Основные методы и способы армирования оснований

В зависимости от физико-механических характеристик грунтов и задач, которые решаются при армировании, выбираются характер расположения армирующих элементов и технология их выполнения. Технология выполнения армирования оснований в значительной степени зависит от характера основания и особенностей напластований грунтов. В табл. 6.1 обобщены применяемые в геотехнической практике методы и способы армирования грунтов [4].

Таблица 6.1

Продолжение табл. 6.1

Вертикально расположенные армирующие элементы чаще всего применяют для устранения просадочных свойств основания, повышения прочности и устойчивости слабых водонасыщенных, насыпных, рыхлых и других видов грунтов. Армирование вертикальными элементами также целесообразно применять под полами, технологическим оборудованием и для повышения устойчивости насыпей. Расстояния между армирующими элементами принимаются, исходя из учета совместной работы с окружающим грунтом и необходимой прочности основания и зависят от физико-механических характери­стик грунта и применяемого оборудования.

В практике строительства широко применяется армирование толщ по технологии глубинного уплотнения пробивкой (технология устройства и оборудование приведены в разделах 3.1 и 5.1) и продавливанием скважин с последующим их заполнением материалами с повышенной прочностью – уплотненным местным грунтом, грунтобетонными и грунтоизвестковыми смесями, смесью местного грунта с гравием и щебенкой, шлакобетоном, раствором, тощим бетоном или шлаком с уплотнением.

Армирование массива может быть выполнено путем использования технологии винтового продавливания скважин спиралевидными снарядами. Причем скважины могут быть выполнены в грунте как по технологии глубинного уплотнения, так и по технологии глубинного закрепления.

Укрепление грунта вокруг скважин достигается путем многоразовой проходки и заполнения скважин материалом. На последнем этапе для заполнения скважин могут быть использованы шлак, шлакобетон, бетон, цементно-песчаные смеси и др.

Вертикальное армирование оснований элементами повышенной жесткости в виде набивных свай в пробитых и продавленных скважинах может достичь глубины 20-25 м. При этом в верхней зоне основания создается уплотненный слой путем устройства грунтовых подушек или уплотнением тяжелыми трамбовками либо закреплением. Этот слой является распределительной подушкой, обеспечи­вающей передачу нагрузки от фундамента на армированный массив и включение армирующих элементов в работу.

Армирование оснований грунтовыми сваями в раскатанных скважинах (ГРС) применяется для упрочнения лессовых просадочных, набухающих, рыхлых насыпных и песчаных, слабых водонасыщенных и биогенных грунтов. При устройстве указанных свай в преобразуемой зоне грунтового массива происходят следующие процессы:

• увеличение плотности грунта в около- и межсвайной зоне;

• формирование в плане и по глубине основания однородного по физико-механическим характеристикам несущего массива из ГРС и уплотненных зон между свайного пространства;

• частичное отжатие поровой воды за пределы несущего массива ГРС;

• частичное замещение упрочняемого грунта ГРС;

• ускорение консолидации слабых водонасыщенных грунтов за счет образования вертикальных дрен из ГРС.

Сущность метода заключается в том, что в толще грунта с помощью навесных рабочих органов – раскатчиков скважин различной конструкции, в том числе жесткого типа, производится раскатка скважин диаметром 0,25 м и длиной до 4,0 м. В процессе раскатки производится заполнение полости скважин материалами повышенной прочности (песком, песчано-гравийной смесью, щебенкой, гравием, шлаками, тощим бетоном и другими материалами).

После завершения работ в толще грунта формируются прочный элемент диаметром 0,35-0,40 м и уплотненная зона грунта вокруг него. В зависимости от вида и свойств упрочняемого грунта расстояние между ГРС может составлять от 3 до 5d (d- диаметр грунтовой сваи в раскатанной скважине).

Армирование оснований грунтоцементными сваями и микросваями находит широкое применение в связи с разработкой эффективных технологий и оборудования для их изготовления в различных грунтовых условиях (см. раздел 7). Указанные сваи можно изго­тавливать диаметром от 0,07 до 0,25 м и длиной от 1,5 до 6 м и более. Грунтоцементная смесь готовится из портландцемента марки 400, которая берется в количестве 9-15% массы грунта естественной влажности, песка средней крупности в количестве 40-60% и глинистого грунта 30-40%. Прочность образцов грунтоцемента находится в пределах 2-2,5 МПа в 28-суточном возрасте.

