Методы укрепления грунтов

Методы укрепления грунтов

Укрепление грунтов – представляет собой искусственное изменение строительных свойств грунтов, используя различные физико – химические способы. Данный метод способствует увеличению прочности, устойчивости, уменьшает сжимаемость и водопроницаемость. В настоящее время существует два способа укрепления грунтов:

1. Поверхностный – его выполняют на глубине до 1 метра. Предварительно необходимо провести разрыхление и перемешивание его с укрепляющими материалами, такими как, вяжущие, цемент, известь, а затем происходит уплотнение.
2. Глубинный – представляет собой обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путём инъектирования укрепляющих материалов, термообработки и замораживания, используя заранее пробуренные скважины, шпуры или забиваемые инъекторы. Инъекции чаще всего проводят, применяя силикатные материалы и смолы, обладающие вяжущими свойствами.

Факторы, влияющие на выбор метода укрепления

Выбор метода укрепления грунтов регламентируется требованиями СП 22.13330 и данными инженерно-геологических изысканий по СП 47.13330.

При фильтрационном потоке и агрессивных водах инъектируемый раствор нужно защитить проникающими составами, чтобы учесть требования СП 22.13330 по долговечности и водонепроницаемости.

К методам глубинного укрепления грунтов с целью повышения несущей способности грунтовых оснований относятся:

А) Химический – такой как, цементация, битумизация и смолизация.

 Цементация осуществляется по полым сваям, заранее забитым путём нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока. Метод цементации, в основном, применяют в качестве укрепления крупно – и среднезернистых песков, скальных пород с трещинами путём нагнетания цементного раствора через инъекторы в грунт. Используют суспензию с отношением цемента с водой от 1:1 до 1:10 –в зависимости от размера трещин и пористости песка, а также применяют цементные растворы с добавками глины, песка и других инертных материалов.

Радиус укрепления грунтов в скальных грунтах- 1,2 – 1,5 м, в крупных песках- 0,5-0,75 м; в песках средней крупности – 0,3-0,5 м. Данный метод производится нисходящими зонами; при достижении заданного поглощения или снижения расхода раствора, достигшего 0,5 л/м в течение 20 минут при заданном давлении, при этом происходит прекращение нагнетания.

Составы серии «Кальматрон-Инжект» ГЕО обеспечивают глубокое проникновение в массив и эффективное снижение фильтрации.

Виды растворов:

Использование горячей битумизации в трещинах породы или в гравийно – гравелистый грунт путём нагнетания через скважины горячего битума, который в процессе застывания придаёт грунтам высокую водопроницаемость.

При холодной битумизации происходит нагнетание 35-45% тонкодисперсной битумной эмульсии. Метод применяется для очень тонких трещин в скальных грунтах и для уплотнения песчаных грунтов.

Метод смолязации используется для укрепления мелких песков, применяя смеси растворов карбамидной смолы и соляной кислоты – нагнетание через инъекторы в грунт.

Осуществляя метод силикации укрепляются песчаные и лессовые грунты, нагнетая в них химические растворы через систему перфорированных трубок – инъекторов в грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция. В результате данной реакции получается гель кремниевой кислоты, придающий значительную прочность и водопроницаемость грунтов.

Б) Термический- результат сжигания газообразного, жидкого топлива и сжиженных газов непосредственно в скважинах, заранее пробуренных на всю глубину укрепления грунта. Укрепление грунта в скважинах осуществляется под действием пламени, а в теле массива- от раскалённых газов, которые проникают через поры грунта. При этом, вокруг скважины образуется столб обожжённого грунта, диаметр которого зависит от продолжительности обжига и количества используемого топлива. Предназначен для укрепления грунтов и устранения просадки на глубину до 15 м, доводят прочность в среднем до 1 мПа.

В) Искусственное замораживание— предназначена для временного укрепления слабых водонасыщенных грунтов. Через систему замораживания скважины, которые располагаются по периметру и в теле бедующей выработки пропускаются хладоны с низкой температурой, отнимающей от окружающего грунта тепло, превращая его в ледогрунтовый массив, который обладает полной водопроницаемостьтю и является высокопрочным.

