До 3.2.5.8. Предпостроечное уплотнение слабых водонасыщенных грунтов вертикальными дренами и пригрузкой территории

Вертикальные дрены применяются в тех случаях, когда скорость консолидации (уплотнения) и упрочнения слабого грунта в процессе уплотнения слишком мала для того, чтобы обеспечить быстрое возведение насыпи или сооружения [4]. Они особенно эффективны в тех случаях, когда сжимаемость слабых водонасыщенных грунтов определяется в основном первичной консолидацией.

При сооружении зданий и сооружний на больших площадях, в основании которых залегают толщи слабых водонасыщенных глинистых грунтов (при толщине слабого слоя грунта H>10м и показателе текучести I_L > 1,0), обычно прибегают к методу вертикального дренажа с последующей пригрузкой площадки строительства весом насыпи или другими материалами, полезная нагрузка от которых равна или превышает нагрузку от проектируемого сооружения.

Методы вертикального дренажа основаны на том, что уплотнение слабых водонасыщенных грунтов в основном определяется процессами отжатия воды - процессом фильтрационной консолидации.
По классической теории фильтрационной консолидации К. Терцаги, время уплотнения водонасыщенных грунтов пропорционально коэффициенту фильтрации и квадрату толщины уплотняемого грунта.

Устраивая в толще водонасыщенного глинистого грунта вертикальные дрены на расстоянии друг от друга от 2 до 5 м на глубину до
20 м, можно значительно сократить расстояние, которое необходимо пройти отжимаемой воде из глинистого слоя до дрен и, следовательно, уменьшить время уплотнения грунтов основания.

Чтобы создать избыточное поровое давление, под действием которого вода будет перемещаться до дренажной поверхности, поверх вертикальных дрен устраивают песчаную подушку, а затем пригрузочную насыпь или сооружение (Абелев М.Ю. [5].

Песчаная подушка объединяет вертикальные песчаные дрены, собирает из них воду, кроме того, служит горизонтальным дренажом (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Схема уплотнения слабых водонасыщенных грунтов

песчаными дренами и пригрузкой территории:

1– фильтрующая пригрузка; 2 – слабый грунт; 3– песчаная дрена;

4–подстилающий дренирующий слой

Уплотнение слабых водонасыщенных грунтов вертикальными дренами широко применяется в практике строительства различных сооружений во многих странах. В настоящее время в практике используются дрены, устраиваемые из песка, бумаги, синтетичесих, комбинированных материалов и др., что требует применения различных сложных механизмов и специального оборудования.

Вертикальные песчаные дрены устраивают следующим образом. Чтобы по площадке могли перемещаться механизмы, на ней сначала отсыпают песчаную подушку толщиной не менее 0,5 м. Для устройства дрен применяют самоходную установку на базе экскаватора, на которую подвешена обсадная труба с оголовником, прицепным бункером и инвентарным башмаком. Диаметр обсадной трубы для устройства песчаных дрен назначается в зависимости от погружающего оборудования в пределах d = 0,4-0,5 м.

Технология устройства вертикальных песчаных дрен аналогичен песчаным сваям (см. рис. 3.21) и состоит из следующих операции.

Металлическую трубу с закрытым наконечником погружают вибратором, вибромолотом или другими механизмами на заданную глубину.

Затем через боковое отверстие в верхней части трубы в нее отдельными порциями засыпают песок так, чтобы заполнить трубу на высоту 2-4 м. После этого включают вибратор или вибромолот и трубу поднимают на 2-3 м. В скважине остается столб песка. Затем в обсадную трубу засыпают следующую порцию песка (тоже на высоту
3-4 м) и снова поднимают трубу. При этом длина трубы должна превышать длину вертикальной дрены не менее чем на 2 м.

В последующие годы технология устройства песчаных дрен и применяемое оборудование были усовершенствованы, а в регионах, где отсутствуют пески, начали широко применяться эффективные виды ленточных бумажных, синтетических, комбинированных и других видов дрен, с разработкой специальной технологии и механизмов по их погружению. Бумажные и искусственные плоские дрены (заводского изготовления) состоят из жесткого пластмассового сердечника, обернутого тонким слоем фильтрующего материала (специальным образом обработанная бумага или нетканые материалы, изготовленные из полипропилена, полиэстера, полиэтилена). Такие материалы хорошо зарекомендовали себя как фильтры и гарантируют от продавливания мелких частиц и засорения дренажных каналов в сердечнике. Плоские дрены погружаются в грунт вдавливанием с использованием специального оборудования.

Следует отметить, что по условию работы дрены устраиваются как совершенные и несовершенные (рис. 3.41).

Рис. 3.41. Расчетные схемы совершенной (а) и несовершенной

(б) дрен:

1– песчаная подушка; 2–песчаная дрена; 3–естественный дренирующий слой; 4 –песчаная дрена

Вертикальные дрены работают по схеме совершенных при прорезке ими всего слабого слоя грунта. В случаях, когда слой слабого грунта заключен между двумя дренирующими слоями (сверху и снизу) и дрена полностью прорезает слой слабого грунта, принимается, что уплотнение слоя грунта происходит за счет отжатая воды из пор грунта в дрену и в оба фильтрующих слоя.

К недостаткам метода относятся использование специального оборудования, большие трудозатраты при возведении пригрузочной насыпи и ее снятии и др. Очевидно, это обстоятельство привело к ограничению применения этого метода в практике строительства.