В целях укрепления слабых грунтов устраивают сваи - MOYDOM23.RU

В целях укрепления слабых грунтов устраивают сваи

Устройство набивных свай

Набивные сваи изготавливают непосредственно на площадке в проектном положении методом устройства скважин и заполнения их бетонной смесью или другими материалами.

Первоначально устраивались набивные бетонные трамбованные сваи (сваи Страуса) в результате бурения скважин и укладки бетонной смеси с трамбованием. На этой основе разработаны и применяются следующие виды набивных свай.

Вибротрамбованные сваи (рис.5) устраивают в сухих связных грунтах. В грунт погружают обсадную трубу с башмаком, которая предохраняет ее внутреннюю полость от попадания грунта. Загружают порцию бетонной смеси и трамбуют ее с помощью трамбующей штанги, подвешенной к вибропогружателю; при трамбовании образуется уширенная пята сваи. Укладывают и трамбуют последующие слои. Извлекают обсадную трубу при работающем вибропогружателе и устанавливают арматурный каркас для связи с ростверком.


Рис.5. Технологическая схема устройства вибротрамбованных свай

а — устройство скважины; б, г — укладка бетонной смеси; в — уплотнение бетонной смеси; д — окончание бетонирования.

Конические сваи в выштампованном ложе (рис.6) получают в процессе образования конической скважины после забивки лидера, заполнения скважины бетонной смесью (Б) или щебнем (Щ), повторного выштамповывания конической скважины, установки арматурного каркаса и бетонирования сваи.


Рис.6. Технологическая схема устройства набивных конических свай в выштампованном ложе

а — образование конической скважины; б — заполнение скважины жесткой бетонной смесью или щебнем; в — выштамповывание конической скважины повторным погружением лидера; г — установка арматурного каркаса и бетонирование сваи; 1 — базовая машина; 2 — мачта; 3 — падающий груз; 4 — конический лидер; 5 — гидравлическое устройство для извлечения лидера; 6 — гидроцилиндр; 7 — коническая скважина; 8 — жесткая бетонная смесь или щебень; 9 — бетонная смесь, втрамбованная в стенки скважины; 10 — вибратор; 11 — арматурный каркас.

Частотрамбованные сваи (рис.7) образуются в результате забивки обсадной трубы с металлическим башмаком, установки арматурного каркаса и укладки высокоподвижной бетонной смеси с одновременными возвратно-поступательными ударами молота, чтобы обсадная труба при каждом цикле ударов поднималась на 4. 5 см, затем опускалась на 2. 3 см и таким образом уплотняла бетонную смесь. Далее обсадную трубу извлекают.


Рис.7. Технологическая схема устройства частотрамбованных свай

а — устройство скважины; б — установка арматурного каркаса; в — укладка бетонной смеси; г — извлечение обсадной трубы; д — нижняя часть обсадной трубы с теряемым башмаком.

Пневмонабивные сваи устраивают в обводненных грунтах, для чего после бурения скважины устанавливают арматурный каркас, сжатым воздухом вытесняют грунтовую воду, порциями укладывают бетонную смесь методом пневматического бетонирования с одновременным подъемом обсадной трубы, в которой постоянно поддерживается повышенное давление воздуха (0,2. 0,3 МПа).

Песчаные и грунтовые сваи устраивают обычно в целях укрепления слабых грунтов (рис.8, а). При изготовлении песчаных свай пользуются вибронабивным способом, для чего обсадную трубу с закрытым наконечником погружают и заполняют песком. При подъеме трубы с вибрированием кольцо с наконечника трубы спадает (рис.8, б), и песок заполняет скважину.


Рис.8. Схемы устройства грунтовых свай

а — устройство грунтопесчаных свай; б — раскрытие наконечника; в — изготовление грунтобетонных свай.

Если устроить скважину (рис.8, в) бурением, а затем подать в нее водоцементную суспензию, то при обратном движении бура грунт перемешивается, насыщается водоцементной суспензией, затвердевает. Такие грунтобетонные сваи распространены в Европе из-за достаточной прочности и низкой себестоимости. Варианты применения грунтовых свай приведены на рис.9.


Рис.9. Варианты использования грунтовых свай в качестве

а — укрепления оснований фундаментов; б — защиты коммуникаций от грунтовых вод; в — защиты от обрушения грунта; г — шпунтового ограждения.

Буронабивные сваи наиболее широко распространены из-за экономичности и высокой несущей способности. Сваи могут бетонироваться без обсадной трубы: в открытой скважине («сухой» способ) или с заполнением скважины глинистым раствором; а также с обсадной трубой.

Скважина устраивается вытрамбовыванием, вращательным или ударным бурением.

Основное отличие машин для устройства скважин — способ извлечения грунта из скважины (рис.10). При выштамповывании скважины с помощью пробойника-лидера или обсадной трубы грунт не извлекается. Шнековый бур поднимает грунт наверх благодаря вращению винтового шнека. В случае применения ковшовых и грейферных буров грунт поднимается в закрытых буровых снарядах.


Рис.10. Способы устройства скважин с применением

а — забиваемого лидера; б — шнекового бура; в — грейферного бура; г — ковшового бура.

С извлечением грунта скважины диаметром до 2 м могут выбуриваться на глубину 40 м. Для бурения тяжелых пород на большую глубину можно применять трубовкручивающие установки.

Сухой способ устройства буронабивных свай без обсадной трубы можно применить в устойчивых грунтах по следующей технологической схеме (рис.11, а): I — бурение скважины; // — удаление кондуктора; ///- установка арматурного каркаса; IV- установка бункера; V — укладка бетонной смеси с уплотнением вибратором, установленным на бетонолитной трубе; VI — снятие бункера; VII — бетонирование оголовка сваи.


