Искусственное повышение несущей способности основания
§ 26. Общие положения
В практике строительства сооружений различного назначения иногда бывает экономически целесообразным не прорезать фундаментами значительную толщу слабых грунтов, а использовать последние в качестве оснований, предварительно укрепив их тем или иным способом с целью повышения несущей способности. Грунты укрепляют как для повышения их прочности, так и для уменьшения сжимаемости и просадочности.
Методы искусственного укрепления грунтов находят достаточно широкое применение в промышленно-гражданском строительстве. В мостостроении их применяют редко, преимущественно при усилении фундаментов существующих сооружений. Используемые в практике фундаментостроения многообразные способы искусственного повышения несущей способности грунтов можно свести к следующим основным методам: уплотнение грунтов; закрепление грунтов; замена слабых грунтов.
В настоящее время достаточно хорошо освоены и широко применяются механическое уплотнение, цементация и силикатизация грунтов, в меньшем объеме — обжиг и электрическое закрепление грунтов и пока редко — смолизация.
§ 27. Уплотнение грунтов
Уплотнение грунтов представляет собой механический процесс сближения частиц грунта, в результате которого уменьшается его пористость по сравнению с естественной и, как следствие этого, повышается его несущая способность. Различают способы поверхностного (на глубину до 2,5 м) и глубинного (на глубину 12 м и более) уплотнения грунтов. Поверхностное уплотнение производят укаткой, трамбованием или вибрацией. Для осуществления глубинного уплотнения используют воздействие вибрации, взрывов, применяют грунтовые и песчаные сваи, бумажные дрены и т. п.
Укатку и трамбование рекомендуется вести при влажности грунтов, близкой к оптимальной, т. е. при той, при которой достигается наибольший эффект уплотнения. Оптимальная влажность для песка мелкого и средней крупности составляет 10—15%; для песка пылеватого — 14—23%; для супесей — 9—15%; для суглинков принимается на 1%, а для глин на 2% ниже влажности на границе раскатывания. Увлажнение грунта с целью доведения его влажности до оптимальной осуществляют поливочной машиной или из шлангов.
Грунт укатывают тяжелыми катками различных конструкций, которые широко применяют в дорожном строительстве для уплотнения насыпей. За один проход катка грунт уплотняется на глубину до 20 см, а при многократном проходе — до 60 см. Методом укатки целесообразно уплотнять супеси, суглинки и глины на значительных по площади территориях.
Для уплотнения грунтовых оснований фундаментов сооружений разного назначения, включая мосты, катки не используют. В этих случаях более целесообразно применение трамбовок различных конструкций, в том числе свободно падающих, дизельных, пневматических и вибрационного действия.
Наиболее простыми и достаточно эффективными являются тяжелые трамбовки, сбрасываемые с высоты 3—4 м на уплотняемый грунт посредством кранов, оснащенных фрикционными лебедками. Такие трамбовки массой до 3,5 т делают из чугуна или железобетона в форме усеченного конуса с основанием диаметром 1—2 м.
Рис. 6.1. Изменение плотности сухого лессовидного грунта рd по глубине d; 1 — до уплотнения; 2 — после уплотнения трамбовкой диаметром 1,25 м; 3 — первоначальная поверхность грунта; 4 поверхность грунта после трамбования
Тяжелыми трамбовками можно хорошо уплотнять насыпные, рыхлые песчаные и сильно сжимаемые глинистые и лессовые грунты. При трамбовании грунт уплотняется на глубину до 2,5 м (рис. 5.1), что обеспечивает повышение несущей способности основания до 30%. Подвергнутый трамбованию лессовый грунт, как правило, теряет просадочные свойства в пределах зоны уплотнения и осадка его значительно уменьшается. Одной тяжелой трамбовкой в течение смены можно уплотнить 100— 150 м 2 площади основания. Существенным недостатком использования тяжелых трамбовок является быстрая изнашиваемость тросов, лебедок и кранов.
Более совершенным способом поверхностного уплотнения несвязных грунтов является вибрационный. В практике возведения сооружений применяют виброплощадки и виброкатки массой от 1,6 до 20 т. Вынуждающая сила вибраторов 100—220 кН при частоте колебаний 600— 3000 мин -1 . Подобными механизмами за 1ч можно уплотнять грунт на площади 50—300 м 2 на глубину 1—2 м.
Для глубинного уплотнения рыхлых песков, содержащих не более 20% пылеватых и глинистых частиц, наиболее эффективно использование гидровиброуплотнения.
