Ш. 1. Замена и уплотнение грунтов

Под искусственно укрепленными понимают грунтовые и скальные" основания, механические свойства которых улучшены путем изме­нения их природного состояния. Меры, с помощью которых удается улучшить грунтовые основания, могут быть (по Н. А. Цытовичу) механическими, физическими и химическими. Первые сводятся к замене слабых грунтов более прочными или их уплотнению, вто­рые — к осушению, а в некоторых условиях — к обводнению грунтов (например, лёссовидных), третьи — к созданию новых, более проч-" ных связей между частицами грунта химическими реактивами, цементацией, термическим и электрохимическим закреплением.

Если под подошвой фундамента залегают слабые, сильно сжи­маемые грунты, то их удаляют на некоторую глубину и заменя­ют песчаной подушкой (рис. III.1). Песчаная подушка за счет рассеивания в ее толще давлений от фундамента снижает напря­жения в слабом грунте и тем самым повышает несущую способ­ность, а также уменьшает сжимаемость основания.

Высота подушки Н_п должна быть такой, чтобы давление на сла­бый грунт не превышало его несущей способности. Для этого не­обходимо соблюсти неравенство:

д_я + а(Рп — дпф) < К,

где (/н — давление от веса грунта на глубине Н;

_а — коэффициент рассеивания давлений (см. табл. ИЛЬ); р_п __ среднее давление под подошвой фундамента на песчаную подушку; пне, — бытовое давление на уровне подошвы фундамента; #_ расчетная несущая способность слабого грунта на глубине Н.

Ширину подушки можно найти по формуле Б. И. Долматова, полученной из условия устойчивости подушки, окруженной слабым грунтом:

У1(»ф + с)2^Р Г (*ф + с)*еР + 2й_ф

_ ²Ч^С _______ 112-1 (Ш. 1)

(*Ф + с)²*8Р VI Г

где VI — объемный вес слабого грунта; ■ уЧп — объемный вес грунта подушки; < р_ш _ у_гол внутреннего трения грунта подушки. Остальные обозначения прежние (см. рис. Ш.1).

Задаваясь произвольно размером с и найдя угол р, из выраже­ния (Ш.1) находят р_п. Устойчивость подушки считается обеспечен­ной, если р_п равно среднему давлению под подошвой фундамента, увеличенного на коэффициент запаса 1, 1.

Песчаные подушки отсыпают из чистого крупнозернистого пес­ка слоями толщиной 15—20 см, поливают водой и тщательно уплот­няют до плотности 1, 6—1, 7 тс/м³. Применение песчаных подушек не рекомендуется при переменном уровне грунтовых вод, когда воз­можно заиливание песка. При лёссовых грунтах песчаные подуш­ки способствуют увлажнению и просадкам грунта. В этих случаях подушки делают из глины или местного перемятого грунта.

Уплотнение грунтов достигается укаткой, трамбованием, вибрированием, устройством песчаных и грунтовых свай. Укатку катками применяют для уплотнения супесей, суглинков и глин с коэффициентом водонасыщения не более 0, 7. При соответствующей массе катка и числе проходов удается уплотнить грунт на глубину до 1—1, 5 м. Более глубокое уплотнение достигается тяжелыми ме­ханическими, дизельными или пневматическими трамбовками. Трамбование производят до тех пор, пока не будет достигнут «от­каз»— понижение поверхности грунта от удара трамбовки на постоянную величину, равную 1—2 см для глинистых грунтов, 0, 5— 1 см для песчаных и 1—1, 5 см для лессовидных. Наиболее простой и часто применяемый способ уплотнения — трамбование механиче­скими трамбовками, при котором трамбовки массой от 2 до 4 т сбрасывают краном с фрикционной лебедкой с высоты 4—5 м. Массу и диаметр основания трамбовки назначают исходя из ста­тического давления трамбовки на грунт, принимаемого равным для песчаных грунтов 0, 15 кгс/см², для глинистых 0, 2 кгс/см². При вы­соте сбрасывания трамбовки 3, 5—4 м. глубину уплотнения к ориен­тировочно можно определять по формуле

А= кЛ,

где Л — диаметр трамбовки, обычно принимаемый равным 1—1, 5 м;

к — коэффициент, равный: для песка 1, 55, супеси—1, 45, глин—1, просадоч-ных грунтов — 1, 3.

