Использование щебеночных и песчаных свайдля усиления слабых грунтов основания транспортных сооружений

Механическое укрепление

Механический способ укрепления предполагает внедрение в грунт свай высокой прочности или специальных материалов типа щебня. В ходе работ может использоваться трамбовка или вибрация для уплотнения слоев без изменения их структуры.

При применении железобетонных свай изделие пропускается через несколько слоев грунта и доходит до плотного слоя. В результате нагрузка по изделию передается вертикально. Существуют следующие технологии ввода конструкций:

• Набивные – сваи погружаются с предварительно выполненным бурением либо без проведения таких работ;
• буронабивные – в специальную трубу подается жидкий цементный раствор, после чего при помощи машины-домкрата осуществляется ввод свай;
• грунтовые – методом бурения подготавливаются отверстия, в них засыпается гранулометрический наполнитель и осуществляется послойная трамбовка.

Применение буронабивных свай требует дорогостоящего оборудования и достаточной территории строительной площадки. Использование грунтовых технологий гарантирует результат сравнимый с ж/б конструкциями, но считается более дешевым и экологичным.

Методы формирования грунтовой подушки, достижения уплотнения за счет трамбовки, вибрации или замены земли целесообразны при небольшом показателе толщины слоя. Повышение плотности может достигать при помощи гладких или кулачковых катков, виброплит и иного вида оборудования. Территории с пылеватыми песочными слоями трамбуются вместе с водой. Подобная технология оптимальна при строительстве дородных покрытий, взлетных дорожек аэродромов и других сооружений, которые занимаются большие площади.

Способы усиления грунтов оснований

Чернозем, торфосмеси, навоз и песок — продажа грунта для увеличения плодородной способности почвы.

Усиление грунтов в основании фундаментов заключается в следующих основных способах, которые в настоящее время широко применяются при реконструкции зданий и сооружений.

Инъектирование укрепляющими растворами. Укрепление грунтов с помощью инъекций цемента с каждой стороны фундамента (см. рис. 4.8) и цементация грунтов (цементация при наличии крупнообломочных пород, двухрастворная последовательная силикатизация для крепления средних и мелких песков, однорастворная силикатизация для лессов и суглинков, осмоление песков, глинизация лессов; электросиликатизация глин и суглинков.

Усиление основания с помощью перечисленных видов инъекций выполняется путем образования отдельных укрепленных объемов грунта ориентировочно радиусом до 0,8 м.

Нередко возникают ситуации, когда требуется усиление или реконструкция фундамента уже существующего здания. Такие ситуации возникают при плохом состоянии тела фундамента, локального разуплотнения грунтов основания из-за воздействия грунтовых вод (если гидроизоляция была проведена неудовлетворительно). В этом случае применяются различные методы цементизации грунтов основания фундамента. Цементизация грунтов основания также требуется, когда задние надстраивают: нагрузка на фундамент может значительно увеличиться, после чего возникает проседание (это нередкое явление, поскольку при закладке фундамента просчитывается проектная нагрузка). Если рядом с уже существующим зданием начинается строительство нового, то может возникнуть разуплотнение грунтов основания. Особенно это ярко проявляется, когда откопка котлована или бурение ведутся неправильно и возникает горизонтальная вибрация. В этом случае также приходится осуществлять цементизацию грунтов основания существующего здания.

В целом цементизация проводится в двух различных вариантах. Первый — это цементизация самого фундамента. При реализации данного метода в тело фундамента и его подошву вводится твердеющий раствор (предварительно в фундаменте бурятся специальные скважины). При этом пустоты в основании фундамента заполняются прочным материалом, предохраняющим кладку от разрушения. Данный метод также носит название инъекционной цементизации (см. рис. 4.9).

Одним из основных видов повреждения каменных кладок являются трещины. К повреждениям, ослабляющим кладку, относится множество разновидностей расслоений кладки, нарушение сцепления между материалом кладки и скрепляющими растворами. Данные повреждения хорошо поддаются реконструкции и не требуют закрепления грунтов. В других случаях возросшую нагрузку могут не выдержать не только сам фундамент, но и грунты основания. Тогда укрепление грунтов проводят методом введения буроинъекционных свай. В результате данных работ получаются железобетонные сваи, которые одним концом упираются в фундамент, а другим — в устойчивые грунты основания (см. рис. 4.10).

