Способы усиления оснований можно разделить на две основные группы:
• усиление посредством закрепления грунтов;
• повышение прочности оснований глубинным уплотнением грунтов.
Усиление оснований посредством закрепления грунтов
Такое усиление заключается в связывании частиц грунта, которое повышает их механическую прочность и водоустойчивость. В зависимости от технологии закрепления и процессов, происходящих в грунте, методы закрепления делятся на три вида: химические, физико-химические и термические.
Химическое закрепление грунтов (рис. 11.5.1) заключается в том, что в грунт через предварительно погруженные в него перфорированные трубы (инъекторы) нагнетают маловязкие растворы. Находясь в грунте, растворы вступают в химическую реакцию и, отверждаясь в нем, улучшают химические свойства основания.
Рис. 11.5.1. Химическое закрепление фунтов нагнетанием в основание растворов (цементация, битумизация, силикатизация, смолизация и др.)
Рис. 11.5.2. Электрохимическое закрепление водонасыщенных глинистых, пылеватых и илистых фунтов (электросиликатизация)
Химические способы делятся на две группы. К первой относятся способы, использующие силикатные растворы и их производные, ко второй - способы, применяющие органические полимеры (акриловые, карбомидные, резорцино-формальдегидные, фурановые смолы и т.п.).
Наибольшее распространение получили технологии силикатизации. Материалом для силикатизации является жидкое стекло - коллоидный раствор силиката натрия.
При однорастворной силикатизации в грунт инъецируется гелеобразующий раствор, состоящий из двух или трех компонентов: растворы силиката натрия и отверждающего реагента (растворов кислот, органических составов). В результате протекающей реакции грунт цементируется гелем кремниевой кислоты.
При двухрастворной силикатизации процесс закрепления сводится к поочередному нагнетанию в грунт раствора силиката натрия и раствора хлористого калия. В процессе взаимодействия растворов образуется гидрогель кремниевой кислоты. Песок после инъекции становится водонепроницаемым.
При газовой силикатизации в качестве отвердителя силиката натрия используется углекислый газ, который нагнетают в грунт (ля его предварительной активизации: инъецируют силикат натрия, а затем в грунт подают углекислый газ. Способ применяется для песчаных и просадочных лессовых грунтов, а также грунтов с высоким содержанием органических веществ. Закрепленные пески приобретают прочность 0,8...1,5 МПа, а лессовые грунты - 0.8... 1,2 МПа.
При больших объемах закачки тампонажных материалов применяют глинисто-силикатные растворы, представляющие собой смеси водных растворов высокодисперсных глин с небольшой добавкой силиката натрия. Силикат натрия инициирует возникновение и порах грунта эластичного геля, обеспечивающего водонепроницаемость грунтового массива.
При электросиликатизации используется комбинированное применение постоянного электрического тока и силикатных растворов. Способ предназначен для закрепления переувлажненных мелкозернистых грунтов и супесей, а также лессовых грунтов, в которые жидкое стекло проникает с трудом (коэффициент фильтрации менее 0,1 м/сут).
К физико-химическим (рис. 11.5.2) методам закрепления грунтов относятся цементация, струйная цементация, битуминизация и глинизация.
При цементации в грунт через инъекторы нагнетается цементный, цементно-песчаный или цементно-глинистый раствор. Добавка глин до 5% способствует улучшению качества работ. Метод применяют для закрепления песчаных, крупнообломочных грунтов и трещиноватых скальных пород.