Уплотнение грунта трамбованием возможно, если его водона-сыщение не превышает 0, 6. Грунт считается уплотненным, когда объемная масса его скелета на нижней границе уплотняемого слоя достигнет 1, 6—1, 75 т/м³ для глин и суглинков и 1, 6 т/м³ для песков и просадочных грунтов. Зона уплотнения должна превышать раз­меры подошвы фундамента на 0, 6—1, 6 м.

Рис. Ш.1. Песчаная подушка: / — фундамент; 2 — песок (гравий)

Поверхностное уплотнение трамбовками целесообразно, если понижение поверхности грунта при трамбовании составляет не ме­нее 5 см для песков и 8 см для глинистых грунтов.

Рыхлые пески могут быть уплотнены на глубину 5—7 м с помо­щью обычных вибраторов типа «булава» или специальных гидро­вибраторов с частотой колебаний до 3000 мин^-1. При вибрации на­рушается трение между частицами песка и песок переходит в вязкое состояние, при котором более крупные зерна тонут, уклады­ваясь более плотно, мелкие всплывают и откладываются вблизи поверхности. В результате песок уплотняется и его несущая способ­ность возрастает в несколько раз. Для снижения внутреннего тре­ния песок увлажняют до полного водонасыщения. Образующиеся вокруг вибраторов воронки заполняют чистым крупнозернистым песком. Радиус действия вибратора в зависимости от его мощ­ности и рыхлости песка составляет от 0, 8 до 1, 5 м.

При уплотнении слабых песков песчаными сваями в грунт за­бивают стальные инвентарные трубы-оболочки диаметром 400— 500 мм с раскрывающимся четырехстворчатым дном. При забивке труба раздвигает и уплотняет грунт. Затем оболочку заполняют песком. При извлечении оболочки ее дно раскрывается и песок за-. полняет образующуюся скважину. Песок должен быть крупно- или среднезернистым, насыщенным водой и не содержать пылеватых и илистых частиц более 3%. Оболочки рекомендуется погружать вибт ропогружателями. Как показывают наблюдения, при таком способе устройства песчаных свай слабый грунт уплотняется в зоне до трех диаметров сваи.

Длина песчаных свай определяется мощностью активной зоны и допустимым давлением на нижележащие неуплотненные слои. Сваи располагают в углах равносторонних треугольников на рас­стоянии

1=0, 925^1/ ^Ъупл .,

где Л —диаметр сваи, м;

■ у^упл — объемный вес уплотненного грунта, тс/м³; VI — объемный вес грунта до уплотнения, тс/м³.

Требуемый объемный вес -угупл определяют, исходя из давления на грунт под подошвой фундамента. Если булл — коэффициент по­ристости грунта после его уплотнения, соответствующий требуемо­му расчетному сопротивлению, то

У1у_М= ₁₊* (1+0, 0117),

где V* — удельный вес грунта, тс/м³;

№— влажность грунта до уплотнения, %.

Для уплотнения лёссовидных грунтов применяют грунтовые сваи. Скважины заполняют местным перемятым грунтом. Скважи­ны в лёссовом грунте можно сделать, забивая в грунт инвентарный

сердечник или подрывая заряды аммонита, опущенные на шпагате в шпуры. Заряды массой по 50 г располагают равномерно по высо­те шпура; на 1 пог. м располагают от 5 до 10 зарядов в зависи* мости от числа пластичности лёсса. Просадочные свойства лёссо­видных грунтов обычно устраняются при объемной массе уплотнен­ного грунта более 1, 6 т/м³. Глубина уплотнения назначается в зави­симости от мощности активной зоны грунта после его уплотнения. Для полной ликвидации просадок напряжение в грунте на нижней границе активной зоны не должно превышать начального проса* дочного давления (см. рис. 11.4).