Рис.11. Технологическая схема устройства буронабивных свай «сухим способом» (а) и под глинистым раствором (б)

1 — скважина; 2 — буровой агрегат; 3 — насосная установка; 4 — глиносмеситель; 5 — отстойник; 6 — уширитель; 7 — кондуктор; 8 — арматурный каркас; 9 — контейнер для пульпы; 10 — бетонолитная труба; 11 — клапан; 12 — рукав бетоновода; 13, 14 — оголовок и тело сваи.

Бетонолитная труба извлекается из скважины по мере укладки бетонной смеси.

При устройстве свай без обсадных труб в неустойчивых обводненных грунтах в скважину после бурения закачивается раствор бентонитовой глины, который, циркулируя по скважине, выносит разрушенный буром грунт и укрепляет стенки скважины. По трубе (способом подводного бетонирования) в скважину подают бетонную смесь и одновременно поднимают трубу. Соприкасаясь с глинистым раствором цемент из смеси не вымывается, и бетон после этого не теряет своей проектной прочности. Работы ведутся по следующей технологической схеме (рис.11, б): VIII — устройство скважины; IX- уширение площади опирания сваи; Х- установка арматурного каркаса; XI- установка бетонолитной трубы и бункера; XII — укладка бетонной смеси- XIII — формирование оголовка сваи.

Устройство буронабивных свай в обсадной трубе с извлечением грунта (рис.12) можно осуществлять в любых условиях, поэтому такая технология доминирует в передовых зарубежных строительных фирмах.


Рис.12. Технологическая схема устройства буронабивных свай в обсадной трубе с извлечением грунта

а — монтаж секций трубы; б — погружение и наращивание трубы; в — разгрузка грунта; г — установка арматурного каркаса и укладка бетонной смеси; д — извлечение трубы; е — демонтаж секций трубы; М — момент вращения; F — усилие.

Сначала с помощью лебедки и погружателя устанавливают и погружают две секции обсадной трубы, используя момент вращения и продольное усилие погружателя; затем поочередно устанавливают и погружают все секции трубы. С помощью бурового снаряда извлекают грунт из обсадной трубы, периодически опорожняя от грунта защитный кожух; устанавливают арматуру и каркас и производят бетонирование. Используя момент вращения и извлекающее продольное усилие погружателя, извлекают обсадную трубу собственной лебедкой. Секции обсадной трубы демонтируют.

Уширение площади опирания сваи на грунт можно осуществить: специальными уширителями, втрамбовыванием бетонной смеси в дно скважины и камуфляжным взрывом заряда ВВ.

Какой фундамент выбрать для слабых грунтов

Как оформить и зарегистрировать частный дом в собственность

Постройка дома с нуля: с чего начать и как построить своими руками, пошаговая инструкция

Идеи планировки частных домов: схема расположения комнат, примеры, фото

В процессе проектирования любого сооружения, важным вопросом для застройщика является обустройство фундамента. Расходы на создание основания постройки могут составлять до 30% от общей сметы строительных работ, поэтому фундамент должен быть надежным. Чтобы определить лучший фундамент для частного дома, владельцу нужно найти «золотую середину» — оптимальное соотношение стоимости и качества. Большое внимание уделяется обустройству фундаментов на слабых грунтах. Поговорим о том, какой фундамент выбрать для слабых грунтов и чем руководствоваться при выборе.

Какие грунты считаются слабыми?

Грунты с большим содержанием торфа и влаги считаются слабыми. Такие почвы имеют слабую жесткость, поэтому на них нельзя сформировать надежную опору и обеспечить равномерное распределение веса. Если в разных частях фундамента присутствует разная нагрузка, то конструкция основания доставит большие проблемы. На заболоченной территории грунт сильно сжижается. Водонасыщенные супеси и рыхлые пески имеют высокую пористость. Заторфированные почвы содержат в составе около 50% органических веществ. Из-за высокой пористости снижается несущая способность.

Если фундамент на слабом грунте создается с нарушением технологии, то он может быть небезопасным. При неравномерной деформации, а также осадках почвы основание будет постепенно разрушаться. Жидкость выдавливается из грунта насыщенного влагой, а сооружение оседает. Вследствие высокой влажности заболоченных территорий почва становится пучинистой. У слабых прослоек высокий коэффициент водонасыщения, а также большая сжимаемость. Если дом возводится на таком участке, нужно учитывать много моментов:

  • Естественное состояние породы должно оставаться без нарушений. В противном случае его механические свойства снизятся.
  • При эксплуатации дома нагрузка на фундамент не должна увеличиваться.
  • Необходимо создание дренажной системы, противофильтрационных полостей для обеспечения условий для поддержания одинакового уровня воды.
  • Важно учитывать значение структурной прочности породы, чувствительность к динамическим нагрузкам.
  • Нагрузка на основание должна быть постепенной и медленной по всей площади.

Слабая грунтовая прослойка может иметь разную толщину. В отдельных случаях, она менее 1 метра, при этом в других ситуациях может быть более 10 метров. Однако зачастую под болотистым слоем скрывается малосжижаемый грунт, который имеет благоприятные свойства для возведения построек. Для строительства прочного фундамента на любых типах пород профессиональные строители применяют специальные конструктивные решения. При строительстве на слабых почвах учитывается уменьшение осадки за счет сокращения удельного давления сооружения на фундамент. За счет жесткого каркаса постройки уменьшается чувствительность к деформации грунта.

Как сделать слабый грунт сильнее?

Для улучшения несущих свойств слабых грунтов используются разные технологии:

  • Выторфовка. При этой технологии болотистый грунт заменяется на подушку из непучинистого грунта. Замена осуществляется под подошвой основания по всей толщине грунта.
  • Насыпь из непучинистого грунта.
  • Уплотнение грунта под основанием.