От обычной цементизации грунтов основания метод буроинъекционных свай отличается расположением скважин. При обычной цементизации скважины располагаются по прямоугольной сетке, с постепенно сближающимся шагом. Закрепление грунтов основания буроинъекционными сваями позволяет значительно сократить количество скважин: они бурятся только и непосредственно под карстовыми слоями. Нужно сразу оговориться, что цементизация грунтов основания с помощью буроинъекционных свай — метод достаточно дорогостояший, но при этом он позволяет добиться желаемого результата на длительный период.

В большинстве случае при отсутствии прочих (непредусмотренных) повреждающих воздействий результат цементизации грунтов основания сохраняется на протяжении пятидесяти лет. Обычно под непредусмотренными условиями понимается возникновение вибрации. Причиной появления горизонтальной вибрации может послужить строительство нового здания рядом с уже существующим или проведение дополнительных подземных коммуникаций. Горизонтальная вибрация вызывает деформации не только фундамента существующего здания, но и грунтов основания. Последние сравнительные испытания различных методов цементизации грунтов основания показали, что применение буроинъекционных свай, несмотря на относительную дороговизну этого метода, позволяют в два раза снизить материалоемкость и трудоемкость работ по закреплению карстующихся слоев, что в свою очередь существенно уменьшает проектную стоимость здания.

2. Термический способ, заключающийся в сжигании топлива в скважинах и создании таким образом прочных грунтовых столбов, которые являются как бы переходной конструкцией от оснований к фундаментам. Применяется в лесовых, лесовидных и глинистых грунтах.

3. Устройство буроинъекционных корневидных свай для одновременного усиления фундаментов и нижних участков стен. По этому способу применяются набивные сваи диаметром от 89 до 280 мм при длине от нескольких до десятков метров (примерно 7—40 м). Для образования таких свай предварительно сверлят отверстия буровыми ставками. В отверстие можно заложить арматуру диаметром примерно 12—16 мм. Бетонирование ведут под давлением в 3—6 атм. через трубы диаметром 18—60 мм

В неустойчивых грунтах применяют обсадные трубы, которые в особо трудных случаях не извлекают обратно. Расстояния между сваями принимают от 3 до 5 их диаметров.

Оригинальной конструкцией усиления оснований, а одновременно фундаментов и даже нижних участков стен является устройство буроинъекционных корневидных свай (рис. 4.9, д). Они представляют собой набивные сваи диаметром от 89 до 280 мм при длине от нескольких до десятков метров (примерно 7—40 м). Для образования таких свай предварительно сверлят отверстия буровыми ставками. В отверстие можно заложить арматуру диаметром примерно 12.16 мм. Бетонирование ведут под давлением в 3—6 атм. через трубы диаметром 18—60 мм. В неустойчивых грунтах применяют обсадные трубы, которые в особо трудных случаях не извлекают обратно. Расстояния между сваями принимают от 3 до 5 диаметров их.

Способов и конструкций по укреплению фундаментов разработано очень много. К ним относятся приемы, сходные с используемыми для усиления оснований, т. е. инъекции различных растворов. Инъекции делают цементным раствором составов от I : 10 до 1 : 1 под давлением от 2 до 10 атм.

При очень плохом состоянии материала фундамента раствор вводят непосредственно в разрушенные камни, в особенности в случаях, когда кладка была выполнена из мелких камней (рис. 4.9,в). При несколько лучшем состоянии и более крупных камнях, когда разрушены только швы и стыки кладки, инъекцию делают в эти места, между камнями (рис. 4.9,г).

Если в кладке фундамента разрушен только наружный слой, можно укрепить его способом торкретирования поверхности кладки цементным раствором для создания защитного слоя

Более сложные конструктивные изменения фундаментов производят главным образом для их усиления при увеличении полезной нагрузки в здании. Такие конструкции изображены на рис. 4.11. Здесь предусмотрены способы уширения подошвы фундамента, усиления существующей конструкции фундамента и даже передача давления от фундамента на выносные опоры.

