925
.pdfНа небольшую глубину инъекторы погружают в грунт пневматическими молотками, копрами или вибропогружателями, а на глубину 15 м и более инъекторы опускают в предварительно пробуренные скважины. До опускания инъекторов в скважины их промывают водой или продувают сжатым воздухом.
Положительным качеством цементации является возможность получения широкого спектра прочностных характеристик укрепляемого грунта. Прочность укрепленных грунтов может достигать 3,5 НПа. Нагнетание раствора в инъекторы прекращается при достижении заданного проектом поглощения или когда при заданном давлении за 20 мин в скважину попадает менее 10 л раствора. Применение метода цементации является безопасным с точки зрения воздействия на окружающую среду, так как затвердевший портландцемент состоит в основном из гидросиликатов кальция, практически нерастворимых в воде.
Битумизация (горячим битумом и холодных битумных эмульсий) используется для закрепления трещиноватых скальных пород и песчаных грунтов, а также для прекращения фильтрации воды через эти грунты. Он состоит в нагнетании под давлением 50-80 ат через пробуренные скважины расплавленного битума марок БН-111 и БН-V или холодных битумных эмульсий через инъекторы, состоящие из двух труб: внутренней, имеющей отверстия для выхода битума и опускающей в грунт ниже наружной, выполняющей защитную роль.
Для трещиноватых скальных и полускальных пород используется способ горячей битумизации, а для песчаных грунтов – способ холодной битумизации с использованием холодных битумных эмульсий, обладающих большей проницаемостью, чем разогретый битум. Отрицательным свойством горячей битумизации является то, что при наличии значительного напора грунтовых вод может происходить выдавливание битума из трещин и каверн и кроме того, он из-за значительной вязкости не может полностью заполнить трещины и каверны с раскрытием менее 1 мм, а значит и придать грунту полную водонепроницаемость. Указанные недостатки привели к тому, что горячая битумизация в настоящее время стала меньше применяться при реконструкции. С целью придания грунтам условий водонепроницаемости разработан способ холодной битумизации путем нагнетания в них холодных битумных эмульсий, частицы которых могут проникать в поры грунта.
Глинизация применяется для снижения водопроницаемости песчаных грунтов, при нагнетании в которые глинистой суспензии происходит выпадение в них глинистых частиц и заиливание песков. В результате коэффициент фильтрации песчаного грунта уменьшается на несколько порядков. Достоинство способа глинизации состоит в том, что для тампонирования грунта может применяться дешевая местная глина, а также то, что гли-
161
на способна противостоять действию агрессивных вод, разрушающих даже специальные цементы.
В последние годы на базе глинистых растворов с добавлением цемента изготавливают глиноцементные растворы, которые приобретают положительные свойства как цементных, так и глинистых растворов и в связи
сэтим глиноцементные растворы получают более широкое применение в практике. Глинизация так же, как и цементация, может применяться только при небольших скоростях движения грунтовых вод во избежание уноса раствора из тампонирующей зоны.
Термическое закрепление грунтов /61/ заключается в обжиге лессо-
видных и пористых суглинистых грунтов раскаленными газами через про-
буренные в грунте скважины диаметром 100-200 мм (рис.2.4).
Температура обжига составляет 600-1100 0С, что способствует расплавлению и спеканию обжигаемого грунта. Скважины пробуривают в шахматном порядке на расстоянии друг от друга 2-3 м и на глубину до 15 м. Сверху скважины закрывают бетонными оголовками, в которых размещаются форсунки для сжигания топлива и сжатого воздуха. В качестве сжигаемого компонента может применяться жидкое (нефть, мазут, соляровое масло и др.) или газообразное (природный или генераторный газ) топливо. Сжатый воздух подается с избыточным давлением, превышающим на 0,15-0,5 давление в трубопроводе
стопливом, что позволяет отрывать пламя от форсунки и распространять его на всю глубину скважины.
Рис. 2.4. Термическое закрепление грунтов:
1 - существующий фундамент; 2 - скважины; 3 - форсунка с наконечником; 4 - пламя; 5 - закрепленный грунт;
6 - направляющая трубка для подачи топлива
Процесс обжига может достигать 5-10 суток, в результате чего образуется керамическая свая диаметром 2-3 м. Прочность обожженного грунта достигает в среднем 1,0-1,2 МПа, но может достигать до 10 МПа.