Согласно строительным правилам запрещается опирание подошвы основания сооружения непосредственно на слабые грунты. Поэтому, создание подушек и насыпей – важный элемент конструкции основания на слабом грунте.

Особенности конструкции построек на слабом грунте

В процессе возведения сооружений на болотистых грунтах рекомендуется применение конструктивных решений, направленных на уменьшение осадки грунта за счет снижения удельного давления постройки на грунт. Чтобы снизить чувствительность конструкции сооружения к неравномерным деформациям, повышается гибкость и жесткость силового каркаса постройки.

Эффективные конструктивные мероприятия для снижения удельного давления сооружения на слабый грунт:

  • Увеличение площади опоры основания на грунт. Для этого применяются плиты или ленточный фундамент с расширением подошвы.
  • Повышение пространственной жесткости основание при помощи обустройства сборного ленточного фундамента из блоков. Увеличение жесткости плитного основания обеспечивается за счет создания ребер жесткости.
  • Увеличение пространственной жесткости каркаса постройки за счет устройства монолитных ж/б поясов на уровне перекрытия этажей, а также армирования кладки стен из камня.
  • Строительство сооружений из бревен, бруса, каркаса и других легких конструкций.
Читайте также  Для чего применяются песчаные сваи?

Виды фундаментов

Ленточный фундамент

По глубине заложения, такие основания делятся на мелкозаглубленные, а также с глубоким заложением. Мелкозаглубленные ленты зачастую применяются при строительстве малоэтажных пеноблочных построек. При любых других ситуациях фундаментная лента закладывается ниже уровня грунтовых вод, за счет чего создается мощная конструкция основания с высокими несущими способностями. Такие основания производятся как из сборного железобетона, так и на основе железобетонных монолитов.

Ленточные монолитные железобетонные фундаменты используются чаще всего. Для создания таких опорных частей сооружений нужны большие затраты на земляные и арматурные работы. Также нужно монтировать и демонтировать опалубочную систему. Все расходы оправдывает высокая прочность и несущая способность, за счет чего возможно возведение многоэтажных зданий из тяжелых конструкций. Такие основания подойдут для плотных грунтов.

Ленточные фундаменты из сборного железобетона отличаются экономичностью. Для монтажа не требуются серьезные ресурсы на установку опалубочной конструкции, армирование, заливе бетоном. Из таких блоков можно создать мелкозаглубленный или фундамент с глубоким заложением. На рынке представлен большой выбор ж/б блоков. Преимущество сборных блоков перед монолитом заключается также в значительном сокращении сроков на возведение. Блоки отличаются удобством в складировании и транспортировке.

Столбчатый фундамент

Расположение таких опор осуществляется в разных местах:

  • Линии несущих стен.
  • Углы периметра постройки.
  • Места с высокой концентрацией нагрузок.

Такие опоры бывают мелкозаглубленными и высокозаглубленными. В этом случае, вместо ленточного основания используются столбы. Расположение опор осуществляется с шагом 1.5-2 метра. В сравнении ленточных фундаментов и опорами из столбов, во втором варианте достигается существенная экономия. Она обеспечивается за счет уменьшения объемов земляных работ. Также не нужно обустройство опалубочной системы. Однако для столбчатого основания понадобится создавать ростверк. Благодаря качественному сравнительному техническому и экономическому расчету можно развеять все сомнения по поводу целесообразности создания такого фундамента.

Плиточный фундамент для слабых грунтов

Применение монолитных железобетонных плит актуально для слабых грунтов. Они могут использоваться как самостоятельная опорная конструкция сооружения, так и в качестве ростверка под свайное основание. Ж/б плита имеет высокую несущую способность, при этом отличается высокой стоимостью возведения.

По факту, плитное основание – это единственный тип фундамента, который будет «надежно» стоять на торфе и водонасыщенном песке. В силу строения, плита лежит на слабом грунте. Нагрузка конструкции постройки на всю площадь плиты – ниже, чем при свайном или ленточном основании. При горизонтальных подвижках, постройка на таком фундаменте едете целиком, в результате чего предотвращаются деформации в конструкции сооружения по причине неравномерной нагрузки через основание.

Свайный фундамент – лучшее решение для торфяников

Оптимальный вариант, как с точки зрения экономии, так и в плане технологичности. Устройство свайно-винтовых фундаментов не требует много времени, отличается невысокой трудоемкостью. Перед применением свай, нужно выявить отметки залегания коренных пород, где планируется фиксация опорного конца сваи. Также важны физические и механические свойства породы. Это позволяет определить конкретный тип свай вместе с геометрическими параметрами (длина, величина поперечного сечения).

Такие основания подойдут для возведения небольших построек, которые передают небольшое давление на фундамент. При такой технологии нагрузка на грунт передается точечно. В отдельных ситуациях, если есть коренные грунты с высокой несущей способностью – возможно возведение крупногабаритных зданий с высокими нагрузками. В таком случае, крупногабаритные здания возводят на слабых грунтах с помощью забивных свай.

Выводы

Типовым решением для таких ситуаций является обустройство свайного основания. При этом важно правильно выбрать длину свай. Также удачный вариант – «плавающий» фундамент в виде мелкозаглубленного плитного основания под всей площадью сооружения. За счет большой площади опирания плиты обеспечивается перераспределение нагрузки всего сооружения по площади, за счет чего снижается нагрузка на фундамент. Единственным недостатком технологии является больший расход материала (песок, гравий, бетон, арматура). За счет применения бетона с высокой прочностью и арматуры в нужном количестве обеспечивается высокая устойчивость и надежность возводимых построек.