При изготовлении песчаных и грунтовых свай верхний слой грунта обычно остается неуплотненным; этот слой дополнительно уплотняют трамбованием.

Ш.2. ОСУШЕНИЕ И ОБВОДНЕНИЕ ГРУНТОВ

Осушение применяют для упрочнения водонасыщенных глинистых грунтов путем устройства вертикальных песчаных дрен. Дрены из­готовляют, погружая в грунт обсадные инвентарные трубы диамет» ром 30—50 см и заполняя образующиеся скважины песком. При обжатии грунта нагрузкой вода выдавливается из его пор и через дрены удаляется наружу. Для ускорения осушения на поверхности дрен отсыпают подушки из песка. Дрены располагают на взаимном расстоянии 2—10 м. Вместо песка скважины могут быть заполне­ны другим фильтрующим материалом, например картоном.

Осушение грунтов может быть осуществлено электроосмосом. При прохождении постоянного тока через грунт связная вода пере­ходит в свободную и под действием электрических сил перемещает­ся от положительного полюса (анода) к отрицательному (катоду), от которого ее удаляют насосами. Электроосмос применяют для упрочнения глин текучей консистенции, илов, заторфованных грун­тов.

Анодами при электроосматическом осушении служат стальные стержни, катодами — иглофильтры (см. п. У.7). Расстояние между электродами принимают равным 0, 6—1 м. Осушают током напря­жением 30—60 В при плотности тока от 5—10 А/м² для илистых грунтов и 0, 5—2 А/м² для глин. Расход электроэнергии составляет около 40 кВт-ч на 1 м³ грунта.

Для защиты лёссовидных грунтов от увлажнения и просадки нужно отводить поверхностные и производственные воды от фунда­ментов путем соответствующей планировки застраиваемой терри­тории, устройств вокруг зданий водонепроницаемого покрытия, за­полнения пазух котлованов местным перемятым водонепроницае­мым грунтом. Ширина водонепроницаемого покрытия равна при­мерно удвоенной глубине заложения фундамента.

При мощности просадочного грунта более 10 м прибегают к предварительному его замачиванию. Предпостроечное замачивание имеет целью искусственно вызвать просадку грунтов до возведе-

3—2644

ния на них сооружения и тем предохранить его от опасных дефор­маций. Замачивают грунт в котловане небольшой глубины слоем воды толщиной 0, 4—0, 6 м. Для ускорения уплотнения грунта до­полнительно замачивают его через скважины, заполненные песком. Уплотнение грунта считается законченным, если просадка достиг­нет 0, 5 мм в сутки. После того как верхний слой грунта подсохнет, его уплотняют трамбованием.

При застроенной территории замачивание осложняется возмож­ностью просадок зданий, расположенных от места замачивания на расстоянии до двух толщин просадочного грунта.

Предпостроечное замачивание применяют также при набухаю­щих грунтах. В этом случае создают предварительное набухание глин, после чего они могут быть использованы в качестве оснований фундаментов. Замоченные набухающие грунты необходимо предо­хранять от высыхания, чтобы избежать деформаций усушки.

Ш.З. ЗАКРЕПЛЕНИЕ СЛАБЫХ ГРУНТОВ

Различают кратковременное и долговременное закрепление грун­тов.

Кратковременное закрепление¹ применяют в производственных целях при разработке котлованов, проходке шахт, штолен, когда возникает необходимость в ограждении выработки от затопления грунтовыми водами или разжиженным грунтом (плывуном), а также когда возникает опасность обрушения неустойчивых грун­тов. Долговременное закрепление применяют для повышения проч­ности и снижения сжимаемости (просадочности) грунтов основа­ний. В этом случае улучшенные свойства грунтов должны сохра­няться в течение всего времени эксплуатации зданий и сооружений.