Электрическим способом рекомендуется закреплять влажные глинистые грунты /53/. Он основан на использовании эффекта электроосмоса.
162
Суть его заключается в том, что в грунт параллельными рядами через 0,6- 1,0 м забивают металлические стержни по которым пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1,0 В/см и плотностью 1-5 А/м2 , в результате чего глина осушается, сильно уплотняется и теряет способность к пучению.
Электрохимический способ /82/ отличается от предыдущего тем, что при погружении в грунт чередуют через ряд металлические стержни (аноды) и металлические трубы, являющиеся катодами и служащие инъекторами
(рис.2.5).
В трубы одновременно с электрическим током вводят под давлением растворы химических добавок (силикат натрия, хлористый кальций, хлористое железо и др.), которые увеличивают проводимость тока, благодаря чему интенсивность процесса закрепления грунтов возрастает. Этот способ применяют для закрепления глинистых и илистых грунтов с небольшим коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут. В процессе закрепления в грунтах происходят необратимые изменения, они перестают быть пучинистыми, увеличиваются их прочностные характеристики.
Рис. 2.5. Электрохимическое закрепление водонасыщенных глинистых, пылеватых и илистых грунтов:
1 - существующий фундамент; 2 - инъекторы-электроды; 3 - закрепленный массив грунта; 4 - очередное положение инъекторов-
электродов; 5 - кирпичная стена; 6 - вскрытый пазух фундамента
В мировой и отечественной практике в последние годы широко применяются новые технологии, основанные на высокой степени механизации работ. При этом до минимума сводятся ручные операции.
Все в больших объемах применяются буроинъекционные сваи, как вертикальные, так и наклонные /61,/, которые после опрессовки имеют неровную поверхность и поэтому получившие название «корневидных»
(рис.2.6).
163
Рис. 2.6. Схема усиления фундаментов с помощью буроинъекционных «корневидных» свай»
Технология работ при буроинъекционном закреплении грунтов состоит из трех операций:
-бурение инъекционных скважин;
-оборудование скважин перфорированными металлическими
трубами;
- нагнетание скрепляющих растворов.
Устройство буроинъекционных свай осуществляются согласно «Рекомендаций по применению буроинъекционных свай», разработанных НИИОСП им. Герсеванова в 1984 г./72/.
Работы могут выполняться как по внешнему периметру здания, так и внутри здания, в подвале здания при высоте подвальной части не менее 2,4 м или с первых этажей зданий (рис.2.7).
Рис.2.7. Схемы закрепления грунта буроинъекционным методом
Для выполнения этих работ разработано малогабаритное оборудование в виде буроинъекционного комплекса, состоящего из бурового станка, емкости для цементного раствора и растворного насоса (рис.2.8).
Затраты ручного труда минимальные. Способ экономичен и экологически чист по сравнению с химическими способами укрепления грунтов.
164
Этим способом наиболее целесообразно укреплять грунты, имеющие низкую несущую способность.
Рис. 2.8. Буроинъекционный комплекс в процессе изготовления сваи:
1 - емкость для цементного раствора; 2 – глиномешалка;3 – мерный бак; 4 – растворный насос; 5 - промывочный насос; 6 – нагнетательный
трубопровод; 7 – емкость для глиняного раствора; 8 – шламоотделитель; 9 – буровой станок; 10 – кондутор; 11 –буровой нструмент; 12 – бурильная труба
В настоящее время наибольшее распространение получила техноло-
гия струйной цементации грунтов /10,61/, основанная на одновременном разрушении и перемешивании грунта высоконапорной струей цементного раствора. Метод заключается в использовании высоконапорной струи цементного раствора для разрушении и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором (рис.2.9).
Рис.2.9. Схема гидроразмыва грунта (а) и упрочнение основания фундамента при гидроструйной технологии (б):
1 - существующий фундамент; 2 - цементно-грунтовые сваи, устраиваемые с шагом 0,5-1,2 м; 3 - упрочняемое основание; 4 - струйный монитор для подачи высоконапорной струи воды и цементного раствора; 5 - лидирующая буровая скважина; 6 - разрушение грунта водой под давлением 1050 МПа; 7 - подача цементного раствора; 8 - штанга; 9 - направление по-
дачи воды и цементного раствора по трубопроводам
165
При струйной технологии осуществляется следующий порядок производства работ: производят бурение скважины до проектной отметки (прямой ход); в скважину погружают инъектор со специальным калиброванным отвер- стие–соплом; подают под большим давлением (до 100 МПа) инъекционный раствор; осуществляют подъем инъектора (обратный ход) с одновременным его вращением, формируя сваю нужного диаметра.
