Лекция 8. Искусственное улучшение свойств оснований. Защита фундаментов от грунтовых вод

Необходимость искусственного улучшения свойств оснований возникает при строительстве на слабых грунтах, структурно неустойчивых грунтах или в обычных условиях, если мероприятия, направленные на улучшение свойств оснований являются технически и экономически целесообразными. Методы улучшения свойств оснований подразделяют на механические и физико-химические. К механическим методам улучшения свойств оснований относят устройство грунтовых подушек и различные методы уплотнения оснований. К физико-химическим методам относят методы закрепления грунтов силикатизацией, цементацией, пропиткой смолами, термической обработкой и т.п. Химические методы закрепления грунтов применяются в сочетании с электростатическим воздействием на грунты. Такие методы называются электрохимическими. Ниже рассматриваются отдельные приемы и методы улучшения свойств оснований и укрепления грунтов, подпадающие под вышеприведенную классификацию.

1. Устройство в основаниях, сложенных слабыми грунтами, грунтовых подушек. Это мероприятие можно классифицировать как устройство искусственных оснований с заданными свойствами вместо естественного основания. Толщину грунтовой подушки (рис. 9.1) определяют из условия допустимости давлений на слабый грунт на уровне подошвы условного фундамента, которым является искусственное основание в виде грунтовой подушки. Ширину условного фундамента определяют по формуле:

B = b + 2×hcs×tg a,                                                                            (9.1)

где b – ширина фундамента; hcs – толщина грунтовой подушки; a - угол наклона к вертикали луча, проведенного из крайней точки подошвы фундамента до пересечения с основанием грунтовой подушки (рис. 9.1), принимается по данным Б.И. Далматова в пределах 30–45° в зависимости от сжимаемости грунта по боковым поверхностям грунтовой подушки.

Как правило, грунтовая подушка имеет трапецеидальное поперечное сечение, образуемое лучами, проведенными из крайних точек условного фундамента под углом a к вертикали до пересечения с поверхностью естественного основания (рис. 9.1). Грунтовую подушку устраивают послойно с уплотнением до плотности сухого грунта 1650–1750 кг/м3. В качестве материала для устройства грунтовых подушек применяют крупнозернистый песок или щебень. Допускается также устраивать грунтовые подушки из уплотненного местного грунта (суглинка, глины
и т.п.).

 

 

2. Поверхностное уплотнение грунта природного сложения. Поверхностное уплотнение грунта производят вибромашинами, катками и трамбовками. Наибольший эффект достигается при поверхностном уплотнении грунта трамбовками (рис. 9.2). Уплотнению подлежат грунты со степенью влажности Sr < 0,7. При попытке уплотнять грунты большей влажности может наблюдаться обратный процесс, связанный с их разуплотнением за счет несжимаемости и формоизменения поровой воды. Существует оптимальная для уплотнения влажность грунта, которая вычисляется по формуле:

W0 = Wp – (0,01¸0,03),                                                                     (9.2)

где Wp – влажность грунта на границе пластичности.

Оптимальная для уплотнения влажность грунта предварительно вычисляется по формуле (9.2) и уточняется по результатам опытных уплотнений. Уплотнению подлежит грунт с плотностью сухого грунта r d £ 1,55 т/м3. Зоной уплотнения считается слой грунта от поверхности до глубины, на которой плотность сухого грунта r d = 1,6 т/м3.

Уплотнению трамбованием подлежит площадь поверхности основания, выступающая за пределы фундамента на 0,2×d, где d – диаметр трамбовки. Трамбование производят сбрасыванием с определенной высоты (до 5–10 м) груза цилиндрической формы с плоским дном, называемым трамбовкой. Вес груза обычно составляет несколько тонн. Степень уплотнения грунта зависит от работы уплотнения, равной произведению веса трамбовки на высоту сбрасывания и на количество ударов по одному месту. Глубина уплотнения грунта зависит от диаметра трамбовки. Зависимость между диаметром трамбовки и глубиной уплотнения грунта определяется эмпирической формулой:

hs = k×d,                                                                                            (9.3)

где k – коэффициент, принимаемый равным: для крупнообломочных грунтов и песков крупных и средней крупности – 2,2; для песков мелких и супесей – 2,0; для пылевато-глинистых грунтов – 1,8.

Вес трамбовки назначается из условия, чтобы ее статическое давление на основание было не менее 15 кПа. При уплотнении основания трамбованием следует проектировать недобор котлована до проектной отметки на величину D h, рассчитываемую по формуле:

D h = 1,2×hs (1 - r d / r d,s),                                                                  (9.4)

где r d – плотность сухого грунта до уплотнения; r d, s – плотность сухого грунта после уплотнения.

Величина недобора котлована может составлять в зависимости от глубины уплотнения грунта и степени его природной плотности до 0,5–1,0 м.