Рассмотрим основные способы долговременного закрепления слабых грунтов.

Песчаные грунты закрепляют силикатизацией и смоли-з а ц и е й.

При коэффициенте фильтрации от 2 до 80 м/сут применяют двух-растворный способ силикатизации, который заключается в последо­вательном нагнетании в пропорции 1: 1 в грунт растворов жидкого стекла (силиката натрия 1Ча₂0 -п$Ю₂) и хлористого кальция (СаСЬ). Реакция протекает по уравнению

N320 • п 5Ю₂ + СаС1₂ + т Н₂0 = п ЗЮ^т — 1) НгО + Са (ОН)₂ + 2№С1.

Выделяющийся в результате химической реакции нераствори­мый в воде гель кремневой кислоты [силикат натрия 8Ю2(т—1)Н₂0] создает прочную структурную связь между зерна­ми песка, превращая его в камневидную массу, подобную природно­му песчанику.

¹ Способы кратковременного закрепления рассмотрены в п. У.5. 66

Хлористый кальций при двухрастворной силикатизации нагнета­ют для ускорения выделения и твердения геля кремневой кислоты.

Если коэффициент фильтрации песка составляет 0, 5—5 м/сут, грунты закрепляют способом однорастворной силикатизации, за­ключающемся в одновременном нагнетании 1 части жидкого стекла и 3—4 частей фосфорной кислоты (Н₃Р0₄). Реакция с образовани­ем геля кремневой кислоты происходит следующим образом:

N820 • п 5Ю₂ + Н₃Р0₄ + т Н₂0 = п 5Ю₂(т + 1) Н₂0 + Ка₂ НР0₄.

Однорастворную силикатизацию применяют для закрепления мелких пылеватых и водонасыщенных песков (плывунов), а также лёссовидных грунтов: В последнем случае нагнетают только рас­твор жидкого стекла, который, соединяясь с солями кальция, со­держащимися в лёссе, выделяет гель кремневой кислоты:

№₂0 • п 510? + Са50₄ + т Н₂0 = п 5Ю₂ (т — 1) Н₂0 + Са (ОН)₂ + Ка₂50₄.

Мелкозернистые пылеватые пески с коэффициентом фильтра­ции 0, 3—-5 м/сут могут быть закреплены водным раствором карбо-мидной смолы (крепителя М) с добавкой 2—5%-ного раствора соляной кислоты; смолизация создает более прочное закрепление, чем однорастворная силикатизация.

Материалы, употребляемые для закрепления грунтов, должны иметь характеристики (плотность, вязкость и пр.) согласно соответ­ствующим инструкциям и указаниям.

Силикатизацию не следует применять при грунтах, пропитанных нефтяными продуктами, а также, если водородный показатель рН грунтовых вод более 9 при двухрастворном способе и более 7, 2 при однорастворном. Смолизацию не применяют при рН менее 7, 6 и при содержании глинистых частиц более 2%.

Для закрепления химические реактивы нагнетают в грунт через инъекторы. Инъектор собирают из звеньев цельнотянутых труб внутренним диаметром 19—38 мм; нижнее перфорированное звено инъектора длиной от 0, 5 до 1, 5 м имеет отверстия диаметром 1—■ 2 мм. На собранную колонку сверху навинчивается наголовник, к которому присоединяют шланги для подачи растворов специаль­ными насосами; давление при нагнетании должно обеспечивать заданные расходы растворов и быть не более 15 кгс/см² для песков и 5 кгс/см² для пылеватых песков и лёссов. Инъекторы забивают в грунт пневматическими молотками; если их надо погрузить на глу­бину более 15 м, то предварительно разбуривают скважины. Инъ­екторы располагают в шахматном порядке с расстоянием между рядами 1, 50 г, где г — радиус закрепления от одного инъектора (рис. Ш.2). Закрепляют грунт зонами, называемыми заходками. Толщина заходки равна длине перфорированной части инъектора плюс 0, 5 г.