Для столбов диаметром до 0,6 м используется однотрубная система, когда цементная суспензия или цементный раствор смешивается с воздухом и нагнетается под давлением 20-30 МПа в виде пульпы через специальное сопло со скоростью 100-150 м/с. При этом, струе пульпы придается вращательное движение. Под действием такой струи наносные породы разрыхляются до такой степени, что цементный гель проникает в их толщу, смешиваясь с частицами грунта. Для крупнозернистых грунтов обычно применяется цементная суспензия, а для мелкозернистых грунтов – цементный раствор.
Для закрепления грунтов и создания столбов диаметром до 2,0 м применяют трехтрубную систему, при которой воздух, вода и цементный раствор подаются по отдельным трубопроводам. Цементный раствор подается под давлением 2-3 МПа, воздух - под давлением 0,7-1,7 МПа и вода – под давлением 40-60 МПа. Скорость подачи цементного раствора составляет 50-80 м/с, воды – 350-500 м/с и воздуха - более 330 м/с.
Этот метод дает возможность укреплять слабые грунты путем образования жестких столбов диаметром от 0,6 до 2,0 м и глубиной до 20 м. Для повышения несущей способности сваи армируют трубой, каркасом из арматурной стали или железобетонным стержнем /82/, как это приведено на рис.2.10.
Рис. 2.10. Этапы изготовления и варианты армирования свай при струйной технологии
Струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов. Другим важным преимуществом струйной технологии является высокая предсказуемость результатов укрепления грунтов, что позволяет достаточ-
166
но точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики подземных конструкций, а соответственно – трудозатраты, материалы и стоимость работ.
После твердения цементо-грунтовой смеси в грунте образуется новый материал – грунтобетон, обладающий более высокими, по сравнению с исходным грунтом, прочностными, противофильтрационными и деформативными характеристиками, приведенными в табл.2.3.
Таблица 2.3
Прочностные характеристики грунтов при струйной технологии упрочнения
Торф |
0,5 – 2 МПа; |
Глина |
3 |
– 7 МПа; |
Суглинок |
3 – 10 МПа; |
Супесь |
5 – 14 МПа; |
|
Песок |
15 – 20 МПа; |
Гравий |
20 |
- 25 МПа. |
Однако струйная технология имеет ряд недостатков, к которым отно-
сятся:
-опасность локальных деформаций в процессе временного разрыва грунтового массива под фундаментом в период набора прочности цементного раствора;
-высокая стоимость и материалоемкость из-за больших объемов закрепления слабых грунтов;
-повышенная опасность при работе с высоким давлением.
Для глубинного уплотнения оснований или передачи нагрузки от зданий на более плотные грунты могут быть использованы набивные сваи
/82/, которые в зависимости от материалов бывают:
-грунтобетонными, бетонными,
-железобетонными,
-растворными и песчаными.
По данным /46 и 82/ технологический процесс производства набивных свай состоит из бурения скважины, опускания в нее обсадной трубы, установки арматурного каркаса и формирования ствола сваи (рис.2.11).
Рис. 2.11. Схема устройства набивных железобетонных свай:
а) – бурение скважины; б) – установка обсадной трубы; б)– установка арматурного каркаса; г) – бетонирование сваи; д) – извлечение обсадной трубы; е) - устройство оголовка сваи): 1- буровая установка; 2 – обсадная труба с вибробункером; 3 – автокран; 4 - арматурный каркас; 5 - бадья с бетоном; 6 - опалубка оголовка сваи
167
Применение бурового способа при устройстве набивных свай не позволяет получать должного уплотнения грунта вокруг скважин в слабых грунтах, так как грунт при бурении извлекается из скважин.
