Искусственные основания. Классификация. Методы устройства

К искусственному основанию прибегают в случаях, когда грунт слабый и проектировать фундамент на естественном основании не представляется возможным, а применять сваи или фундаменты глубокого заложения нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Работу грунтов улучшают конструктивными методами, а их свойства - уплотнением и закреплением.

Улучшение свойств слабых грунтов достигается: уплотнением - путём сближения частиц механическими или физическими воздействиями, то есть увеличение массы грунта в единице объёма. закреплением, когда различными физико-химическими средствами повышают структурную прочность на контактах частиц грунта природного сложения или заполняют паровое прострунство между ними каким либо вяжущим материалом; переработкой с уплотнением или с укреплением.

В соответствии с этим все методы устройства искусственных оснований можно разбить на три группы:

1) механическое изменение свойств грунтов основания (укатка, трамбование, гидровиброуплотнение и т д);

2) полная или частичная замена грунтов основания или их переработка (грунтовые подушки, грунтовые сваи, грунтовые покрытия под дороги, аэродромы и т д);

3) физико-химическое улучшение свойств грунтов основания (уплотнениение водопонижением, замачивание лёссовых грунтов, силикатизация, цементация, электроукрепление и т д)

Выбор метода устройства искусственного основания решают в каждом конкретном случае на основе технико-экономического сравнения в зависимости от следующих факторов: физико-механических свойств грунтов; конструкции сооружения; наличия специализированного технологического оборудования.

К методам устройства искусственно улучшенных оснований с уплотнением грунта относят также сооружение фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Выбор метода улучшения работы и свойств грунтов в основании в значительной степени зависит от характера напластования и свойств грунтов, интенсивности передаваемых нагрузок, особенностей сооружения и возможностей строительной организации.

Устройство грунтовых подушек. При действии на грунт внешней местной равномерно распределенной нагрузки наибольшие нормальные напряжения возникают в нем непосредственно под местом ее приложения. С глубиной и в стороны от площади загружения напряжения быстро уменьшаются вслед­ствие рассеяния в окружающем грунте. Зоны сдвигов возникают под краями фундаментов и затем развиваются в глубину и частично в стороны. Если в пределах области возможных значительных уплотнений и зон сдвигов заменить слабый грунт на малосжимаемый с относительно высоким сопротивлением сдвигу, можно существенно улучшить ра­боту грунтов в основании. Примером такого решения является устройство под фундаментами подушек (рис.) песчаных или из иного материала (гравия, щебня, шлака, отходов различ­ных производств), К материалу, применяемому для подушек, предъявляются следующие требования: удобоукладываемость с заданной плотностью, малая сжимаемость, относительно высо­кое сопротивление сдвигу, устойчивость его скелета при движе­нии грунтовых вод.

Песок в подушке должен быть уплотнен, так как, если он будет находиться в рыхлом или близком к рыхлому состоянию, возможна его осадка в результате динамических воздействий, а также замачивания. По этой причине не допускается укладка в подушку мерзлого песка, не поддающегося уплотнению. При большой стоимости пески для устройства подушек иног­да используют местные грунты, поддающиеся уплотнению. Выше уровня подземных вод можно применять супеси, суглинки и даже глины. В подушку эти грунты укладывают при оптималь­ной влажности с тщательным контролем за однородностью их состава и степенью их уплотнения.

Поверхностное уплотнение грунтов. Производя удары трамбовкой по дну котлована, можно уплотнить грунты некоторых видов и тем самым существенно улучшить их качество. К таким грунтам относятся ненасыщен­ные водой пылевато-глинистые грунты (с коэффициентом водонасыщенности S_r - по СНиПу со степенью влажности - менее 0,7} и независимо от степени насыщения водой крупнообломочные и песчаные грунты. Толщина слоя уплотняемого грунта за­висит от интенсивности воздействия применяемой трамбовки или катка и свойств грунта. Грунты уплотняются до плотности сложения, при которой они обладают деформативностью не выше заданной и требуемой прочностью. Уплотнение грунта достигается многократной про­ходкой катков (обычно 6..,8 раз) или ударами трамбовки до 8 раз по одному месту.

Глубинное уплотнение грунтов динамическими воздействиями. Для уплотнения насыщенных водой песчаных грунтов применяют глубинное вибрирование. Виброуплотнение песков можно производить двумя способами: погружением вибратора (вибробулавы) в песок аналогично погружению вибробулавы в бетонную смесь или погружением в грунт стерж­ня с прикрепленным к его голове вибропогружателем. В этом и другом случае колебательные движения передаются песку, который сначала частично или полностью разжижается, а затем постепенно уплотняется.

Вибробулавы обычно используют для уплотнения слоя песка толщиной от 1 до 10 м. В целях ускорения работ на специаль­ной раме укрепляют куст вибраторов, погружая и извлекая его из грунта с помощью крапа. При необходимости уплотнения слоя песка толщиной 5...20 м можно применять вибропогружатель, который крепится к труб­чатому стержню.