3. Уплотнение массивов грунтовыми сваями. Рассматриваемая технология (рис. 9.3) позволяет уплотнять грунтовые массивы на глубину до 10–24 м. Наибольшее применение она нашла при уплотнении массивов структурно неустойчивых грунтов, например, просадочных грунтов II типа. Степень влажности уплотняемых грунтов Sr должна быть меньше 0,75. Процесс уплотнения массива грунта заключается в следующем. Со дна котлована на расстоянии l друг от друга пробиваются скважины диаметром d (рис. 9.3). В скважины засыпается песчано-гравийная смесь и послойно уплотняется. Заполнение скважин может также осуществляться грунтом, разрабатываемым на площадке строительства. Зависимость между расстоянием между пробитыми скважинами l и их диаметром d определяется формулой:

                                                                     (9.5)

где r d и r d, s – соответственно плотность сухого грунта до уплотнения и после уплотнения.

Размеры уплотняемой площади дна котлована должны выходить за границы наружного контура проектируемых фундаментов на 3×d в каждую сторону. При уплотнении грунтового массива происходит разуплотнение его верхней зоны за счет выпора грунта вокруг пробитых скважин. Верхний разуплотненный слой грунтового массива называется буферным слоем. Высота буферного слоя hb рассчитывается по формуле:

hb = kb d,                                                                                          (9.6)

где kb – коэффициент, зависящий от вида грунта (принимает значения от 4 до 6).

Высота буферного слоя может достигать 1–1,5 м. Буферный слой подлежит уплотнению тяжелыми трамбовками до плотности сухого грунта 1,65–1,75 т/м3. Можно также проектировать котлован с недобором на величину буферного слоя. В этом случае после уплотнения грунтового массива буферный слой подлежит срезке.

4. Укрепление грунтов цементацией. Данная технология (рис. 9.4) применяется для закрепления песчаных и гравелистых грунтов с размерами пор, соизмеримыми с размерами частиц цемента. Процесс закрепления грунтов состоит в следующем. В грунт погружается по лидерной скважине инъектор в виде перфорированной трубы диаметром до 50 мм на глубину до 3 м. В инъектор подается под давлением 2–3 атмосферы цементно-водная суспензия, которая проникает в поры грунта на расстояние 1–3 м от оси инъектора. Свободная вода из суспензии фильтрует в окружающий массив грунта, а попавшие в поры грунта частицы цемента претерпевают химическую реакцию гидратации и превращаются в цементный камень, укрепляющий грунт. Применяют цементно-водные суспензии состава от 1:1 до 1:10. В качестве эмульгатора в цементно-водную суспензию добавляют глиняные растворы с содержанием глины от 50 до 100 % по массе цемента. С применением эмульгированных цементно-водных суспензий могут укрепляться макропористые супеси и слабые суглинки.

Рис. 9.4. Схемы укрепления грунтов основания цементацией или силикатизацией: а – под ленточным фундаментом; б – под плитным фундаментом; 1 – лидерная скважина; 2 – отверстие в плите; 3 – инъектор; 4 – подводящий шланг; 5 – закреплённый грунт.

5. Укрепление грунтов силикатизацией. Для силикатизации грунтов используется такое же технологическое оборудование, что и для цементации (рис. 9.4). Отличие заключается в том, что раствор подается в инъектор под давлением 10–15 атмосфер на глубину до 15–20 м. Упрочненная зона создается вокруг инъектора радиусом 0,4–1 м в зависимости от коэффициента фильтрации грунта. Впервые метод силикатизации для упрочнения рыхлых песков был предложен в Англии в 1925 г. Как правило, эффективное закрепление достигается при коэффициенте фильтрации грунтов более 0,3 м/сутки. При этом прочность укрепленного грунта при одноосном сжатии может достигать от 0,3 до 3,0 МПа. Различают однорастворную и двухрастворную силикатизацию грунта. Однорастворная силикатизация применяется в грунтах, в которых имеются в достаточном количестве соли хлористого кальция. В этом случае в инъектор подается водный раствор силиката натрия или жидкого стекла (Na2O×nSiO2). Химическая реакция силиката натрия с хлористым кальцием приводит к образованию геля кремниевой кислоты с последующим превращением его в твердый остаток, который и является цементирующим веществом, проникающим в поры и закрепляющим грунт. При недостатке в грунте солей хлористого кальция применяется технология двухрастворной силикатизации. При этом после закачки в скважину раствора силиката натрия в нее повторно нагнетается в качестве реагента раствор хлористого кальция.

В первый момент после реализации процесса силикатизации грунта может наблюдаться снижение его прочностных свойств за счет повышения влажности. При этом наблюдаются дополнительные осадки сооружения. После затвердевания геля кремниевой кислоты прочность закрепляемых грунтов существенно повышается. Обычно это происходит через несколько суток после осуществления процесса закрепления грунта. Классическим примером реализации рассматриваемой технологии является закрепление просадочных грунтов в основании здания Одесского оперного театра (1956).