В зависимости от гранулометрического состава пористость уплотняемого песка может быть снижена с 50 до 26%. При этом по мере уплотнения поверхность грунта понижается на 10—20% толщины слоя, что необходимо учитывать при назначении отметки верха уплотняемого массива.
Для глубинного уплотнения песчаных грунтов в пределах суши применяют гидровибратор в виде толстостенной стальной трубы диаметром 15—20 см, в нижней части которой установлен вибратор. В трубе сделаны отверстия для подачи напорной воды под давлением 0,3—0,6 МПа в уплотняемую зону грунта в процессе работы вибратора.
В зависимости от конструкции вибраторы могут уплотнять грунт в радиусе до 2 м и на глубину до 12 м с производительностью от 200 до 600 м 3 грунта за 1 ч.
Сущность уплотнения основания грунтовыми сваями заключается в устройстве в его, пределах скважин, заполняемых грунтом с последующим уплотнением. Скважины устраивают путем вытеснения грунта природного сложения из объема, занимаемого каждой из них, что позволяет существенно уплотнить находящийся между ними грунт. Благодаря увеличению плотности грунтов в сваях и в междусвайном пространстве несущая способность оснований из связных грунтов повышается до 40%, а из несвязных — в 1,5—2 раза. При этом уменьшается их сжимаемость и снижается степень фильтрации воды. Этим способом можно уплотнять рыхлые пески, макропористые грунты, а также суглинки и илы, находящиеся в мягкопластичном состоянии.
Расстояния между сваями принимают исходя из требуемой степени уплотнения грунта, его физико-механических свойств, а также реальных возможностей применяемого технологического оборудования.
В связных грунтах, способных держать вертикальные стенки, скважины пробивают инвентарным сердечником или взрывным способом. Заполняют их уплотненным глинистым грунтом, а в макропористых грунтах — теми же грунтами, но укладываемыми с трамбованием и увлажнением.
Для уплотнения водонасыщенных рыхлых песчаных грунтов, мелких и пылеватых песков, в том числе с прослойками суглинков и глин, применяют песчаные сваи. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления грунтовых свай.
Источник
Увеличение несущей способности оснований фундаментов.
При реконструкции промышленных зданий применяют следующие способы закрепления грунтов основания фундаментов: одно- и двухрастворную силикатизацию, электросиликатизацию, газосиликатизацию, термическое закрепление, смолизацию и др.
Сущность методов силикатизации заключается в том, что в грунт нагнетаются специальные растворы силиката натрия (жидкого стекла), после реакции которых грунт приобретает прочность и водостойкость.
Двухрастворная силикатизация применима для закрепления средне- и крупнозернистых песков. В качестве химических растворов используются водные растворы силиката натрия плотностью 1,35—1,44 г/см3 и раствор хлористого кальция плотностью 1,26—1,28 г/см3.
Нагнетание растворов осуществляется через забитые в грунт специальные инъекторы, представляющие собой металлические трубы диаметром от 18 до 38 мм с толщиной стенок не менее 5 мм.
Инъекторы забиваются в грунт пневматическими молотами СМ-506, С-358. Использование пневматических молотов дает возможность обойтись без громоздкого копрового оборудования. Для нагнетания растворов в грунт применяются плунжерные насосы ПС-4Б, НС-3, НД и др. Могут быть использованы растворонасосы и пневматические установки, представляющие собой цилиндрическую емкость, рассчитанную на давление до 0,8 МПа. Недостатком двухрастворного способа закрепления песков является нагнетание каждого раствора отдельным насосом.
Для закрепления мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 5 м/сут иногда применяется однорастворный способ закрепления сложными растворами. Этот способ придает грунту незначительную прочность (0,2—0,5 МПа), поэтому для укрепления под фундаменты он не имеет широкого применения.
Более прогрессивный однорастворный способ силикатизации грунтов с кремнефтористо-водородной кислотой, позволяющий закреплять грунты, имеющие коэффициент фильтрации от 0,3 м/сут и выше, т. е. мелкозернистые пылевые пески. Предел прочности закрепленных песков карбамидными смолами составляет 1. 4 МПа. Способ заключается в нагнетании в грунт через инъекторы гелеообразующего раствора, полученного смешением 25%-го водного раствора карбамидной смолы с 2—5 %-м раствором соляной кислоты. Заходки нагнетания раствора назначают сверху вниз от краев к середине. Последовательность проходки инъекторов на рис. 7.6, д показана римскими цифрами, а порядок заходок нагнетания соответствует буквам латинского алфавита.