Взрывами уплотняют толщи просадочных лёссовых грунтов. Для этого грунты предварительно замачивают через фильтрующие или сов­мещенные скважины. Затем в скважины устанавливают заряды в трубках и производят ряд взрывов, следующих один за дру­гим через несколько секунд. Уплотненный таким образом лёссо­вый грунт теряет просадочные свойства и может быть использован в качестве естественного основания сооружении.

Уплотнение грунта статической нагрузкой. Рассмотренными выше способами невозможно эффективно уплотнить слабые, насыщенные водой пылевато-глинистые грунты (илы, очень пористые глины и суглинки, находя­щиеся в текучем и текучепластичном состоянии) и торфы, так как они обладают малой водопроницаемостью, а их уплотнение связано с выдавливанием поды из пор грунта. Для уплотнения таких грунтов используют статическую нагрузку в виде насыпи. При этом для ускорения процесса уплотнения устраивают дрены (рис.а). Давление по подошве насыпи должно быть больше давления от проектируемого сооружения в пределах площади застройки. Обычно насыпь отсыпают послойно, так как выполнение се сразу на необходимую высоту может привести к потере устой­чивости слабых грунтов в ее основании.

Вертикальные дрены делают песчаными, из специального пористого картона или из пластмассовой ленты в бумажном кожухе (рис.6). Песчаные дрены изготовляют аналогично песчаным сваям, но располагают значительно реже - обычно че­рез 2...4 м. Картонные и пластмассовые дрены обычно вдавливают в грунт.

Уплотнение грунта водопонижением. Слабые пылевато-глинистые грунты, которые способны отдавать воду из пор (илы, ленточные глины, заторфованные супеси и др.), можно уплотнить, понижая уровень подземных вод, например, путем откачки воды из скважин-фильтров. Пони­жение уровня подземных вод приводит к снятию выталкиваю­щего давления воды, что вызывает в скелете грунта значитель­ное повышение напряжений, действие которых на грунт будет аналогичным действию внешней нагрузки. Отжимаемая в про­цессе уплотнения вода откачивается из скважин-фильтров.

Слабо фильтрующие пылевато-глинистые грунты во многих случаях не отдают воду. Тогда для их уплотнения прибегают к использованию электроосмоса. Для этого в грунт погружают электроды и пропускают через них постоянный электрический ток. По мере прохождения тока поровая вода концентрируется у катода. Катод делается в виде иглофильтра (рис). Из группы иглофильтров вода откачивается вихревыми насосами. Таким образом, пылевато-глинистый грунт уплотняется как вследствие понижения уровня подземных вод и увеличения на­пряжений в скелете грунта, так и благодаря уменьшению влаж­ности грунта в результате движения поровой воды к катодам. При использовании электроосмоса грунт уплотняется доста­точно быстро и только в пределах необходимой площади. Кроме того, увеличивается прочность этого грунта, т. е. он закрепляется, при этом улучшаются его строительные качества.

Электрохимическое закрепление. Однорастворный метод силикатизации, применим только в грунтах е коэффициентом фильтрации более 0,1...0,2 м/сут. Слабые грунты (илы, глины и суглинки, находящиеся в текучем и текучепластичном состоянии), как правило, имеют коэффи­циент фильтрации меньше указанных величин. Чтобы ввести растворы силиката натрия и хлористого кальция, через такие грунты пропускают постоянный электрический ток. При пропу­скании тока в грунтах развивается электроосмос - движение воды, находящейся в порах, от анода к катоду. Используя это явление, через перфорированный анод вводят в грунты химиче­ские вещества, в т. ч. последовательно раствор силиката нат­рия и хлористого кальция. Введение этих химических веществ позволяет закрепить грунты с коэффициентом фильтрации 0,1...0,005 м/сут (пылеватые пески, супеси и легкие суглинки).

Смолизация. Растворы синтетических смол, способных твердеть в грунтах, можно нагнетать в поры грунта. После твердения смол грунт превращается в достаточно твердое тело. В качестве вяжущего вещества в настоящее время широко применяют карбамидную смолу с отвердителями.

Карбамидную смолу используют для омоноличивания мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5...5 м/сут, а также для закрепления лёссовых грунтов. В качестве отвердителя используют, в частности, раствор соляной кислоты, соединяя с ним раствор корбамидной смолы непосредственно перед инъецированном. Иногда в грунт предварительно нагнетают раствор соляной кислоты 3...5 %-ной концентрации.

К настоящее время известно несколько видов синтетических смол (фенолъные, фурановые и др.), которые можно использовать, для закрепления грунтов, в т. ч. получаемые из отходов производства. Для закрепления супесей и суглинков начинают также применять электросмолизацию.

Битумизация и глинизация. Оба эти метода используются для уменьшения водопро­ницаемости грунтов.

Битумизацию применяют для снижения водопроницаемости трещиноватой скальной породы. При этом в скважины нагне­тают расплавленный битум или битумную эмульсию с коагулян­том. Битум тампонирует полости и трещины в грунте, фильтра­ция воды прекращается или сильно снижается.

Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Нагнетание глинистой суспензии в сравнительно тонкие поры песков приводит к выпадению в них глинистых частиц - к заилению песков. В результате коэффициент фильтрации песков уменьшается на несколько порядков.