Методы укрепления грунтов при строительстве

В ходе реконструкции или строительства зданий и сооружений может возникнуть проблема недостаточно прочного грунта. Слабое грунтовое основание может не выдержать нагрузки от тяжелой постройки, поскольку оно принимает на себя весь вес.

Все грунты можно условно разделить на стабильные и нестабильные. Стабильные грунты представляют собой плотный сухой слой, способный выдержать любые нагрузки от фундамента или дороги. Нестабильный грунт требует осушения и уплотнения до необходимых критериев.

Методы укрепления грунта:

1. Механический.

Механический метод укрепления грунта подразумевает внедрение в основание высокопрочных изделий, таких как сваи или другие материалы (щебень), а также уплотнение с помощью утрамбовки или вибрирования.

2. Укрепление сваями из железобетона.

Смысл такого метода заключается в том, что прочная свая проходит через слой нестабильного грунта и упирается в плотный слой. Таким образом, нагрузка передается вертикально по свае. Она же удерживается за счет трения самого грунта о свою поверхность. Данный метод требует наличия дорогостоящего и громоздкого оборудования и достаточно большой строительной площадки.

Сваи могут быть:

  • набивные — забиваются в грунт с предварительным бурением или сразу;
  • буронабивные — в осадную трубу заливают жидкий бетон;
  • вдавленные — погружаются в грунт машиной-домкратом.

3. Укрепление грунтовыми сваями.

Для создания грунтовых свай бурят отверстие, в которое засыпается смесь из гранулометрического заполнителя разной фракции. Сваи трамбуются послойно и считаются наиболее дешевыми и экологичными по сравнению с обычными железобетонными.

4. Утрамбовка, вибрация или замена грунтовой подушки.

Такие методы используют при небольшой толщине слоя с заданными свойствами. Утрамбовку производят катком (гладким или кулачковым), виброплитами или другим оборудованием с вибрацией. Все пылеватые грунты с песком трамбуют с применением воды. Такой метод наиболее оптимален для строительства дорог, аэродромов и прочих объектов с большой площадью. Если же данный метод по каким-то причинам применить невозможно, то строители извлекают слой слабого грунта и меняют его на прочный.

5. Цементация и инъекции в грунт.

Суть метода сводится к приданию грунту определенных свойств за счет добавления цемента в структуру.

Цементация представляет собой перемешивание грунта с раствором цемента. Для этого применяется шнековый бур с пустой штангой (отверстием по всей длине). Во время работы шнека через отверстие подается цемент, который перемешивается с грунтом. Такой метод недорогой и эффективный, поэтому его часто применяют во влажных грунтах.

6. Струйная цементация.

При струйной цементации раствор подается по трубке под высоким давлением. Таким образом, одновременно пробивается место для «инъекции», а раствор смешивается с грунтом. Для реализации этого способа необходима специфическая строительная техника.

Струйная и механическая цементация подходит для усиленных грунтов, на которых уже построены здания. Для работы в стесненных условиях строители используют компактные установки для цементных инъекций («джет-сваи»), которые можно вводить вертикально и под углом. Все работы происходят в ускоренном темпе и относительно бесшумно.

7. Укрепление плоскости грунта для дорожного полотна.

При обустройстве дороги используют комбинированные способы укрепления грунта под полотно, поскольку на протяжении дорожной линии он обладает разными свойствами. Чаще всего дорожные строители используют механический метод укрепления и утрамбовки поверхности.

8. Смешивание с природными гранулами.

При помощи добавления гранул в грунт можно изменить его свойства. Гранулометрический или другой наполнитель значительно повышает прочность основания. В зависимости от состояния грунта для стабилизации добавляют природные материалы: песок, щебень, глину, гравий и суглинок. Такой метод недорогой и экологичный, поскольку для повышения плотности не нужны химические компоненты. Процесс перемешивания грунта происходит в шнековом бункере.

9. Смешивание с минеральными вяжущими компонентами.

Самый известный способ – это известкование. Оно уменьшает липкость и пластичность глинистого грунта и делает его более устойчивым к размоканию. Но у метода есть существенный недостаток – небольшая морозостойкость. Как правило, известкование грунта используют при подготовке нижнего слоя подушки.

10. Смешивание грунта с органическим вяжущим компонентом.

Этот метод мало отличается от известкования, но здесь в качестве добавки используют смолу, битум, деготь или жидкую эмульсию. Эффект от использования вяжущих компонентов схож с предыдущим методом. Но материалы для такого уплотнения будут стоить существенно дороже. К тому же, они проявляют агрессивное воздействие на окружающую среду. По этой причине данный метод практически не используется. Строители предпочитают недорогие и проверенные способы уплотнения грунта. Иногда для повышения прочности достаточно укрепить участок дороги при помощи обычного мотокультиватора.

11. Осушение грунта

Одним из основных факторов слабого грунта может быть высокая влажность и наличие воды в составе. Если удалить лишнюю влагу, грунтовое основание станет более плотным.

12. Обжиг или термическое укрепление.

Такой метод очень эффективен при работе с глинистым грунтом. В заранее пробуренную скважину погружают перфорированную трубу из огнеупорной стали и в нее подают горячий газ. Лишняя влага полностью испаряется, а сама глина запекается. Особенностью метода можно назвать тот факт, что для разогрева газов используется природное топливо в виде угля или дров.

13. Смешивание грунта с химическим раствором.

Самый простой метод – это силикатирование. Он заключается в добавлении жидкого стекла в грунт с помощью раствора. Раствор нагнетают в заранее пробуренную скважину по трубам, которые потом извлекают. После такой подготовки грунт окаменевает. Но недостатком такого метода является низкая морозоустойчивость, быстрое затвердение материала и достаточно ограниченная область применения. Причем, в зависимости от состава грунта требуется определенный раствор химических реагентов для силикатирования.