Указанные недостатки исключаются при использовании для глубинного упрочнение оснований фундаментов технологии продавливания скважин с помощью раскатчика грунта, представляющего собой эксцентриковый вал с установленными на его шейках коническими катками /82/, или
спиралевидного снаряда (рис.2.12). |
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 2 12. Устройство скважин для коротких свай раскатчиком грунта и спиралевидным снарядом:
а) – принципиальная схема раскатчика грунта; б) – схема образования скважины; в) - спиралевидный снаряд; 1 – приводной вал; 2 – конический каток; 3 – скважина; 4 – уплотненная зона грунта
При вращении вала раскатчика грунта или спиралевидного снаряда последние ввинчиваются в грунт, образуя скважину с уплотненными стенками толщиной 3-4 диаметра скважины, которые затем используются для набивных бетонных свай
Преимуществом спиралевидного снаряда является его способность глубинного продавливания грунта с вертикальным (а), наклонным (б) и комбинированным (в) расположением скважин (рис.2.13).
а) б) в)
Рис. 2.13. Глубинное уплотнение основания методом винтового продавливания с вертикальным (а), наклонным (б) и комбинированным
(в) расположением скважин:
168
1-существующий фундамент; 2- грунтовая свая» 3- уплотненная зона при одноразовом продавливании; 4- то же, при многоразовом продавливании; 5- слабый грунт; 6- прочный грунт
Разновидностью способа продавливания сваи является устройство скважин с использованием вяжущего материала /82/, приведенного на рис.2.14.
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
Рис. 2.14. Схема устройства скважины с использованием вяжущего материала:
а – д – последовательность устройства скважины: 1 – снаряд малого диаметра; 2 – вяжущий материал; 3 – снаряд большего диаметра; 4 – слой закрепленного грунта; 5 – скважина проектного диаметра; 6 – материал заполнения скважины
Более эффективными являются бурозавинчиваемые сваи, состоящие из металлических труб диаметром 100-600 мм, крестообразного наконечника и спиральной навивки, обеспечивающей погружение сваи путем ее вращения в сочетании с вдавливанием (рис. 2.15).
Рис. 2.15. Общий вид бурозавинчиваемых свай
Технология уникальна, высокоэффективна и экономична. Бурозавинчиваемые сваи могут быть: пустотелые, заполненные бетоном без армирования, заполненные бетоном с армированием и заполненные грунтом. Металлические бурозавинчиваемые сваи могут применяться вблизи суще-
169
ствующей застройки, когда устройство буронабивных свай может вызвать недопустимую разгрузку и разрыхление грунтов при проходке буровых скважин.
Значительные размеры боковых поверхностей фундаментов производственных зданий позволяет при увеличении нагрузок на существующие фундаменты с целью повышения несущей способности оснований устраивать с двух или четырех сторон усиливаемого фундамента ограждающие конструкции из свай, железобетонных стен или столбов прямоугольного сечения /20/.
При устройстве ограждающих конструкций несущая способность основания существенно возрастает за счет трения между грунтом и ограждением, в результате часть вертикальной нагрузки от фундамента передается не только на окружающий его грунт, но и через ограждение на грунты, лежащие ниже ограждения, которые, как правило, имеют значительно более высокое допускаемое давление, чем грунт под подошвой фундамента
(рис.2.16).
Рис.2.16. Усиление основания ограждающими сваями:
1 – колонна; 2 – фундамент; 3 – обвязочная балка; 4 – сваи усиления
При усилении основания контурным ограждением из свай рекомендуется по верху ограждения устраивать обвязочные балки, что приводит к снижению перемещения свай и изгибающих моментов по их длине.
Вместо контурного ограждения из свай для повышения несущей способности основания применяют отдельно стоящие железобетонные стены толщиной 150-200 мм способом «стена в грунте», которые устанавливают с двух или четырех сторон фундамента. Возможен вариант контурного ограждения фундамента из таких стен (рис.2.17, а-г).
Когда необходимо одновременно повысить несущую способность основания и усилить фундамент, устраивают параллельно глубокие железобетонные стены толщиной 200-250 мм (рис.2.17, д), объединяя их стена- ми-перемычками меньшей глубины.
Для повышения устойчивости усиливаемой стены устраивается железобетонный анкер с пятой (рис.2.17, а), который обеспечивает железобетонной стенке вертикальное положение. Для устройства анкера пробуривают наклонную скважину, в которую устанавливают обсадную трубу,
170