На рис. 4.11,а изображено расширение подошвы фундамента путем замены нижних рядов кладки бетоном. На рис. 4.11,6 показано увеличение ширины фундамента с одновременным усилением его конструкции с помощью обетонирования его на всю высоту. При этом обеспечивается связь бетонного слоя вбитыми в швы кладки стержнями из арматурной стали диаметром порядка 20 мм. На рис 4.11,в изображен способ усиления фундамента и увеличения подошвы основания в виде железобетонной обоймы путем устройства горизонтальных отверстий в кладке и соединением обойм каждой стороны арматурными стержнями, располагаемыми на расстояниях через одну — полторы ширины подошвы фундамента.

На рис. 4.11,г изображено укрепление фундамента с увеличением его подошвы путем устройства бетонной обоймы и передачей на нее нагрузки с помощью поперечных металлических или железобетонных балок и арматурных стержней в нижней части кладки фундамента. Расстояние между балками можно ориентировочно принять равным высоте их от подошвы основания.

На рис. 4.11 ,д показана та же конструкция, но с введением еще продольных балок, что позволяет увеличивать расстояние между поперечными балками до 3—4 м и более. На схеме рис. 4.11 ,е изображено решение, состоящее в том, что набравшие прочность железобетонные обоймы, связанные внизу металлическими стержнями, отжимают домкратами. Вследствие этого происходит натяжение металлических стержней, увеличивается ширина подошвы и обжимается грунт.

На рис. 4.11, ж, и изображены способы увеличения ширины и несущей способности фундамента устройством консольных плит из монолитного железобетона или сборных плит с расположением их под подошвой или несколько выше ее. Одновременно может потребоваться укрепление стены устройством металлических креплений.

На рис. 4.11,к,л изображены конструкции, с помощью которых нагрузка выносится за пределы подошвы фундамента в наружных стенах с большим заглублением фундамента и во внутренних несущих стенах.

Следует учитывать, однако, что после устройства двух последних конструкций может произойти осадка вновь сооружаемых выносных частей фундамента, что приведет к опасным деформациям в стенах. Поэтому такого рода конструкции не могут быть рекомендованы.

Замена отдельных участков фундамента производится небольшими, до 2 м длины участками, в строго определенной последовательности. При работе должна быть сохранена незатронутая часть длины фундамента протяжением не менее двух уже замененных участков.

Особенности цементации

Технология изъятия грунта и изменения его свойств применяется, когда имеется возможность извлечь слой и заменить его на более прочный. Улучшение качеств достигается за счет добавления раствора на основе цемента и песка, который может подаваться струйным или механическим способом. При втором варианте перемешивание осуществляется специальной конструкцией шнекового бура, который предполагает наличие штанги полой внутри и имеющей отверстия по всей длине. Они служат для подачи цементной смеси, которая при работе оборудования смешивается с грунтовыми слоями. Преимуществом метода считается:

• невысокая стоимость;
• гарантия результата;
• приемлемость для влажного грунта;
• возможность использования при ограниченности пространства.

Цементацию можно использовать для усиления грунта, на котором уже построены здания. Для этих целей используются специальные компактные установки «джет-сваи», которые позволяют осуществлять ввод вертикально и под углом.

I. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

I. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Типовая технологическая карта (именуемая далее по тексту ТТК) – комплексный организационно-технологический документ, разработанный на основе методов научной организации труда для выполнения технологического процесса и определяющий состав производственных операций с применением наиболее современных средств механизации и способов выполнения работ по определённо заданной технологии. ТТК предназначена для использования при разработке Проектов организации капитального ремонта, Проектов производства ремонтно-строительных работ и другой организационно-технологической документации строительными подразделениями. ТТК является составной частью Проектов производства работ (далее по тексту – ППР) и используется в составе ППР согласно МДС 12-81.2007.

1.2. В настоящей ТТК приведены указания по организации и технологии производства работ по искусственному закреплению грунтов методом цементации.

Определён состав производственных операций, требования к контролю качества и приемке работ, плановая трудоемкость работ, трудовые, производственные и материальные ресурсы, мероприятия по промышленной безопасности и охране труда.

1.3. Нормативной базой для разработки технологической карты являются:

– типовые чертежи;

– строительные нормы и правила (СНиП, СН, СП);

– заводские инструкции и технические условия (ТУ);

– нормы и расценки на строительно-монтажные работы (ГЭСН-2001 ЕНиР);

– производственные нормы расхода материалов (НПРМ);

– местные прогрессивные нормы и расценки, нормы затрат труда, нормы расхода материально-технических ресурсов.