14. Электрический метод.

Для укрепления используют электроосмос, в котором движение воды происходит от «плюса» к «минусу». Этот метод подходит для обезвоживания влажного грунта.

15. Электрохимическое укрепление.

Данный метод основан на добавлении в грунт химических растворов в определенных точках. Это энергоемкий процесс, нуждающийся в больших затратах электроэнергии. При хорошем уровне знаний дорожных специалистов электрохимический способ (с применением осмоса) можно использовать для постоянного отведения воды от фундамента.

16. Армирование.

При создании откосов или оформлении берегов при ландшафтном дизайне используется армирование полимерными конструкциями. Армирование одинаково эффективно на ровных или наклонных поверхностях дороги.

Читайте также  Как закрыть винтовые сваи под домом?

17. Георешетка.

Решетка для укрепления грунта представляет собой трехмерную конструкцию из перфорированных лент. Она придает хорошую прочность и удерживает грунт во всех плоскостях. Для этого в соты решетки засыпают мелкий наполнитель или обыкновенный грунт. Для утрамбовки его проливают водой. Толщина армированного слоя грунта обычно колеблется в пределах 10-25 см.

18. Геотекстиль.

Метод используют для многослойной подготовки грунтового основания. Геотекстиль из прочного материала пропускает воду, но не позволяет другим слоям перемешиваться между собой. Таким образом он распределяет нагрузку между слоями.

19. Геосетка.

С помощью геосетки можно растянуть нагрузку на грунтовое основание. Сетку применяют довольно редко в качестве арматуры тонкого слоя и при сочетании с другими материалами.

20. Засев травой.

Метод декоративного укрепления откосов с помощью засева склонов травой очень эффективен при крутизне не более 1 к 1,5 м. При засеве грунт уплотняют механическим способом на не затапливаемых откосах. Выросшая трава хорошо предотвращает процесс эрозии и размывания почвы.

На приусадебных участках часто используют сочетание армированной технологии с засевом травой. С помощью сетки создаются интересные и оригинальные конструкции, в которые утрамбовывается грунт с семенами. Таким образом, можно создать невероятные ландшафтные формы и сохранить природную чистоту грунта.

Исследование эффективности применения грунтовых свай для улучшения слабых грунтов Текст научной статьи по специальности « Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Шенкман Роман Игоревич, Пономарев Андрей Будимирович

Рассматриваются вопросы улучшение свойств слабых грунтов . Особое внимание уделяется улучшению грунтового основания с помощью геосинтетических материалов.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Шенкман Роман Игоревич, Пономарев Андрей Будимирович

Текст научной работы на тему «Исследование эффективности применения грунтовых свай для улучшения слабых грунтов»

Р.И. Шенкман, А.Б. Пономарев

Пермский национальный исследовательский политехнический

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГРУНТОВЫХ СВАЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ

Рассматриваются вопросы улучшение свойств слабых грунтов. Особое внимание уделяется улучшению грунтового основания с помощью геосинтетических материалов.

Ключевые слова: слабые грунты, улучшение, геосинтетика.

Улучшение грунтов является наиболее актуальной проблемой современной геотехники, поскольку развивающаяся экономика вынуждает осваивать новые территории, которые зачастую неблагоприятны в этом отношении. Слабые грунты можно встретить почти в любом регионе нашей страны, наибольшее распространение они получили на территории Западной Сибири и Урала. Здесь расположено огромное количество болот и заторфованных территорий [1], [2].

Согласно наиболее распространенной классификации Б.И. Долматова, методы улучшения основания (преобразование строительных свойств грунтов основания по [1]) делятся на:

— песчаные, грунтовые подушки;

— каменные и другие отсыпки.

2. Механическое уплотнение

— поверхностное уплотнение: поверхностные трамбовки, катки, вибротрамбовки, виброплиты.

б) метод уплотнения песчаными и грунтовыми сваями;

в) метод уплотнения приложением нагрузки;

г) метод уплотнения понижением уровня грунтовых вод;

д) метод уплотнения взрывами;

е) метод уплотнения замачиванием.

— цементация оснований, силикатизация, электрохимическое закрепление, термическая обработка грунта, битуминизация и глинизация.

Улучшение грунтового основания механическим уплотнением является наиболее выгодным и перспективным способом. Особенно актуально оно в регионах, подобных Пермскому краю, поскольку методы закрепления являются малоэффективными в глинистых грунтах, преобладающих на его территории. В качестве основного способа усиления подобных грунтов применяются различные методы уплотнения.

Одной из наиболее интересных конструкций улучшения слабых оснований являются грунтовые сваи. В большинстве случаев данный тип улучшения применяется для дальнейшего возведения насыпей на слабых грунтах. При использовании этого метода увеличивается несущая способность улучшенного основания, снижаются осадки, ускорятся процесс консолидации грунта за счет возрастания фильтрационных процессов грунтовой воды (поскольку сваи выполняют роль вертикальных дрен). Сваи могут быть опертыми, доходящими до подстилающих слабую толщу прочных пород, и висячими, не достигающими подстилающих слоев. Висячие сваи устраивают при большой мощности слабого слоя, когда устройство опертых свай оказывается технически сложным.

Усиление грунтовыми сваями является одним из наиболее простых с технологической точки зрения способов и позволяет обеспечить значительную экономию материалов по сравнению с полной выемкой слабых грунтов и заменой их на более прочные.

Современным решением в производстве данных сооружений является применение геосинтетиков, что позволяет избежать некоторых минусов данного типа улучшения грунта:

— нестабильность геометрических размеров грунтовых свай как в процессе устройства, так и в процессе эксплуатации;

— кальмотация мелкими частицами грунта и, соответственно, нарушение фильтрационных функций дренажного материала.