Применение карбамидной смолы рекомендуется для закрепления песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации 0,25—4 м/сут при содержании в грунте глинистых частиц не более 3 %. Прочность закрепления грунтов в зависимости от концентрации раствора и применяемого отвердителя 1. 18 МПа.
Закрепление лессовых грунтов в основании существующих зданий может быть достигнуто двумя путями: силикатизацией или его термической обработкой (обжигом).
Способ силикатизации лессовых грунтов основан на хорошем проникновении силиката натрия, обладающего малой вязкостью, в грунт с развитой сетью макро- и микрокапилляров. Роль второго коагулянта силикатного раствора в данном случае выполняет сам грунт, главным образом его водорастворимые сернокислые соединения кальция и магния. Прочность-закрепленного лесса 1—6 МПа.
Однорастворная силикатизация лессов и лессовидных грунтов наиболее широко применяется в сухих и маловлажных грунтах со степенью влажности до 0,6. При силикатизации плотность раствора силиката натрия 1,1—1,2 кг/см3. Определяют ее опытным путем в лаборатории.
В зависимости от гранулометрического состава и химических свойств лессовидного грунта некоторые грунты закрепляются только газосиликатизацией. В этом случае нагнетают углекислый газ, затем раствор силиката натрия и опять углекислый газ.
Электросиликатизация применима ниже уровня грунтовых вод. Сущность электросиликатнзации заключается в нагнетании раствора силиката натрия через забитые в грунт инъекторы (см. рис. 7.6, г) с одновременным воздействием постоянного электрического тока. В течение 1—2 сут коэффициент фильтрации грунта увеличивается в 4—25 раз. Электросиликатизация применима в грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 0,005 м/сут.
Грунты, закрепленные методом электросиликатизации, приобретают не только прочность, но и водостойкость: образцы грунта, пролежавшие в воде 50 сут, полностью сохранили свою -первоначальную форму и были удалены из воды без каких-либо признаков разрушения.
Термическое закрепление грунтов (обжиг) производится путем сжигания жидкого или газообразного топлива в ранее пробуренной скважине, герметически закрытой сверху (см. рис. 7.6, е, ж). В устье скважины вставляется форсунка, через которую подаются горючее и воздух под давлением 0,015—0,05 МПа. В скважинах постоянно поддерживается температура 800—1000 °С, не доходя границы температуры плавления грунта. Горячий воздух проникает через грунт и обжигает его. Грунт становится водостойким, его прочность повышается до 2 МПа.
К недостаткам этого способа следует отнести длительность непрерывного процесса обжига (до 2—12 сут) и отрицательное влияние высоких температур на подземные конструкции и коммуникации.
Ремонт фундаментов. При длительной эксплуатации фундаментов в них могут появляться трещины, которые прогрессируют и приводят к разрушению конструкции. Особенно это характерно для фундаментов сборного типа. Восстановление таких фундаментов может быть осуществлено методом смолизации, т. е. с помощью материалов, в состав которых входят синтетические смолы. Этот метод позволяет производить работы практически без остановки оборудования и вводить фундамент в эксплуатацию спустя сутки после окончания ремонта, так как синтетические смолы сравнительно быстро отвердевают.
В качестве основного компонента может применяться эпоксидная смола ЭД-5 или ЭД-6, к которой добавляют минеральный наполнитель (маршаллит, молотый кварцевый песок и т. д.) и отвердитель. Приготовленный из перечнеленных материалов состав инъецируют с помощью гидравлического насоса внутрь трещин.
По окончании работ машину останавливают на 24—30 ч, чтобы дать возможность составу отвердеть.
Синтетические смолы применяют также для установки анкерных болтов под оборудование.
Источник
Методы повышения несущей способности грунтовых оснований
Многие грунты в своем природном состоянии по своим свойствам не отвечают тем или иным требованиям строительства. Они могут быть недостаточно прочными, неводостойкими, переувлажненными, рыхлыми, трещиноватыми, с большим содержанием органического материала и т.д.
Во всех этих случаях появляется потребность в определенном преобразовании грунтов и придании им тех или иных необходимых для строительства свойств. Решением вопросов улучшения свойств грунтов занимается специальное направление инженерной геологии – техническая мелиорация грунтов. Существуют два основных пути получения улучшенных грунтов — уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическим воздействием).
Под грунтами, измененными физическим воздействием, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие, оттаивание и т.д.) изменяет строение и фазовый состав. Под грунтами, измененными физико-химическим воздействием, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру. Например, при уплотнении дисперсных грунтов происходит уменьшении их пористости, увеличивается количество контактов между частицами. Это приводит к увеличению общей прочности грунтового основания и уменьшении его сжимаемости. Грунты уплотняются как с поверхности (катками, тяжелыми трамбовками, вибрацией, замачиванием), так и в глубине толщ (грунтовые сваи, взрывы, замачивание и т. д.).
