваемой технологии является закрепление просадочных грунтов в основании здания Одесского оперного театра (1956).

6. Электрохимическое закрепление грунтов. Применяется при коэффициенте фильтрации грунтов менее 0,01 м/сутки. Используются физические явления электроосмоса и катафореза, открытые Рейссом в 1809 г. При пропускании постоянного электрического тока (рис. 9.5) через грунт с помощью размещенных в нем электродов к электроду с отрицательным

потенциалом мигрирует влага или поровая

3 4 вода (электроосмос), а к электроду с

положительным потенциалом –

1 5 2 коллоидально взвешенные частицы

(катафорез). Электроосмос вызывает

уменьшение толщины пленок связанной воды между минеральными частицами

грунта. Катафорез способствует замене

катафорез

электроосмос

одних веществ другими, приносимыми

Рис. 9.5. Схема электрохимического закрепления грунта:

1 – инъектор – анод; 2 – инъектор – катод; 3 – подача силиката

натрия;

4 – откачка воды;