Основным способом устройства данного вида свай является погружение любым методом в грунт обсадной трубы (с установленной оболочкой из геосинтетика). На нижнем конце труба имеет четырехлопастный раскрывающийся наконечник с кольцом или съемный башмак. В процессе погружения грунт вокруг сваи уплотняется и раздвигается. При извлечении обсадной трубы из грун-

та кольцо спадает, наконечник раскрывается и песок или инертный материал заполняет скважину. Грунт в скважине уплотняют вибрированием обсадной трубы одновременно с ее извлечением или используют трамбовки, работающие от агрегата для погружения обсадной трубы.

Сочетание оболочек из геосинтетических материалов и свай (колонн) из жестких инертных материалов позволяет использовать данный тип свай для производства фундаментов, поскольку они способны воспринимать не только сжимающие нагрузки (относительно большие), но и изгибающие моменты (благодаря ограничению поперечных деформаций геосинтетиком), являются своеобразными гибкими опорами.

Существует ряд методик, по которым можно рассчитать подобные конструкции:

2) Классическая методика расчета несущей способности по действующим СНиПам.

Расчет конструкции может быть произведен по различным формулам СНиПов в зависимости от того, какую гипотезу мы примем за основу. При этом главная проблема выбора гипотезы заключается в работе сваи на границе с окружающим массивом грунта.

Гипотеза 1: при изготовлении буровых свай происходит нарушение природной структуры грунта; дополнительное уплотнение грунта (характерное для свай, погружаемых в грунт в готовом виде) отсутствует. Эти предпосылки положены в основу методики расчета буровых свай по СНиП 2.02.03-85 [3].

Гипотеза 2: при изготовлении буровых свай не происходит нарушения природной структуры; грунт обжимает сваю за счет процессов дренирования грунтовой воды в тело сваи. Такие базовые предпосылки лежат в основе определения несущей способности забивных свай по СНиП 2.02.03-85 [3].

Также данный вид конструкций может быть рассчитан в соответствии с этими двумя гипотезами как глубокая опора по СНиП 2.02.01-83 [1].

Единственным необходимым условием успешного применения данных гипотез является уточнение всех расчетных коэффициентов, поскольку они определенны для бетонных или буровых свай, а также определение напряженно-деформированного состояния сваи и окру-

жающего ее грунта (поскольку они претерпевают значительные деформации) для выбора наиболее точной модели поведения конструкций.

2) Методика расчета насыпей на слабых основаниях, представленная в «Пособии по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах».

Расчет основан на подборе такого диаметра сваи и их шага, при которых будут наиболее благоприятно распределяться напряжения между сваями и грунтом межсвайного пространства при допустимых значениях осадок. Недостаток данной методики заключается в том, что в ее основе лежит расчет насыпей и учитывается возникновение так называемых «арок» в массиве грунта вышележащей насыпи.

Наиболее современным методом решения сложных задач строительства является применение различных расчетных комплексов, основанных на методе конечных элементов. Компьютерное моделирование может значительно упростить процесс внедрения и проектирования грунтовых свай, поскольку позволяет прогнозировать напряженно-деформированное состояние грунто-свайного массива. В области геологического моделирования ведущим программным комплексом считается Р1ах18, поскольку данная программа, в отличие от многих, изначально направлена для решения геологических задач. В ней реализованы многочисленные модели грунта: Мора — Кулона, линейная упругая модель, модель упрочняющегося грунта, модель слабого грунта и др.

При помощи данного программного комплекса была решена тестовая задача, которая демонстрирует эффективность применения грунтовых свай, армированных геосинтетиком.

Для примера, в качестве расчетного фундамента принята плита толщиной 400 мм, размерами в плане 2*2 м, из тяжелого бетона. Нагрузка на плиту — равномерно распределенная 100 кПа. В качестве усиления основания были выбраны сваи из щебня диаметром 500 мм, обернутые двухосной георешеткой прочностью 30 кН/м. В качестве грунта основания принята слабая водонасыщенная глина, текучепла-стиная, со следующими основными характеристиками: р = 19 кН/м3, ф = 8°, Е = 4 МПа, с — 0,01 МПа.

Результаты численного моделирования представлены на рисунке.

Рис. Карта осадок основания: а — неусиленного; б — усиленного внедрением четырех грунтовых свай

По результатам численного моделирования осадки фундамента снизились со 180 до 80 мм, что свидетельствует о высокой эффективности применения данного вида конструкций для улучшения слабых грунтов.

1. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. — М.,

2. Долматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты. -Л.: Стройиздат, 1988.

3. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты. — М., 2003.

Способы усиления грунтов и фундаментов

Укрепление грунтов в близи фундамента может потребоваться как при новом строительстве, так и при ремонте уже существующего фундамента здания. Усиление основания необходимо для повышения несущей способности опорной части дома, предотвращения равномерных и неравномерных деформаций, появления трещин.

Своевременные мероприятия по усилению грунта позволят продлить срок службы фундаментов, предотвратить или отсрочить появление различных повреждений (трещины, сколы). Методов проведения работ существует большое количество. Выбор между ними зависит от масштаба проблемы и типа грунта на участке. К основным способам можно отнести:

  • механический;
  • электрохимический;
  • инъектирование;
  • термический;
  • электроосмос.

При выполнении любых мероприятий необходимо руководствоваться СП 45.13330.2012, пунктами 16 и 17.