Устройство буроинъекционных свай широко используется для усиления фундаментов существующих зданий и сооружений. Эти сваи могут устраиваться как в вертикальном, так и наклонном направлении. Существуют эффективные способы и технологии их устройства в различных грунтовых условиях, а также методика расчета (Справочник проектировщика, 1985). По способу изготовления буроинъекционные сваи подразделяются на:

• устраиваемые под защитой бентонитового или глинистого раствора;

• устраиваемые под защитой обсадных труб;

• устраиваемые с использованием переходных буровых шнеков;

• устраиваемые путем инъекции раствора в сухие пробуренные скважины.

Армирование бетонного ствола буроинъекционных свай осуществляется с помощью пространственных арматурных каркасов, стальными трубами-оболочками.

В последние годы буроинъекционные сваи находят широкое применение для армирования (усиления) оснований зданий и сооружений, усиления и повышения устойчивости откосов и стабилизации оползнеопасных склонов.

Армирование слабых водонасыщенных грунтов песчаными сваями известно с давних времен и широко используется для укрепления слабых водонасыщенных пылевато-глинистых и песчаных грунтов. Сущность, технология устройства и используемое оборудование для изготовления этих свай подробно освещены в разделе 3.5.2.

Известковые сваи используются для упрочнения слабых водонасыщенных грунтов большой мощности (свыше 10 м), находящихся в текучепластичном и текучем состояниях. Сущность метода заключается в том, что при устройстве известковых свай происходит взаимодействие негашеной комовой извести с окружающим его слабым водонасыщенным грунтом, что способствует улучшению прочностных и деформационных характеристик грунтов. Кроме того, происходит уменьшение степени влажности грунта (S_r < 0,7) и в последующем верхние слои основания можно доуплотнять тяжелыми трамбовками или заменить их на уплотненные грунтовые подушки. Сущность, технология устройства и используемое оборудование для изготовления известковых свай подробно освещены в разделе 3.5.3.

В последние годы специалистами были разработаны и предложены для практического использования устройство свай и уплотненных грунтовых подушек из известково-грунтовых смесей, которые готовятся путем добавления в глинистый грунт естественной влажности извести-пушонки в количестве 4-8 % и активностью более 75 %. Прочность образцов из грунтоизвестковых смесей находится в пределах 1,5-3,0 МПа.

Для усиления и повышения устойчивости оснований иногда их армирование выполняют с помощью забивных свай. Для армирования оснований, например, при увеличении устойчивости оползнеопасных склонов могут быть применены буронабивные сваи. При устройстве таких свай применяют обычную технологию.

Методы устройства вертикальных армирующих элементов путем закрепления грунтов силикатизацией, смолизацией или другими химическими материалами, несмотря на их дороговизну, также находят широкое применение при упрочнении и укреплении грунтов оснований, усилении откосов и стабилизации оползнеопасных склонов.

Сущность, технология устройства и используемое оборудование для изготовления этих свай подробно освещены в технической литературе (Справочник проектировщика [18].

Для армирования оснований может эффективно использоваться технология устройства армированных элементов с применением высоконапорных инъекций (струйной технологии), которые позволяют выполнить армирование без нарушения естественной структуры грунта в основном массиве. В основе струйной технологии лежит использование энергии водяной струи для прорезания в грунте щелей, заполняемых твердеющими материалами. Струйная технология позволяет выполнить армирующие элементы с различным расположением и различной формы, в том числе в виде сплошных стенок, отдельных столбов, опор корневидной формы, горизонтальных элементов, а также в форме ячеистых структур сложной формы. Сущность, технология устройства и используемое оборудование для изготовле­ния армированных элементов подробно освещены в разделе 8.

Армирующие элементы выполняют в виде бетонных и грунтобетонных свай большого диаметра. Иногда элементы выполняют из вяжущих материалов на основе жидкого стекла и одно- и многокомпонентных химических растворов. Прочность материала армирую­щих элементов находится в пределах 1-5 МПа.

Конструктивные элементы, сопрягаемые друг с другом, позволяют выполнять ячеистые структуры, которые могут быть использованы для упрочнения основания, укрепления откосов, насыпей и подпорных сооружений. Благодаря таким структурам грунт, находящийся в ячейках, вовлекается в работу.

Необходимо отметить, что, несмотря на большую актуальность вопросов устройства и проектирования армированных оснований, имеется еще очень мало исследований по разработке эффективной технологии армирования оснований в сложных грунтовых условиях. Известные способы армирования обладают значительной трудоемкостью и стоимостью, а надежность их в некоторых условиях не удовлетворяет необходимым требованиям.

Все вышеизложенное указывает на необходимость дополнительных исследований по выявлению эффективных видов армирующих материалов, разработке технологий и способов армирования оснований в различных грунтовых условиях. В этом направлении большой интерес представляет использование в качестве армирующих элементов высокопрочных геосинтетических материалов.