Выделяют 2 способа замораживания, в зависимости от вида хладоносителя:

1. Рассольный – высококонцентрированный раствор хлористого кальция или натрия, предварительно охлаждённого в испарительной холодильной машине до -25 градусов Цельсия. В качестве хладагента в холодильных машинах применяют аммиак, фреон или жидкий азот.
2. Сжиженный газ— жидкий азот, который имеет температуру испарения -196 градусов Цельсия.

Г) Электрический- производится, укрепляя влажные глинистые грунты. Используется эффект электроосмоса- когда через грунт пропускается постоянный электрический ток с напряжением поля 0,5- 1 В/ см и плотностью 1-5 А/ кв.м. Происходит осушение, уплотнение глины и теряется способность к пучению.

Д) Электрохимический— одновременно с электрическим током через трубу, которая является катодом в грунт вводятся химические добавки, например, хлористый кальций. При этом увеличивается интенсивность процесса укрепления грунтов.

Е) Механический – состоит из устройства грунтовых подушек и грунтовых свай; вытрамбовывании котлованов.

1) Устройство грунтовых подушек происходит в замене слабого грунтового основания другим, более прочным. Для начала производят удаление слабого грунта, насыпление прочного грунта и послойное его утрамбовывание. При устройстве грунтовых свай в слабом грунте сначала забивают сваю – лидер. Затем в скважину засыпают новый грунт и послойно уплотняют.

Вытрамбовывание котлованов – происходит с использованием тяжёлых трамбовок, которые подвешиваются на стреле башенного крана. Данный способ является менее сложным, чем способ грунтовых подушек, так как не требует замены грунтового основания.

Гладкими или кулачными катками, трамбовочными машинами, виброкатками, и виброплитами происходит уплотнение котлован значительных размеров.

Использование буронабивных свай

Использование свайных конструкций является типом фундамента, само по себе не укрепляет грунт, но переносит нагрузку на более нижние слои. Но при строительстве на слабых основаниях они решают ту же задачу — обеспечивают несущую способность.

Несущая способность сваи зависит от:

• диаметра,
• длины сваи,
• прочности грунта под пятой и по боковой поверхности.

Технология устройства включает бурение скважины проектного диаметра и глубины. На неустойчивых водонасыщенных грунтах стенки скважины крепят обсадными трубами или удерживают глинистым (бентонитовым) раствором. В скважину опускают арматурный каркас и бетонируют. При высоком уровне грунтовых вод бетон подают методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ), чтобы избежать размыва смеси.

Типы конструкций:

Преимущество использования буронабивных свай заключается в возможности строить в любое время года, в сложных условиях, высокой несущей способности и отсутствии воздействия на другие объекты. Недостатком данной технологии является сложность контоля качества бетонирования, требование к тщательной очистки забоя от шлама, риск образования каверн и переасхода бетона, а так же сложности работы с раствором в зимний период.

Чтобы защитить бетон от агрессивного воздействия грунтовых вод используются составы Кальматрон-Д и Кальматрон-Д ПРО. Они повышают водонепроницаемость и морозостойкость свай, защищают арматуру от коррозии.

Целостность свай контролируют ультразвуком или сейсмоакустикой. Для сложных объектов проводят испытания статической или динамической нагрузкой, а также лабораторный анализ бетона из кернов.

Цементация и армирование массива

Когда на зацементированный грунт идет высокая нагрузка, его усиливают арматурой. Это позволяет сопротивляться выдергивающим нагрузкам или работе на изгиб.

Его можно подразделить на:

• Армирование грунтоцементных свай — установка арматурного каркаса в свежесформированную сваю.
• Армирование инъекционных массивов — погружение стержней, труб или профилей в зацементированную зону до схватывания раствора.
• Армирование контактной зоны — установка арматуры на границе «фундамент-грунт» с последующей цементацией
• Комбинированное армирование — сочетание разных типов арматуры (стержни, сетки, объёмные георешётки).