Механическое усиление основания

Такой вариант подойдет для стабилизации грунта при новом строительстве. Использовать его для ремонта затруднительно без разборки фундаментов. Для предотвращения подвижек и деформаций можно применять один из следующих способов механических воздействий на почву:

  • Частичная замена грунта и устройство песчаных подушек. Чтобы усилить очень слабые грунты таким методом, потребуется вложить много усилий. Но для не достаточно прочных оснований вариант поможет предотвратить деформации и ослабить воздействие морозного пучения.
  • Трамбовка и уплотнение. Мероприятия проводятся с помощью катков или виброинструментов. Также возможно укрепить грунт плитами, сбрасываемыми с большой высоты.
  • Грунтоцементные сваи (цементация путем смешения цементного раствора с грунтом буросмесительным способом). Этот способ активно используется при строительстве подземных сооружений, защите склонов от обрушения. Суть заключается в том, что одновременно с работой бура в грунт подается закрепляющий раствор, который перемешивается с почвой и застывает. Вариант подойдет для слабых торфяных грунтов. Вместо грунтоцементных свай иногда используют железобетонные буронабивные. Шаг элементов назначается небольшим, они устанавливаются практически вплотную друг к другу.

Механические методы укрепления грунтов достаточно трудоемки и требуют наличия специальной техники.

Электрохимический способ для глинистых и илистых почв, пылеватых песков

В этом случае в почву через трубы подаются специальные химические вещества. Одновременно выполняются три действия:

  • прохождение электрического тока через грунт;
  • подача в грунт растворов солей через электрод со знаком «+» (анод);
  • откачка грунтовой воды через электрод со знаком «—» (анод).
Читайте также  Обвязка винтовых свай брусом 200х200

При прохождении электрического тока область закрепления грунта насыщается различными солями. Почва при этом уплотняется. Среди всех способов закрепления основания под строящимися или существующими фундаментами электрохимический можно назвать одним из самых дешевых. Но увеличение стоимости электроэнергии приводит к повышению затрат на строительные работы.

Инъектирование сыпучих грунтов и болотистых почв

Метод актуален при необходимости укрепления песков и крупнообломочных пород. Суть заключается в введении в основание специального вяжущего вещества, которое надежно скрепляет сыпучий или слабый материал в единое целое. Перед выполнением работ стоит ознакомится с пособием к СНиП 3.02.01-83 по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве.

К преимуществам использования инъекционных установок можно отнести: малые габариты техники, сокращение буровых работ, возможность применения для труднодоступных мест и стесненных участков и высокую производительность. В зависимости от используемого раствора рекомендуемая область применения отличается:

  • Цементация и битумизация инъекторами подойдут для связывания крупнообломочных и гравийных почв, размер фракции которых достаточно велик. В качестве рабочего материала также иногда используют глину с высокой прочностью.
  • Силикатизация позволит усилить песчаные основания любой фракции. Закрепление грунта в этом случае проводится жидким стеклом. Также вариант применим для лессовых отложений. При выполнении мероприятий жидкое стекло можно заменить на смолу. Точный состав раствора для укрепления зависит от типа почвы.

Цементация грунта инъекцией.

Чаще всего раствор нагнетается в почву инъекторами через заранее пробуренные скважины. Основное оборудования для производства работ представлено буровыми установками, мощными насосами и миксерами для приготовления раствора.

Важно, чтобы частицы цемента свободно проходили между частицами основания. По этой причине метод нагнетания цемента, битума или жидкого стекла не подойдет для глинистых почв. Эти породы не пропускают даже воду.

Подбор раствора для выполнения мероприятий станет достаточно сложной задачей. Лучше доверить такое усиление фундаментов профессионалам. Кроме привычных составов возможно применение микроцементных и геополимерных растворов.

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.

Электроосмос для глин

Из-за низкой проницаемости глинистых оснований их усиление другими методами может быть затруднено. Способ электроосмоса отлично подойдет для водонасыщенных грунтов. Метод схож с электрохимическим, но не подразумевает использования специальных растворов.

При электроосмосе связанная вода стремиться к отрицательному электроду.

В грунт погружают два электрода (положительный и отрицательный). При пропускании тока происходит частичное уплотнение структуры. Связанная с почвой влага скапливается у отрицательного катода. Электрод должен быть выполнен в виде перфорированной трубы, через которую можно выполнить откачку жидкости.

Степень уплотнения зависит от времени воздействия электрического тока на основание. Одновременно метод позволяет укрепить основание и осушить его. Стержень-анод после выполнения работ частично разрушается.

Грамотное укрепление грунтов на этапе строительства или реконструкции позволит увеличить срок эксплуатации всего дома. Перед началом работ потребуется выполнить геологические изыскания и определить тип грунта на участке. При этом стоит руководствоваться ГОСТ «Грунты. Классификация».

Совет! Если вам нужны строители для возведения фундамента, есть очень удобный сервис по подбору спецов от PROFI.RU. Просто заполните детали заказа, мастера сами откликнутся и вы сможете выбрать с кем сотрудничать. У каждого специалиста в системе есть рейтинг, отзывы и примеры работ, что поможет с выбором. Похоже на мини тендер. Размещение заявки БЕСПЛАТНО и ни к чему не обязывает. Работает почти во всех городах России.

Если вы являетесь мастером, то перейдите по этой ссылке, зарегистрируйтесь в системе и сможете принимать заказы.

Использование щебеночных и песчаных свай
для усиления слабых грунтов основания
транспортных сооружений

Технология устройства щебеночных применяется для увеличения несущей способности грунтов основания проектируемого сооружения, предотвращения возможной потери устойчивости основания, уменьшения деформаций и времени стабилизации деформаций, для предотвращения возможности разжижения и потери прочности грунтов при сейсмическом воздействии.

Щебеночные сваи — тип обработки грунта глубинной вибрацией с подачей щебня на дно формируемой скважины, при которой глубинный вибратор используется для создания непрерывных колонн из щебня с заданными длиной и диаметром.