При двухрастворной силикатизации рекомендуется:

при скорости потока грунтовых вод до 1 м/сут вначале нагнетать жидкое стекло заходками сверху вниз на всю толщу закрепляемого

грунта, а затем — раствор хлористого кальция заходками снизу вверх;

при скорости грунтовых вод от 1 до 3 м/сут в каждую заходку нагнетать сначала жидкое стекло, а затем хлористый кальций;

если скорость фильтрации превышает 3 м/сут, то предваритель­но устраивать временную водонепроницаемую завесу, нагнетая од­новременно (через разные инъекторы) жидкое стекло и хлористый кальций, после чего закреплять так же, как при скорости течения воды до 1 м/сут.

При однорастворной силикатизации и смолизации химикаты нагнетают заходками сверху вниз, закрепляя сначала вышележа­щие слои грунта.

Расход растворов на каждую заходку может быть определен по формуле

ф= пг^кпк,

где С — количество раствора, л; '•]

г —радиус закрепления одним инъектором, м; к — глубина заходки, м; я — пористость грунта, %; к — коэффициент, равный для песков 5, плывунов 15, лёссов 8.

Нагнетают растворы равномерно со скоростью не более 5 м/мин. Наибольший перерыв между нагнетанием жидкого стекла и хло­ристого кальция при двухрастворной силикатизации:

Скорость течения грун­
товых вод, м/сут... О 0, 5 1, 5 3
Перерыв, ч......................... 24 6 2 1

Прочность закрепленного грунта и радиусы закрепления одним инъектором в зависимости от коэффициента фильтрации грунта приведены в табл. II 1.1.

Таблица Ш.1

& Ч*\Чй> \ЧЯ>

Рис. Ш.З. Схема циркуляционного инъектора:

/ — наружная труба; 2 — внутренняя тру­ба; 3 — рукоятка; 4 — внешняя труба; 5 — резиновый уплотнитель

Водонасыщенные глины, кроме, электроосмоса, могут быть уп­рочнены электрохимическим закреплением. При этом методе через аноды в грунт подают цементирующие водные растворы химических реактивов преимущественно хлористого кальция или других солей металлов. В результате, кроме осушения, достигается цементация глинистых частиц и прочность грунта возрастает. Напряжение тока при электрозакреплении составляет 80—100 В, плотность 5—7 А/м²; расход энергии 60—100 кВт-ч на 1 м³ грунта.

Существенный недостаток закрепления грунтов химическими реактивами — большая стоимость реактивов, что ограничивает при­менение этого метода в строительстве.

Закрепление грунтов нагнетанием цементного раствора приме­няют для крупнозернистых песков, отложений гальки и гравия, трещиноватых и кавернозных скальных пород с коэффициентом ■ фильтрации от 80 до 200 м/сут.

Цементация производится водно-цементными растворами сле­дующего состава.

Удельное водопоглоще-
ние, л/мин...................... 0, 05—0, 1 0, 1—1 1—5 5—10

Весовое отношение це­
мента и воды в на­
чальном составе рас­
твора.............................. 1: 10—1: 8 1: 8—1: 2 1.-2—1.-1 1: 1 и гуше

Для заполнения крупных трещин и каверн, а также пустот в ■ крупнообломочных породах можно применять песчано-цементные растворы.

Удельное водопоглощение определяют опытным путем, нагне­тая в скважину воду. Если глубина скважины Ь, давление нагне­таемой воды Н, С} — количество воды (в л/мин), поглощенной грун­том, то удельное водопоглощение

Нагнетать цементный раствор рекомендуется через циркуляци-. онные инъекторы. Циркуляционный инъектор состоит из двух труб (рис. Ш.З); внутренняя труба служит для подачи раствора, на­ружная— для возвращения избытка раствора в растворомешалку или баки. Такая конструкция инъектора предохраняет раствор от осадки цемента. Циркуляционные инъекторы устанавливают в за­ранее пробуренные скважины. Между стенкой скважины и инъек-тором укладывают резиновую прокладку, которая не допускает выливания раствора наружу; уплотнение прокладки достигается нажимом на нее внешней трубкой с помощью рукоятки.