Проектные работы выполняют по СП 22.13330 и СП 291.1325800.2017

Чтобы эффективно защитить арматуру при данном методе отлично подходят составы Кальматрон-Д и Кальматрон-Д ПРО.

Укрепление грунтоцементными сваями

Грунтоцементные сваи — это геотехнические элементы фундаментов, формируемые путём введения цементно-водного раствора в грунт. В результате получается монолитный массив грунт–цемента, обладающий повышенной прочностью и устойчивостью к нагрузкам.

Применение грунтоцементных свай для усиления оснований в сложных грунтовых условиях:

• Укрепление фундаментов жилых, коммерческих и промышленных зданий на слабых или неоднородных грунтах.
• Реконструкция и ремонт существующих сооружений — грунтоцементные сваи вводят под старые фундаменты или вблизи строений при расширении и надстройке, повышая несущую способность и предотвращая осадку.
• Устройство подпорных стен и котлованов — формируются вертикальные ряды свай, связываемых в сплошную грунтоцементную завесу для поддержки откосов и защиты котлованов от осыпей и фильтрации воды.
• Стабилизация склонов и береговых линий — наклонные сваи и монолитные грунтоцементные перемычки в основании укрепляют откосы, предотвращая оползни и размыв водотоков.
• Инженерные сооружения транспортной инфраструктуры — крепление оснований мостов, эстакад, противофильтрационные экраны для тоннелей и др.

Существуют 3 вида технологии:

• Jet 1: Разрушение грунта производят струей цементного раствора под давлением. Строительная смесь подается под большим напором мощным насосом прямо в почву. Суть этого процесса отражает название технологии, в котором слово grouting означает «заполнение цементным раствором». Под давлением образовывается отверстие и сразу происходит смешение с цементом. Данная технология предусматривает выполнение свайных конструкций диаметром 0,3–1 м в зависимости от свойств грунта.
• Jet 2: Разрушение грунта производят аналогичной струей цементного раствора с использованием энергии сжатого воздуха. Необходимо иметь специальные буровые штанги c раздельной подачей цементного раствора и сжатого воздуха. Диаметр свай, получаемых по этой технологии, достигает 2,5 м в зависимости от грунтов.
• Jet 3: Разрушение грунта производится струей воды высокого давления, под воздействием сжатого воздуха (трехкомпонентная система) позволяет получать грунтоцементные колонны большого диаметра – до 2,5 м. Грунт вымывается водой на поверхность, а воздух делает вынос грунта более эффективным. Подача цементного раствора производится форсунками, расположенными ниже сопел подачи воды и воздуха.

Для раствора применяют инъекционные материалы серии «Кальматрон-Инжект» ГЕО а так же добавки «Кальматрон-Д» для улучшения водонепроницаемости.

Устройство свай из грунтобетона выполняется в два этапа: производство прямого (бурение скважины) и обратного хода буровой колонны. В процессе обратного хода производят подъем колонны с одновременным ее вращением. При этом поднимают давление цементного раствора, который поступает в сопла монитора, создающие струю с высокой кинетической энергией. В результате в грунтовом массиве формируются сваи диаметром 0,6 — 1,0 м из нового материала — грунтобетона с достаточно высокими несущими и противофильтрационными характеристиками.

Заключение:

Для определения наиболее подходящего метода необходимо тщательное исследование грунтов как по физическим, химическим, механическим и эксплуатационным свойствам, т. е. учитывать инженерно – геологические изыскания. И только после этого применяются уже расчёты. Данный вид деятельности должны проводить высококвалифицированные специалисты и иметь экономическую выгоду. Качественный проект является залогом успешного выполнения работ и продлевает долговечность самого строительного объекта.

Под контролем качества понимают лабораторные испытания, применение материалов; проверку соблюдения технологии выполнения работ; испытания укреплённых грунтов и мониторинг состояния конструкции как в процессе, так и после укрепления.