Рис. 11.5.3. Струйная цементация грунта: а - прямое использование струи цементной смеси без воздушного потока со скоростью выхода не меньше 100 м/с, с параллельным разрыхлением и смешиванием грунта, применяется при формировании колонн малого и среднего сечения; б - двойная, предусматривает использование струи цементной смеси в оболочке из потока сжатого воздуха со скоростью выхода не менее 100 м/с, с параллельным разрыхлением и смешиванием грунта, применяется главным образом для формирования узких стен в фунте, при подхвате фундаментов и для создания горизонтальных противофильтрационных экранов; в - тройная разделенная, использует для разрыхления грунта струю воды в оболочке из потока сжатого воздуха со скоростью выхода не менее 100 м/с. Через дополнительное сопло, расположенное ниже водяного сопла, параллельно вытекает цементная смесь под давлением > 1,5 МПа. Существует версия использования этого варианта без воздушного потока. Вариант применяется для подхвата фундаментов, а также устройства стен в грунте и противофильтрационных экранов
При струйной цементации грунта (рис. 11.5.3) для укрепления оснований устраивают грунтоцементные (инъекционные) сваи. Для устройства свай грунт в пробуриваемой скважине перемешивается с вяжущим материалом без выемки его из скважины. Перед преобразованием в грунтоцементный массив, грунт в скважине разрыхляется при помощи мощной струи воды или концентрированной цементной смеси, часто совместно с потоком сжатого воздуха, со скоростью вылета у сопла свыше 100 м/с. Разрыхленный таким образом грунт смешивается с цементной смесью. Избыток смеси выходит на поверхность вдоль буровой трубы. Предел действия режущей струи зависит от рода грунта, применяемой технологии и достигает 2,5 м. Возможно формирование в грунте любых геометрических форм, которые одновременно имеют свойства материала цементогрунта, по свойствам очень близкого к цементному раствору. Полученный материал плотно прилегает к фундаменту любой конфигурации. В отличие от других методов укрепления грунта такая технология может с успехом применяться для укрепления и уплотнения грунтов, даже в несвязных и илистых грунтах. То же самое относится и к разнородному основанию в сочетании с грунтами органического происхождения. Технология работает как с цементными, так и с силикатными и глинистыми составами, рациональное применение которых обусловлено размерами частиц укрепляемого грунта (рис. 11.5.4).
Рис. 11.5.4. Диапазоны и эффективность применения струйных технологий для укрепления оснований
При глинизации для заполнения скважин используют глинистые растворы. Она применяется в трещиноватых породах, имеющих коэффициент фильтрации от 5 до нескольких тысяч метров в сутки.
При битумизации в качестве инъецируемого вещества испольщин разогретый битум или холодную битумную эмульсию. Способ рекомендуется для песчаных грунтов с коэффициентами фильтрации 10...50 м/сут. Из-за сложности технологии метод применяется очень ограниченно.
Термическое закрепление грунтов (обжиг) применяются в основном при закреплении просадочных грунтов (рис. 11.5.5). В пробуренных в грунте скважинах сжигают газообразное или жидкое топливо. Одновременно в скважину подают воздух. Обжиг производят при температуре 400...800 °С в течение 5... 10 дней. Вокруг скважины образуется столб закрепленного грунта диаметром 1,5...3,0 м с прочностью 1...3 Па.
Скважины во всех случаях укрепления грунта оснований могут пробуриваться вертикально, наклонно и горизонтально.
Для повышения прочности оснований за счет уплотнения грунта используются механические способы, устройство грунтовых свай, включение в основание жестких элементов.
Рис. 11.5.5. Термическое закрепление грунтов
Устройство грунтовых свай основано на погружении штампов, которые образуют скважины с вытеснением грунта радиально в стороны. В результате этого грунт вокруг скважины уплотняется. Погружение штампа выполняется проколом, забивкой, вибрированием. В отформованную скважину засыпают местный грунт или песок, песчано-гравийную смесь, щебень и снова ее отформовывают. Операции повторяют до тех пор, пока усредненная плотность грунтового массива не достигнет требуемой. Наибольший эффект уплотнения достигается при шахматном расположении скважин. Расстояние между осями скважин зависит от диаметра уплотняющего органа и требуемого коэффициента уплотнения.
Недостатком такого способа является динамическое воздействие при забивке штампов, которые могут вызвать недопустимые осадки зданий. Следует учитывать, что глинистые грунты в меньшей степени реагируют на вибрацию, чем пески. Быстро и активно на динамические воздействия реагируют водонасыщенные пески и супеси, находящиеся в рыхлом состоянии или в состоянии средней плотности. Фундаменты реконструируемых зданий в таких грунтах могут подвергаться значительным неравномерным осадкам вследствие уплотнения или выдавливания из-под них грунта.
Опасность колебаний при забивке элементов, вызывающих осадку зданий, существенно зависит не только от вида грунта, но и от глубины погружения оболочки или сваи, расстояния от них до существующих зданий и ряда других факторов. С увеличением расстояния амплитуды смещений быстро затухают.
Применение ударного способа погружения уплотняющих элементов в условиях тесной застройки требует предварительной оценки возможных неблагоприятных последствий. Исследованиями усыновлено, что при ударах молота в грунте возникают колебания с частотой 3...30 Гц продолжительностью 0,1...0,4 с, которые распространяются со скоростью 100...330 м/с.