6. Электрохимическое закрепление грунтов. Применяется при коэффициенте фильтрации грунтов менее 0,01 м/сутки. Используются физические явления электроосмоса и катафореза, открытые Рейссом в 1809 г. При пропускании постоянного электрического тока (рис. 9.5) через грунт с помощью размещенных в нем электродов к электроду с отрицательным потенциалом мигрирует влага или поровая вода (электроосмос), а к электроду с положительным потенциалом – коллоидально взвешенные частицы (катафорез). Электроосмос вызывает уменьшение толщины пленок связанной воды между минеральными частицами грунта. Катафорез способствует замене одних веществ другими, приносимыми поступающей в грунт водой. Электрохимическое закрепление грунта предполагает закачку в инъектор – анод (положительный электрод) раствора силиката натрия и откачку воды из инъектора – катода (отрицательного электрода). Это способствует проникновению в микропоры грунта цементирующего вещества. Тем самым ускоряется процесс укрепления глинистого грунта, который в природе происходит крайне медленно.

7. Закрепление грунтов синтетическими смолами. Используется технология, сходная с силикатизацией. Используются водные растворы (1:1) карбомидных и фурфурольных смол. В качестве отвердителя (коагулянта) используется 2–5 % раствор серной кислоты. Нагнетание раствора в инъектор осуществляется при давлении 1–3 атмосферы. Радиус закрепления грунта относительно оси инъектора составляет 0,4–1,0 м. Процесс закрепления завершается через 1,5–4 часа. При этом достигается прочность грунта при одноосном сжатии до 5 МПа.

8. Термическое закрепление грунтов. Метод предложен в 1936 г. Осташевым и Литвиновым (рис. 9.6). Применяется для закрепления просадочных лессовых грунтов. В скважину (рис. 9.3), герметично закрытую сверху, подается через горелку газ и воздух (окислитель) под давлением 0,15–0,5 атмосферы. Температура пламени газовой горелки составляет 1200–1400°С. В результате термической обработки грунта, содержащего пылевато-глинистые частицы, образуется цилиндрическое керамическое тело диаметром 2,0–2,5 м с прочностью материала на одноосное сжатие 0,4–0,6 МПа. Время обжига одной скважины глубиной 15 м составляет 5–10 дней. Расход газа в эквиваленте жидкого топлива составляет 120 л на 1 м скважины.

9. Защита фундаментов от грунтовых вод. Грунтовые воды представляют собой агрессивную среду, вызывающую коррозионное разрушение материалов фундаментных конструкций. Классификация грунтовых вод по степени их агрессивности к фундаментным конструкциям приведена в курсе "Инженерные изыскания". Защиту бетонных и железобетонных фундаментных конструкций от агрессивного воздействия грунтовых вод осуществляют применением бетонов повышенной водонепроницаемости на сульфатостойких цементах. Информация о мерах защиты должна содержаться в примечаниях на рабочей документации.

Площадки строительства подлежат защите от затопления и подтопления. Схемы подтопления территорий приведены на рис. 9.7.

Различают подтопление природного характера и техногенного характера. Причиной природного подтопления территории является резко выраженная неоднородность грунтов по фильтрационным характеристикам на пути разгрузки грунтового потока. На рис. 9.7 а условно показана схема разгрузки грунтового потока на территории г. Славянска Донецкой области. Надпойменные террасы, на которых расположена городская застройка, представлены на глубину до водоупора аллювием с коэффициентом фильтрации 200 м/сут. Непосредственно перед зоной разгрузки грунтового потока, которой является река Казенный Торец, грунтовый массив до уровня водоупора представлен суглинком с коэффициентом фильтрации 1 м/сут. Низкая водопроницаемость суглинка по сравнения с аллювием создает естественную (природную) преграду для разгрузки грунтового потока и приводит к подтоплению территории. Примером техногенной причины подтопления территории является строительство на пути миграции грунтового потока фундаментов глубокого заложения, например, свайных фундаментов (рис. 9.7 б). Наличие в грунтовом массиве строительных конструкций уменьшает эффективную площадь сечения грунтового потока, что замедляет его разгрузку. Такое явление называется барражным эффектом. Замедление скорости разгрузки грунтового потока на пути его миграции приводит к местному поднятию уровня грунтовых вод перед сооружением, создающим барражный эффект, и, как следствие, к подтоплению территории.


Защита территорий от затопления и подтопления осуществляется путем понижения уровня грунтовых вод на застроенной площадке или вблизи сооружения. Для этих целей применяются различной конструкции дренажные системы (рис. 9.8).