1.4. Цель создания ТТК – описание решений по организации и технологии производства строительно-монтажных работ по искусственному закреплению грунтов методом цементации, с целью обеспечения их высокого качества, а также:

– снижение себестоимости работ;

– сокращение продолжительности строительства;

– обеспечение безопасности выполняемых работ;

– организации ритмичной работы;

– рациональное использование трудовых ресурсов и машин;

– унификации технологических решений.

1.5. На базе ТТК разрабатываются Рабочие технологические карты (РТК) на выполнение отдельных видов работ (СНиП 3.01.01-85* “Организация строительного производства”) по искусственному закреплению грунтов методом цементации.

Конструктивные особенности их выполнения решаются в каждом конкретном случае Рабочим проектом. Состав и степень детализации материалов, разрабатываемых в РТК, устанавливаются соответствующей подрядной строительной организацией, исходя из специфики и объема выполняемых работ.

РТК рассматриваются и утверждаются в составе ППР руководителем Генеральной подрядной строительной организации.

1.6. ТТК можно привязать к конкретному объекту и условиям строительства. Этот процесс состоит в уточнении объемов работ, средств механизации, потребности в трудовых и материально-технических ресурсах.

Порядок привязки ТТК к местным условиям:

– рассмотрение материалов карты и выбор искомого варианта;

– проверка соответствия исходных данных (объемов работ, норм времени, марок и типов механизмов, применяемых строительных материалов, состава звена рабочих) принятому варианту;

– корректировка объемов работ в соответствии с избранным вариантом производства работ и конкретным проектным решением;

– пересчёт калькуляции, технико-экономических показателей, потребности в машинах, механизмах, инструментах и материально-технических ресурсах применительно к избранному варианту;

– оформление графической части с конкретной привязкой механизмов, оборудования и приспособлений в соответствии с их фактическими габаритами.

1.7. Типовая технологическая карта разработана для инженерно-технических работников (производителей работ, мастеров, бригадиров) и рабочих, выполняющих работы в III-й температурной зоне, с целью ознакомления (обучения) их с правилами производства работ по искусственному закреплению грунтов методом цементации, с применением наиболее современных средств механизации, прогрессивных конструкций и способов выполнения работ.

Технологическая карта разработана на следующие объёмы работ:

– закрепляемый грунт – 150,0 м

.

Материалы для изменения свойств

Для стабилизации сегодня применяются различные материалы, выбор которых осуществляется на основании оценки состояния грунта. Технология может предполагать использование следующих составляющих:

• песка;
• щебеня;
• гравия;
• глины.

Уменьшение липкости глинистого вида грунта часто достигается известкованием. Метод используется при подготовке дорожных покрытий, так как позволяет повысить их устойчивость к размоканию. Изменение свойств грунта может достигаться применением органических компонентов, обладающих вяжущими свойствами. Для этих целей часто используется смола, битум и специальные эмульсии. Недостатком такого способа считается высокая стоимость материалов и их негативное влияние на окружающую среду, поэтому его применяют сегодня достаточно редко.

Технология осушения

Зачастую слабость грунта обусловлена чрезмерным содержанием воды, удаление которой приводит к повышению плотности слоев. Изменение свойств может достигаться термическим способом или обжигом. Технология предполагает погружение в скважину трубы, по которой осуществляется подача разогретого воздуха. В результате наблюдается испарение лишней влаги, а грунтах глинистого типа наблюдается эффект запекания. Для разогревания конструкции используются различные виды материалов:

• уголь;
• рубленые дрова;
• химпрепараты.

Для обезвоживания слоев часто применяется электрический метод, при котором наблюдается движение воды по направлению к «минусу». Электроосмос часто используют при организации водоотводов фундаментов, но такой метод требует существенных затрат электроэнергии.

II. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Технологическая карта разработана на комплекс работ по искусственному закреплению грунтов методом цементации.

2.2. Работы по искусственному закреплению грунтов методом цементации, выполняются механизированным отрядом в одну смену, продолжительность рабочего времени в течение смены составляет:

2.3. В состав работ, последовательно выполняемых при искусственном закреплении грунтов методом цементации, входят следующие рабочие процессы и технологические операции:

– геодезическая разбивка местоположения забивки инъекторов;

– забивка инъекторов в грунт;

– подключение шлангов для нагнетания раствора;

– нагнетание раствора в грунт;

– извлечение инъекторов;

– ликвидация использованных скважин.