Для устройства скважин при глубоком уплотнении грунтов могут быть использованы пневмомолоты (пневмопробойники) (рис. 11.5.6). Под действием ударов их корпус внедряется в грунт. Обратному его перемещению препятствуют силы трения между корпусом и грунтом. Скважина образуется за счет раздвижки и уплотнения грунта. Применение пневмопробойников целесообразно в сжимаемых связных необводненных грунтах; глубина пробиваемых скважин зависит от свойств грунта, определяется устойчивостью стенок скважины и может достигать 15...20 м и более. Максимальный диаметр скважины может быть 350 мм при диаметре пробойника 130 мм и до 600 мм - при диаметре образуемой (пробойником с расширителем) скважины 300 мм, производительность при проходке вертикальных скважин составляет 120...200 м в смену.
Рис. 11.5.6. Устройство грунтовых свай с использованием пневмомолота
В условиях реконструкции для устройства скважин целесообразно применение раскатчиков скважин (рис. 11.5.7). Особенность процесса раскатывания скважин - формообразование цилиндрической полости в грунте катками, эксцентрично установленными на бурильной штанге без ударов.
Рис. 11.5.7. Раскатчик
После образования скважин перечисленными выше способами их заполняют грунтом. Грунт в скважину засыпают слоями 0,5...0,7 м и уплотняют. Для уплотнения используют трамбовки, имеющие форму параболического клина. При массе ударного снаряда не менее 1 т для уплотнения порции грунта в 250...300 кг необходимо произвести 25 ударов. Плотность грунта в теле сваи достигает 1,8... 1,85 т/м3.
Рис. 11.5.8. Схема устройства скважины с использованием вяжущего материала:
а…д – последовательность устройства скважины: 1 – снаряд малого диаметра; 2 – вяжущий материал; 3 – снаряд большого диаметра; 4 – слой закрепленного грунта; 5 – скважина проектного диаметра; 6 – материал заполнения скважины
Глубинное упрочнение оснований с использованием вяжущих материалов (закрепление грунтов) выполняется по следующей технологии. Вначале в грунте спиралевидным снарядом проходят первичную скважину диаметром, меньшим заданного, а затем скважину заполняют закрепляющим материалом. После этого по оси первичной скважины снарядом большего диаметра проходят скважину проектного диаметра, вдавливая закрепляющий материал в грунт. Под напором погружаемого снаряда закрепляющий материал проникает в грунт через стенки скважины и ее дно. При этом закрепляющий материал частично перемешивается с грунтом, что способствует образованию вокруг скважины оболочки повышенной прочности (рис. 11.5.8). В качестве твердеющей смеси может быть использована любая композиция, отверждающаяся с грунтом, например химические реагенты, применяемые для химического закрепления грунтов (фенолформальдегидная, карбамидная и другие смолы, жидкое стекло), а также цементно-песчаные и цементные растворы. Для предотвращения выдавливания закрепляющего материала из скважины на поверхность, первичную скважину заполняют закрепляющим материалом на 1... 1,5 м ниже ее устья, а диаметр первичной скважины должен быть менее 0,8 диаметра проектной скважины. В зависимости от характера грунтовых напластований закрепление можно выполнять выборочно на отдельных участках, причем толщина закрепляемых слоев по длине скважины может быть различной.
По окончании упрочнения грунта скважины заполняют грунтом или другим материалом с уплотнением. Расстояние между скважинами определяют исходя из условий обеспечения совместной работы грунта в массиве, а также необходимой несущей способности укрепляемого основания.
Для уплотнения слабых водонасыщенных грунтов, в том числе и обводненных лессовых, можно использовать грунтоизвестковые сваи. В процессе гашения известь в скважине увеличивается в объеме троекратно. Развивающееся при этом давление существенно укрепляет стенки скважины.
Работы по устройству песчаных свай начинаются с погружения в грунт вибратором или пневмомолотом пустотелой металлической грубы с самораскрывающимся наконечником (в лессовых грунтах, способных держать вертикальную стенку, забивают инвентарный сердечник). Это приводит к уплотнению грунта вокруг скважин. По мере заполнения скважины песком труба извлекается с включенным вибратором, благодаря чему происходит уплотнение грунта. Песчаные сваи размещают в шахматном порядке. Устройство песчаных и грунтовых свай применяется для уплотнения водонасыщенных песков, содержащих органические примеси, и лессовых просадочных грунтов на значительную глубину.
Глубинное уплотнение может быть выполнено в виде вертикальных или наклонных скважин; может быть также принято и комбинированное расположение скважин. Для уплотнения оснований существующих зданий в основном устраивают наклонные скважины (рис. 11.5.9).
Рис. 11.5.9. Устройство песчаных свай при глубинном уплотнении основания