Основы гидрогеологических методов расчета дренажных систем изложены в курсе "Инженерная геология". Ниже приводится краткая классификация дренажных систем по их назначению. Различают глобальные и локальные дренажные системы. Глобальные дренажные системы
предназначены для понижения уровня грунтовых вод на обширной территории. Применяют кольцевые (рис. 9.8 а) или лучевые (рис. 9.8 б) дренажные системы. Кольцевой дренаж устраивается, как правило, самотечным, в связи с чем является более эффективным по энергозатратам, чем лучевой. Лучевой дренаж устраивается в том случае, когда в силу природного рельефа не представляется возможным устроить кольцевой дренаж. Лучевой дренаж состоит из системы дренажных скважин, каждая из которых имеет расходящиеся лучами горизонтальные дренажные трубы. Дренирующая вода откачивается из скважин насосами и по системе трубопроводов сбрасывается в точку разгрузки за пределами защищаемой от подтопления территории, например, в реку. Локальные дренажные системы предназначены для водопонижения в непосредственной близости от сооружения. Для этих целей применяют пристенные (рис. 9.8 в) или пластовые (рис. 9.8 г) дренажи.

Как правило, эти дренажи понижают уровень грунтовых вод ниже отметки пола подвала. Дренирующая вода сбрасывается по дренажным трубам за пределы сооружения самотеком или принудительно с помощью насосных установок. Самотечный сброс является предпочтительным. Конструкции дренажей подвергаются гидрологическим расчетом, целью которых является обеспечение такой скорости дренирования, при которой не наступает механическая суффозия (вынос частиц грунта в дренажную воду). Суффозия может приводить к кальмотации (заиливанию) дренажной системы и выходу ее из строя. Кроме этого суффозия может явиться причиной локальных просадок основания под сооружением и вызвать нарушение его нормальной эксплуатации. Для исключения кальмотации дренажные трубы защищают специальными дренажными засыпками, улавливающими частицы грунта при дренировании воды. Типовая дренажная засыпка состоит из трех слоев дренажного материала разной крупности. Непосредственно у дренажной трубы располагают самый мелкий дренажный материал, а по контуру засыпки самый крупный дренажный материал. В качестве дренажного материала применяют мытый щебень и песок заданного гранулометрического состава.

Все фундаментные конструкции подвергают гидроизоляции. Конструкцию гидроизоляции назначают в зависимости от прогнозируемого уровня грунтовых вод. Данные о прогнозируемом уровне грунтовых вод содержатся в отчете об инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства. При отсутствии грунтовых вод и при расположении пола первого этажа выше отмостки устраивают горизонтальную гидроизоляцию по плоскости сопряжения фундамента со стеновой конструкцией из цементно-песчаного раствора состава 1:3 (рис. 9.9 а). Если в этом случае пол первого этажа расположен ниже уровня отмостки, горизонтальная гидроизоляция дополняется обмазочной гидроизоляцией стеновой
конструкции, расположенной в грунте (рис. 9.9 б). При низком уровне грунтовых вод устраивают горизонтальную и вертикальную оклеечную гидроизоляцию (рис. 9.9 в). Горизонтальную гидроизоляцию устраивают по цементной стяжке в уровне основания пола подвала. Вертикальную гидроизоляцию сопрягают с горизонтальной гидроизоляцией и заводят на 0,5 м выше прогнозируемого уровня грунтовых вод. Для повышения надежности вертикальной гидроизоляции ее защищают экраном из мятой глины. Для устройства оклеечной гидроизоляции применяют специальные материалы (гидроизол), не подверженные гниению в грунтовой среде. Применение рулонных гидроизоляционных материалов на бумажной основе (рубероид, пергамин и др.) запрещается. При высоком уровне грунтовых вод (рис. 9.9 г) конструкция гидроизоляции отличается большей надежностью, что достигается увеличением слоев оклеечной гидроизоляции. Кроме этого вертикальная гидроизоляция защищается от повреждений прижимной стенкой в 1/2 красного керамического кирпича. Применение силикатного кирпича и других материалов, содержащих труднорастворимые соли (гипс, известь и т.п.) не допускается. Существенное отличие для данных гидрогеологических условий заключается в применяемых конструкциях фундаментов. Как правило, применяют монолитные фундаменты в виде плит, подкрепленных ребрами (стенами). Плита рассчитывается на несколько основных сочетаний нагрузок, в одном из которых учитываются давления от гидростатического напора p = g w × hw, где g w – удельный вес воды; hw – расстояние от плоскости горизонтальной гидроизоляции до отметки прогнозируемого уровня грунтовых вод. При высоком уровне грунтовых вод слабонагруженные фундаменты (как правило, малоэтажных зданий и сооружений) рассчитываются на всплытие.

 


Дата: 2019-03-05, просмотров: 10.