При закреплении увеличивается прочность грунтов за счет повышения прочности контактов между отдельными частицами грунта или грунтовыми агрегатами путем:
Армирование грунтового массива (применение различных типов синтетических материалов) и т.д.
Для упрочнения скальных и полускальных трещиноватых грунтов используют в основном закрепляющие методы – цементацию, битумизацию, глинизацию и др. Улучшение свойств дисперсных грунтов производятся всеми методами, как закрепления, так и уплотнения. Для крупнообломочных грунтов используют силикатизацию, цементацию, битумизацию, замораживание (при небольших значениях коэффициентов фильтрации); для песчаных грунтов – силикатизацию, термическую обработку, смолизацию, кольматацию, замораживание, виброуплотнение, трамбование, укатку, замачивание (для лессов), замораживание и др.; для связных органоминеральных и органических грунтов (илы, торф, заторфованные грунты) – электроосмос, электрохимическое закрепление, замораживание, гравитационное уплотнение и др.
Все известные методы имеют различную сферу использования: одни методы применимы только в предпостроечный период; а другие как в предпостроечный период, так и во время строительства и эксплуатации объекта. Ряд способов улучшает свойства грунтов только на поверхности земли и до небольшой глубины, например трамбование, уплотнение грунтов укаткой. Другие методы дают возможность уплотнять грунты в глубине грунтовых толщ (силикатизация, термический обжиг). Существуют методы, которые способны улучшить свойства грунтов, как на поверхности, так и в глубине грунтовых массивов, например виброуплотнение.
Иногда вопросы улучшения свойств грунтовых оснований могут быть решены только на основе использования рационального технологического процесса укрепления грунтов цементом, известью, вяжущими материалами, иногда уплотнением грунтов специальными высокопроизводительными машинами, иногда регулированием водного режима грунтов оснований при помощи дренажного устройства.
Улучшение свойств грунтов в ряде случаев осуществляется после предварительного нарушения природных структурных связей (трамбование, укатка), а в других случаях это достигается при сохранении этих связей (силикатизация, химическая обработка).
Выбор оптимального способа укрепления в огромной мере зависит и от диапазона изменения свойств грунтов в течение года, особенно в районах с морозной зимой. Сезонные колебания температуры и влажности внешней среды обуславливают изменение свойств грунтов и формирование в конструкции покрытия соответствующих деформаций и напряжений, которые являются причиной разрушения и выхода их из строя.
Под влиянием изменения в течение года температуры воздуха и выпадения атмосферных осадков содержание влаги, а, следовательно, и показатель прочности поверхностных слоев грунтов резко изменяется. Периоды значительного переувлажнения поверхностных слоев грунта и снижения их сопротивления нагрузкам носят название распутицы.
В этом случае обоснование способа улучшения свойств грунтовых оснований усложняется тем, что большинство из существующих методов дает хорошие результаты лишь в сухое время года и неприемлемо во время распутиц (укрепление грунтов скелетными и грунтовыми добавками, гигроскопическими солями, органическими вяжущими материалами, фурфурол-анилиновой смолой и т.д.); или требует существенного изменения в технологии работ, поскольку хорошее перемешивание переувлажненного грунта с добавками делается практически невозможным (укрепление грунтов цементом, некоторыми синтетическими смолами и др.). Понижение во время распутицы температуры грунта существенно замедляет, а иногда изменяет характер и останавливает химические процессы, происходящие при химическом укреплении грунтов. Избыточное водонасыщение грунтового основания резко затрудняет, а зачастую делает невозможным уплотнение грунтового основания и покрытия катками.
Одним из способов для решения указанных выше задач является армирование грунтового массива геосинтетическими материалами. Применение геосинтетических материалов основано на введении в конструкцию синтетического элемента. В зависимости от назначения конструкции, особенностей конструктивного решения и вида материала, геосинтетик может выполнять либо одну функцию, либо несколько функций одновременно.
Из анализа имеющихся экспериментальных исследований в этой области известно, что благодаря армированию грунта его несущая способность повышается в зависимости от типов георешеток в 1,3-1,5 раза по отношению к основанию. Экономический эффект от применения георешеток в основаниях дорог и аэродромов достигается за счет снижения расхода каменных строительных материалов и материалоемкости конструкции, сокращения сроков возведения основания, уменьшения транспортных расходов.
Источник