2.4. Технологической картой предусмотрено выполнение работ комплексным механизированным звеном в составе: передвижной компрессор фирмы Atlas Copco XAS 97 Dd
(
подача сжатого воздуха 5,3 м /час, =0,7 МПа, m=940 кг);
отбойный молоток Atlas Copco TEX 09 PS 8461021102
(масса m=9,6 кг, =0,5 МПа, частота ударов 1800 уд/мин);
электрическая шлифовальная машинка PWS 750-125 фирмы Bosch
(Р=1,9 кг; N=750 Вт); ручная
инжекторная газовая горелка Р2А-01 с
внутренними и наружными мундштуками, ключом, уплотнительными кольцами, газовыми баллонами и редукторами;
трубонарезная головка REMS Ева;
дизельный
растворонасос Putzmeister M 740
(производительность до 5 м /час, =7 бар; общая масса m=1450 кг; габаритные размеры Д Ш В, 4500 1450 1200 мм).

Рис.1. Инжекторная газовая горелка Р2А-01

а – горелка; б – инжекторное устройство; 1 – мундштук; 2 – ниппель мундштука; 3 – наконечник; 4 – трубчатый мундштук; 5 – смесительная камера; 6 – резиновое кольцо; 7 – инжектор; 8 – накидная гайка; 9 – ацетиленовый вентиль; 10 – штуцер; 11 – накидная гайка; 12 – шланговый ниппель; 13 – трубка; 14 – рукоять; 15 – сальниковая набивка; 16 – кислородный вентиль.

Рис.2. Газовые баллоны и редукторы

а – кислородный баллон, объёмом 6 м ; б – ацетиленовый баллон, объёмом 5,32 м ; г – кислородный редуктор; д – ацетиленовый редуктор.

Рис.3. Компрессор Atlas Copco XAS 97 Dd

Рис.4. Молоток Atlas Copco TEX 09 PS

Рис.5. Растворонасос Putzmeister M 740

Рис.6. Трубонарезная головка REMS Ева

Рис.7. Электрошлифмашинка PWS 750-125

Варианты укрепления

Для укрепления грунта на прибрежных территориях, при создании ландшафтного дизайна и формировании откосов сегодня часто применяется метод армирования. Он может использоваться на ровных и наклонных участках, а прочность удержания обеспечивают полимерные конструкции. Часто применяются следующие материалы:

• георешетка – удерживает движение во всех плоскостях, предполагает засыпку в соты грунта или мелкого заполнителя, который уплотняется при помощи воды;
• геотекстиль – многослойное полотно из полимерных материалов, пропускающее воду, не позволяющее слоям с различной структурой смешиваться и равномерно распределяющее нагрузку;
• геосетка – способна воспринимать нагрузки растягивающего типа, в основном применяется с другими материалами.

Декоративным вариантом укрепления считается засев территории травой. Он помогает предотвратить осыпание грунта на откосах, крутизна которых не превышает 1:1,5. Технология позволяет снизить последствия размыва и эрозии почвы, с ее помощью также создают плодородные слои для выращивания культурных растений.

Сегодня существует достаточно много способов, при помощи которых возможно выполнить укрепление грунта. Выбор зависит от особенностей территории и имеющихся возможностей.

Термическое закрепление лессов

Для выполнения задачи применяются раскаленные газы. По этой причине усиливаемая порода должна обладать высокой газопроницаемостью. Грунты обжигают двумя методами:

• под отдельно стоящие фундаменты здания (столбы, сваи);
• весь массив под домом.

В обоих вариантах для термической обработки используют скважины, в которые помещается камера сгорания для топлива (солярка, горючий газ). Во втором случае скважины размещают так, чтобы границы зон упрочнения соприкасались.

Топливо моет сжигаться только в верхней части скважины или поочередно по всей ее высоте. Здесь все зависит от имеющегося оборудования. Во втором случае оно должно позволять перемещать камеру сгорания.

Схемы термического закрепления грунтов.

Температура обработки лессов не должна превышать 750—850°С. В противном случае порода станет непроницаемой для газов. Средняя продолжительность воздействия высоких температур составляет 5—12 суток. В результате принятых мер структура основания уплотняется, появляются прочные структурные связи, устойчивые к воздействию влаги.