Устройство щебеночных свай выполняется в широком диапазоне инженерно-геологических условий, при наличии в основании глин и пылевато-глинистых грунтов, слабых глинистых грунтов и торфов. При использовании технологии возможно прохождение через песчаные и гравелистые грунты с частичным их уплотнением.

Технологический процесс устройства щебеночных свай включает в себя следующую последовательность (рис. 1):

1) Глубинный вибратор погружается с помощью вибрации и подачи воздуха (иногда с минимальной подачей воды под давлением для прохождения плотных слоев),

2) Щебень вводится через специальный привод вдоль вибратора под давлением сжатого воздуха,

3) Виброинструмент совершает возвратно-поступательные движения, уплотняя щебень, и, постепенно перемещаясь вверх, формирует тело сваи.

Рисунок 1 — Последовательность изготовления щебеночных свай

Щебеночные сваи не являются отдельно несущим элементом, как например сваи, выполненные из бетона. При устройстве щебеночных свай происходит увеличение прочностных характеристик массива грунта, в пределах которого выполняется усиление, вследствие чего значительно увеличивается его несущая способность и устойчивость. Устройство свай позволяет уменьшить значение деформаций основания от 2 до 6 раз. Щебеночные сваи представляют собой массивные дрены, вследствие чего при строительстве в условиях залегания в основании медленно уплотняющихся водонасыщенных глинистых грунтов значительно уменьшаются сроки стабилизации деформаций.

Сечение щебеночной сваи, полученное в результате уплотнения, ограничивается объемом расходуемого материала, временем уплотнения и характеристиками исходного грунта. Диаметр формируется в процессе работы и не является жестко ограниченным. Таким образом возможно формирование щебеночной сваи переменного сечения в зависимости от задачи, например увеличения диаметра сваи в слабых грунтах прочностные свойства которых требуется улучшить и уменьшение сечения в плотных песчаных и гравелистых грунтах. Под действием нагрузки на усиленное основание происходит увеличение щебеночной сваи в сечении, при этом возникает дополнительное давление на грунт в межсвайном пространстве, вследствие чего он уплотняется.

При строительстве в крайне слабых глинистых грунтах (значение сопротивления недренированному сдвигу менее 5 кПа), устройство щебеночных свай может комбинироваться с технологией устройства геосинтетических дрен, используемых для предварительной консолидации и уплотнения основания.

При изготовлении щебеночных свай используется специальное оборудование, так называемый виброфлот – глубинный вибратор диаметром от 290 мм до 460 мм, подбираемый в зависимости от поставленной задачи. Для подачи уплотняемого материала под нижний конец оборудования, к вибратору крепится специальный привод. Существует возможность крепления оборудования на экскаватор, копровую установку и кран.

Оборудование позволяет выполнять устройство свай на глубину от 3 до 30 м, при необходимости усиления грунтов на большую глубину возможно изготовления оборудования специально под проект.

При уплотнении щебеночная свая достигает диаметра от 0,6 м до 3,5 м в зависимости от задачи и грунтовых условий площадки строительства. В качестве материала уплотнения используется щебень фракции 5-50 мм, так же возможно использование песка.

Необходимо отметить высокую производительность устройства щебеночных свай, которая составляет от 200 до 400 метров погонных за смену.

Данная технология положительно зарекомендовала себя при усилении слабых грунтов, на множестве объектов по всему миру, в том числе успешно реализована компанией ООО «ГЕОИЗОЛ» при усилении основания насыпи сложенного слабыми заторфованными грунтами на участке скоростной автомобильной дороги Москва-Санкт-Петербург — М11, при усилении слабых глинистых грунтов при создании искусственного земельного участка на территории Крестовского острова в Финском заливе, при устройстве опытной площади в условиях залегания с поверхности заторфованных грунтов на глубину до 7м на объекте «Строительство автомобильной дороги А-121 «Сортавала» и других объектах.

При производстве работ по устройству щебеночных свай выполняется оперативный контроль качества изготовления с помощью панели управления. Регистрируется глубина, сила тока, давление воздуха, отклонение свай по вертикали, дата и время, объем подаваемого материала. Полученные данные позволяют судить о качестве выполнения работ, по результатам формируется паспорт каждой сваи с указанием контрольных параметров и профилем сваи. С целью определения качества уплотнения основания могут выполняться натурные испытания фрагмента усиленного основания статической нагрузкой, испытания методом статического зондирования, одометрические испытания, испытания крыльчаткой и др.

Мировой опыт использования технологии усиления грунта путем глубинной вибрации насчитывает более 70 лет. При определении характеристик усиленного массива грунта используются известные аналитические методики расчета [1] признанные во всем мире. Для расчета деформаций, устойчивости и времени консолидации могут использоваться отечественные нормативные методики расчета [2,3,4,5], а так же современные программные комплексы с использованием метода конечных элементов. C целью стандартизации и нормирования проектирования и производства щебеночных свай, в 2005 году создан Европейский нормативный документ DIN EN 14731.2005 “Выполнение специальных геотехнических работ – Укрепление грунта путем глубинной вибрации” [6].

Устройство щебеночных свай по технологии виброуплотнения широко используется в мировой практике и зарекомендовало себя как надежный способ усиления основания проектируемых сооружений транспортной инфраструктуры.

Уильем Деген, Betterground GmbH (Германия, Мюнхен)
Долгов П. Г., ООО «ГЕОИЗОЛ Проект»

  1. Heinz J. Priebe «The design of vibro replacement»
  2. СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»
  3. СП 116.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов»
  4. СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги»
  5. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83)
  6. DIN EN 14731-2005. Execution of special geotechnical works – Ground treatment by deep vibration
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: