Усиление оснований под здания и сооружения

29.06.2016

Вопросы усиления оснований непосредственно связаны с величиной расчетной сейсмичности сооружений, возводимых на этих участках. Изложенные выше способы усиления оснований могут привести к изменению категории грунта по сейсмическим свойствам, что должно подтверждаться в каждом отдельном случае специальными инженерно-геологическими исследованиями, включая определение влажности и консистенции грунта. В этом случае практическое использование полученных результатов может быть увязано с сейсмостойкостью зданий и сооружений через уточнение сейсмичности площадки строительства в соответствии с табл. СНиП П-7-81.
Усиление оснований производится в следующих случаях: когда невозможно расширением фундаментов обеспечить устойчивость здания или сооружения на основании без его усиления; если осадки зданий и сооружений превышают допустимые; когда резко изменились прочностные и деформационные характеристики свойств грунтов в результате их обводнения за счет поднятия уровня грунтовых вод или замачивания грунтов при эксплуатации; при оттаивании вечномерзлых грунтов и наличии морозного пучения грунтов; при возведении подземных сооружений или при устройстве фундаментов ниже расположенных рядом фундаментов эксплуатируемых сооружений. Выбору метода упрочения или уплотнения грунтов предшествуют исследования физических, деформационных, прочностных, фильтрационных и реологических свойств грунтов основания сооружения.
Выбор метода закрепления грунтов, в результате чего значительно повышаются характеристики прочности и деформируемости грунтов, зависит от фильтрационных свойств грунтов, их минералогического и химического состава. Следует выделить следующие основные методы усиления оснований: упрочение грунтов оснований заполнением eго пор другими материалами; изменение прочностных характеристик грунтов термическим или электромеханическим их укреплением; уплотнение оснований сваями и шпунтовыми стенками; передача части нагрузок на более прочные нижележащие грунты. К числу методов упрочения грунтов оснований путем заполнения его пор другими материалами относятся силикатизация, цементация, битумизация, глинизация, смолизация.
Силикатизация. Известны для способа силикатизации - однорастворный и двухрастворный. Песчаные грунты закрепляются поочередным нагнетанием в грунт двух растворов (двухрастворный способ) - силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция. Первым нагнетается в грунт водный раствор растворимого натриевого стекла при 50%-й концентрации. Причем концентрация силиката натрия назначается в зависимости от коэффициента фильтрации песчаного грунта (Кф > 0,006 см/с). Для закрепления мелких и пылеватых песков, а также для закрепления лессовых грунтов (Кф = 0,00001 — 0,006 см/с) применяется однорастворный способ силикатизации, т.е. нагнетание одного жидкого стекла, которое вступает в реакцию с имеющимися с лессе солями кальция. Однорастворный способ используется и для закрепления плывунов, но с нагнетанием в грунт раствора фосфорной кислоты малой концентрации с добавлением раствора силиката натрия, серной кислоты и в некоторых случаях сернокислого аммония.
Для закрепления водонасыщенных мелкозернистых песков и супесей (Кф < 0,00001 см/с) применяют электросиликатизацию, когда инъекторы служат электродами, расположенными с двух сторон фундамента на расстоянии 0,6...0.8 м один от другого. В качестве отвердителя жидкого стекла допускается использовать углекислый газ — метод газовой силикатизации, который позволяет проводить силикатизацию лессовых и песчаных грунтов с неограниченным содержанием карбонатов. Основные прочностные характеристики грунта после силикатизации приведены в табл. 3.2.
Усиление оснований под здания и сооружения

Результаты наблюдений за состоянием деформированных зданий показали, что в течение одного месяца после силикатизации происходят дополнительные осадки оснований и в стенах раскрываются трещины. Поэтому для предупреждения обрушения конструкций зданий перед началом работ по силикатизации их следует временно закреплять.
Качество работ контролируется устройством около здания пробной силикатизации грунта в трех-четырех местах основания здания. По истечении срока твердения засиликатизированного грунта отбираются монолиты для испытания грунта на прочность. Силикатизацию нельзя выполнять в грунтах, пропитанных смолами или нефтяными продуктами.
Цементация. Наиболее распространена в трещиноватых скальных, крупнообломочных породах, гравелистых, щебеночных и крупнопесчаных грунтах. При цементации частицы грунта скрепляются цементным раствором, который в жидком виде через инъекторы нагнетается под давлением в поры грунта, и пористый грунт под подошвой фундамента превращается в сплошной плотный монолит или отдельные колонны из цементированных грунтов. Инъекторы, применяемые для нагнетания раствора при давлении до 7 атм, изготовляются из стальных цельнотянутых труб. Величина давления зависит от плотности грунтов и размеров его пор или трещин. Для трещиноватых скальных и крупнообломочных грунтов давление применяется из расчета 0,25 атм на 1 м заглубления, для крупнопесчаных — 0,5 атм на каждый метр заглубления. Направление инъекторов может быть наклонным, чтобы сцементировать грунты под подошвой фундамента.
Консистенция раствора (цемент:вода) назначается в пределах 1:6...1:12 в зависимости от результатов опытных работ, выполняемых вблизи здания, сорта и марки цемента и с учетом степени агрессивности грунтовых вод.
Ориентировочные прочностные характеристики грунтов после цементации следующие:
Усиление оснований под здания и сооружения

Контроль за нагнетанием раствора осуществляют до пол ного насыщения каждой скважины, которое характеризуется повышением давления на 15...25%.
Битумизация. Применяется в сухих песчаных грунтах и трещиноватых скальных породах. Через пробуренные скважины, оборудованные специальными инъекторами, обеспечивающими подогрев битума в стволе скважины до 200—220°С, он под давлением 0,8 МПа нагнетается в трещины или полости. В песчаных и гравелисто-песчаных грунтах с Кф = 0,012...0,12 см/с может применяться холодная битумизация с добавками коагулянтов (CaCl2, NaCl), при возможном соприкосновении с грунтовой водой и стабилизаторов в количестве 0,1...1% в виде щелочи, мыла, жирных кислот, казеина и др. Качество битумизированного основания проверяется контрольным вскрытием в трех-четырех местах основания здания.
Глинизация. Применяется в трещиноватых скальных породах в крупнозернистых песчаных грунтах. Осуществляется нагнетанием в грунт бентонитовой глиняной суспензии плотностью 1,2...1,4 г/см3 под давлением 3 МПа. Глина при увлажнении набухает и противостоит силе просадки, а также снижает водонепроницаемость скальных пород. Применение этого метода требует особо надежного контроля за качеством работ как в ходе глинизации, так и по окончании работ, ввиду резкого увлажнения грунтов оснований. При глинизации оснований эксплуатируемых зданий такое увлажнение может привести в неравномерным дополнительным осадкам и деформациям, в том числе других, вблизи расположенных зданий.
Смолизация. Применяется для закрепления песков с Кф = 0,0004...0,006 см/с. При наличии в грунтах карбонатов более 0,1% и глинистых фракций (менее 0,005 мм) более 1% смолизацию грунтов необходимо производить с предварительной обработкой 3-5%-м раствором соляной кислоты. Грунты, содержащие более 5% карбонатов, закреплению смолизацией не подлежат. Смолизацию выполняют нагнетанием гелеобразующей смеси на основе органических соединений (типа карбамидных) или мочевиноформальдегидного полимера. Прочность закрепленного грунта при сжатии 1...2 МПа. Способы усиления оснований путем изменения их прочностных свойств охватывают термическое и электрохимическое закрепление грунтов.
Термическое закрепление грунтов. Закрепление глинистых и лессовых грунтов термическим способом производится нагнетанием раскаленных газов в поры закрепляемого грунта, в результате чего происходит обжиг. Топливо (газообразное, жидкое и сжиженные газы) сжигается в скважинах, пробуренных в толще закрепляемого грунта. При проникании раскаленных газов в толщу лессовых грунтов его отдельные частицы сплавляются и грунт становится непросадочным при замачивании. Обжиг обычно продолжается 5...7 сут при температуре 600...650°С, при этом прочность закрепленного грунта достигает 1...4 МПа. В результате обжига образуется водостойкое прочное основание без увлажнения грунта. Недостатки - большой расход топлива, сложность бурения глубоких скважин внутри здания и их тампонирования.
Электрохимический способ закрепления глинистых, илистых, как правило, водонасыщенных грунтов производится пропуском через грунт, насыщенный раствором хлористого кальция, электрических сигналов напряжением 100...120 В. Закрепление осуществляется с помощью трубчатых электродов, погруженных в грунт, что позволяет повысить прочность грунта до 0,4...0,6 МПа. Основания уплотняют сваями или шпунтовыми стенками в тех случаях, когда невозможно сделать углубление и расширение фундаментов.
Уплотняя грунты сваями, можно добиться повышения установленного нормами расчетного сопротивления до 40%. Грунт в результате выпирания в стороны от вдавливания свай уплотняется. Зона уплотнения зависит от диаметра вдавливаемых свай и структуры грунта. При этом лучшая форма свай - коническая, диаметром вверху 30 см и внизу 20 см при длине 1...1,5 м. Внешний диаметр кольца, уплотненного вокруг сваи грунта, равен 2...4 диаметрам сваи, или 60...120 см. Исходя из этого расстояние между центрами свай принимается 1,6...3,2 диаметров свай, или 50...100 см. Это расстояние уплотняется при вдавливании первых пробных свай.
Работы производятся отдельными участками длиной 1,5...2,5 м. Вначале отрывают шурфы, расположенные через два-три участка, укрепляя их стенки. Затем шурфы углубляют и расширяют под фундамент с одновременной установкой опалубки под подошвой фундамента. Затем между подошвой фундамента и грунтом устанавливают сваи, которые вдавливают домкратом, расположенным между подошвой фундамента и верхним оголовником сваи. По мере вдавливания сваи под домкратом устанавливают распорные стойки. После вдавливания всех свай пространство между подошвой фундамента и оголовниками свай заполняют бетоном, кладкой или другими материалами.
Усиление грунтовых оснований существующих фундаментов сооружений, расположенных на просадочных лессовых грунтах, может производится устройством грунтовых свай, если в основании эксплуатируемых сооружений осталась толща неуплотненных просадочных грунтов. При замачивании этой толщи происходят просадки и в результате дополнительное нагружение свайных фундаментов в виде отрицательного трения, и сваи погружаются в нижележащие грунты. При устройстве грунтовых свай в толще лессового просадочного грунта между железобетонными сваями просадочный грунт становится непросадочным, и процесс отрицательного трения не происходит. Этот метод особенно эффективен в тех случаях, когда под нижними концами свайных фундаментов ниже толщи просадочных лессовых грунтов залегают малопрочные сильносжимаемые грунты.
Усиление слабых водонасыщенных глинистых и заторфованных грунтов в основании существующих сооружений возможно также путем устройства песчаных свай. Песчаные сваи могут быть использованы и для уплотнения рыхлых песков в основании сооружений для снижения динамических воздействий на основание, в том числе в высокосейсмических районах.
Основания могут быть уплотнены устройством шпунтовых стенок вокруг фундаментов, устройством стен в грунте из сборных или монолитных железобетонных конструкций, устройством подземных стен, ограждающих по периметру фундамент из железобетонных свай. Этот метод наиболее часто применяется при необходимости повысить устойчивость ленточных фундаментов. Для этого с обеих сторон ленточного фундамента устраивают параллельные стены-обоймы в грунтовом основании.
Такие подземные сооружения в виде обойм препятствуют горизонтальному перемещению грунтов в основании фундаментов, и несущая способность используется при устройстве подземного сооружения с отметкой заложения более низкой, чем подошва фундамента существующего рядом здания или сооружения, а также при устройстве фундаментов вновь строящихся сооружений в непосредственной близости с мелкозаложенными фундаментами существующих сооружений. В некоторых случаях такие шпунтовые стены-обоймы или стена в грунте играют также роль водозащитных преград против попадания грунтовых вод в котлованы вновь строящегося сооружения. Глубину погружения шпунтовых стен и стен в грунте определяют расчетом подпорных стенок.
Метод передачи нагрузок на нижележащие грунты используется в тех случаях, когда несущие грунты основания или конструкции по его усилению оказываются недостаточно устойчивыми и прочными. При этом возникает необходимость в передаче нагрузки, минуя слабые грунты, на прочные подстилающие. Возможны варианты устройства оснований на выносных сваях, располагаемых рядом с фундаментом или посредством опускных колодцев.
Выносные сваи располагают рядами параллельно фундаментам. По верху сваи устраивают железобетонные рандбалки, на которые через поперечные балки передается нагрузка от здания. Сваи изготовляют предварительным бурением скважин диаметром 150...300 мм с закреплением стенок обсадными трубами и последующим заполнением их бетоном. При необходимости сваи могут быть армированы путем установки арматуры внутрь обсадной трубы перед бетонированием.
Применение перечисленных набивных бетонных свай позволяет устраивать их неограниченной глубины и в любых гидрогеологических условиях; конструировать по мере выполнения буровых работ грунты; выполнять работы в подвалах и первых этажах усиливаемых зданий, используя достаточно простые приспособления.
Опускные колодцы располагаются непосредственно под фундаментами, но они могут быть и за его пределами, как при устройстве выносных свай. После отрытия специальных шурфов строят опускные колодцы — каменные, бетонные или железобетонные, которые по мере изъятия из них грунта опускаются все ниже и ниже до заданной глубины. По мере погружения колодца стенки его наращивают так, чтобы они возвышались на 0.5...1 м над поверхностью земли. По окончании опускных работ, когда низ колодца достигнет прочных грунтов, шахту заполняют бутовой кладкой или тощим бетоном, а по его верху устраивают железобетонный обвязочный пояс.
Минимальные размеры колодца определяются необходимостью ведения в нем земляных работ, максимальные — расчетом. Колодцы погружаются под влиянием собственного веса или дополнительной нагрузки. Для этого основание колодца усиливают металлическими или железобетонными ножами. Работы по разработке и изъятию грунта могут быть механизированы, например подачей в шахту по одной металлической трубе под сильным напором воды, размывающей грунт, по другой - выкачиванием насосом из шахты разжиженного грунта.
Как уже отмечалось, характеристики многих грунтов зависят от их замачивания. В результате повышения уровня грунтовых вод или нарушения в эксплуатации происходит водонасыщение ранее маловлажных грунтов основания существующих сооружений, что значительно увеличивает их сжимаемость и уменьшает прочность. Для некоторых грунтов именно подъем уровня грунтовых вод является причиной деформации сооружений в связи с осадками фундаментов, а иногда и потери устойчивости. В связи с этим проблема водопонижения весьма актуальна и при решении задач по усилению оснований.
Водопонижение осуществляется открытым водоотводом, иглофильтрами, водопонижающими скважинами и специальными дренажными системами. Выбор способа водопонижения зависит от фильтрационных свойств грунтов основания, уровня и движения грунтовых вод, близости водоемов, прудов и других источников обводнения площадки. Одной из причин обводнения грунтов основания зданий и сооружений являются систематические утечки воды из сетей водопровода, канализации и теплофикации.
Для борьбы с обводнением грунтов основания создаются обводные дамбы, канавы, дренажные траншеи, противофильтрационные завесы, глубокие кольцевые дренажи и др. Системы глубокого дренажа выполняют из расчета, чтобы уровень грунтовых вод после их понижения (кривая депрессии) был бы ниже глубины сжимаемой толщи основания фундамента. Нередко работы по водопонижению являются как бы первым этапом борьбы с обводнением, после чего грунты основания закрепляют.
При эксплуатации зданий на просадочных лессовых грунтах большинство аварий и деформаций сооружений обусловлено неравномерным замачиванием грунтов основания. Наряду с водопонижением уровня грунтовых вод и предотвращением их дальнейшего образования иногда в грунты подают воду, чтобы замачивание основания производилось равномерно в пределах всего здания. Для этого устраивают глубокие скважины по периметру всего сооружения, которые одновременно являются местом контроля за уровнем грунтовых вод и местами организованного замачивания грунтов основания.
В районах вечной мерзлоты необходимы меры по ликвидации влияния сил пучения. При потере устойчивости, когда создается опасность выдавливания грунта из-под фундамента, повышение несущей способности грунтового основания может быть достигнуто пригрузкой грунтового основания вокруг фундамента. Величина пригрузки определяется расчетом. Для усиления оснований из вечномерзлых грунтов при их оттаивании, особенно в тех случаях, когда в вечномерзлых грунтах содержится большое количество льда, могут применяться и песчаные сваи.