Для цементации песков могут применяться перфорированные инъекторы.

Расстояние между инъекторами определяют опытным нагнета­нием раствора. Ориентировочные значения радиусов закрепления различных грунтов одним инъектором:

Средпезернистые пески.............................................................. 0, 3—0, 5 м

Крупнозернистые»............................................................ 0, 5—0, 75»

Галька и гравий.......................................................................... 0, 75—1»

Трещиноватые скальные породы........................................... 1, 2—1, 5»

Цементацию начинают с промывки грунта водой, подавая ее под давлением через установленные инъекторы; одновременно оп­ределяют водопоглощение грунта. Затем нагнетают цементный рас­твор, постепенно увеличивая содержание в нем цемента и повышая давление. Обычно раствор нагнетают под давлением до 3—6 кгс/см²; при цементации трещиноватых скальных пород давление может достигать 10—15 кгс/ом², а иногда и более (до 70 кгс/см²). -

Цементация считается оконченной, если поглощение раствора в течение 20 мин при заданном давлении не превышает 0, 5 л.

Мощные слои грунта цементируют заходками снизу вверх или сверху вниз. В первом случае инъекторы погружают сразу на пол-

ную глубину и по мере цементации поднимают; во втором случае инъекторы погружают постепенно после закрепления вышележа­щих слоев грунта. Цементация по второму способу дает лучшие результаты, так как позволяет нагнетать раствор под большим дав­лением, пользуясь прикрытием ранее зацементированных верхних слоев.

Для цементации применяют цементы тонкого помола марки не ниже 400. Если грунтовые воды агрессивны, то употребляют соот­ветствующие устойчивые виды цементов. Размер трещин скальных пород, поддающихся цементации, составляет 0, 15—0, 2 мм; для луч­шего заполнения трещин рекомендуется вводить в раствор пласти­фикаторы (мылонафт, сульфитно-спиртовую барду и пр.). Расход цементного раствора для цементации составляет от 20 до 40% объема закрепленного грунта. Прочность грунта после окончания твердения цемента достигает 10—35 кгс/см².

Просадочиые маловлажные грунты (лёссовые породы) могут быть укреплены обжигом на глубину 10—15 м. Обжиг произво­дят или нагнетанием в скважины горячего воздуха с температурой 600—800°С, или сжиганием жидкого топлива (солярового масла). Последний способ более экономичен и эффективен.

Жидкое топливо сжигают в скважинах диаметром 10—20 см, расположенных на взаимном расстоянии 2—3 м. Топливо подают в форсунки иод давлением 0, 15—0, 2 кгс/см². Одновременно в скважи­ны нагнетают под давлением до 1, 5 кгс/см² холодный воздух, по­нижающий температуру горения с 2000 до 800—1000° С. Для обжи­га массива грунта диаметром 2—2, 5 м < на 1 ног. м скважины тре­буется 80—120 кг топлива, а диаметром Зм — 120—180 кг. Расход воздуха при этом составляет около 30 'м³ на 1 '.кг топлива. Продол­жительность обжига 5—10 сут.

После обжига прочность грунта на сжатие возрастает до 10— 12 кгс/см², сцепление увеличивается с 0, 22 до 1, 6—5 кгс/см² в су­хом состоянии и до 1, 1—1, 7 кгс/см² при увлажнении грунта, а также резко снижается водопроницаемость и просадочность.

Укрепление грунтов термическим методом применяют главным образом для устранения неравномерных осадок существующих зда­ний и сооружений.

Глава IV КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ

ФУНДАМЕНТОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