Новые технологии усиления оснований

Большинство традиционных способов усиления оснований основывается на инъекцировании в грунтовое тело различных растворов и тесно связано с их проникающей способностью в грунте. Иногда такие способы не оправдывают себя из-за низкого коэффициента фильтрации грунта К_ф, м/сут, высокой влажности и малого давления нагнетания (0,6 МПа).

Известны способы уплотнения слабопроницаемых грунтов высоконапорной инъекцией, при которой давление нагнетания устанавливается от 1.5 до 10 МПа. Работы довольно дороги и выполняются из пройденных рядом с фундаментом шахт (шурфов), из которых бурят горизонтальные скважины и оснащаются специальными инъекторами с манжетами. При инъекцировании цементной или мелкозернистой бетонной смеси наблюдается разрыв сплошности грунта, в связи с чем происходит упрочнение основания и даже его подъем.

Метод высоконапорной инъекции связных грунтов

Для непроницаемых и слабопроницаемых грунтов В.В. Лушниковым, В.А. Богомоловым (УралНИИАС, г. Екатеринбург) разработан метод высоконапорной инъекции (ВНИ) связных грунтов при усилении оснований цементно-песчаными растворами [40]. Известно, что нагнетаемые растворы неконтролируемо растекаются в массиве, а грунты невозможно уплотнить давлением, при котором происходит образование трещин (гидроразрывов). В этой связи В.А. Богомоловым предложено:

- выполнение инъекции связных грунтов вязкими растворами, которые будут кольматировать (залечивать) образуемые в грунте трещины и разрывы, в частности, возможно применение обычного цементно-песчаного раствора;

- кратковременные перерывы в процессе инъекцирования для «самозалечивания» образующихся трещин и разрывов в грунте;

- предварительное ослабление пристенного слоя выработки, например водой, исключающее трещинообразование в грунте и уменьшающее утечки раствора;

- введение в цементно-песчаные растворы специальных добавок, в зависимости от ситуации замедляющих или ускоряющих процесс твердения цемента;

- опрессовка грунта после инъекции высоким давлением, что позволяет улучшить свойства грунта в области инъекции и в окружающем массиве.

При использовании такой технологии закрепляющий раствор не растекается в массиве грунта, а удерживается и накапливается в зоне инъекции. Процесс инъекции оказывается независимым от проницаемости грунта. Он подобен процессу расширения скважины при прессиометрическом нагружении, что позволяет при анализе использовать соответствующие задачи механики грунтов. Инъекция растворов при такой технологии обеспечивает:

- создание в грунте полости заданных размеров с одновременным заполнением ее прочным твердеющим веществом;

- армирование грунта жесткими элементами, что после закрепления создает композитный массив с улучшенными до заданных пределов свойствами;

- уплотнение (за счет опрессовки) массива грунта вокруг закрепленной области, что создает дополнительный положительный эффект.

Проведенные многочисленные эксперименты показали, что поступающий в грунт цементно-песчаный раствор не растекается в массиве, а локализуется и создает заданное по размерам тело. Так, для буроинъекционной сваи с диаметром ствола 15 см диаметр уширения составил 0,8-1,2 м (рис. 5.12). Отметим, что перед инъекцией было произведено локальное ослабление грунта вокруг полости путем обработки стенок водным раствором.

Рис. 5.12. Область инъекции: а - в профиле и б - в плане, образованная под концом буроинъекционной сваи в тугопластичном элювиальном суглинке

Технология нагнетания с опрессовкой закрепленной зоны

Для инъекции используется замкнутая рабочая система «ресивер - рабочая емкость - трубопроводы - инъекторы», созданная в технологической цепи установки рис. 5.13.

Сначала в этой системе создается достаточно большое начальное давление р₀ (1-2 МПа), затем после разрушения тарированной мембраны и превращения начальной системы в новую (рабочую) систему «ресивер - рабочая емкость - трубопроводы - инъекторы» происходит поступление раствора в грунт. Одновременно давление в системе падает и стабилизируется на уровне несколько ниже давления гидроразрывов р_гр.

Рис. 5.13. Схема установки для высоконапорной инъекции:

1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - рабочая емкость; 4 - бак для суспензии; 5 - бак для закрепляющего раствора; 6-12 - краны; 13 - тарированная хрупкая мембрана; 14 - трубопроводы; 15 - инъекторы

Далее при этом давлении осуществляется инъекция до поступления в грунт заданного объема раствора. Так осуществляется безразрывное поступление раствора, при котором происходит требуемое увеличение размера полости.

Начальное давление в системе можно рассчитать по следующей формуле:

р₀ = р_кр + V_е (р_кр + р_а) / V₀, (5.16)

Было установлено, что при осуществлении способа ВНИ после подачи растворов в грунт осадки на некоторое время активизируются, что обусловлено ослаблением грунта за счет поступления вместе с раствором большого количества воды. Чтобы избежать негативного воздействия на здание, было предложено вести работы так, чтобы дополнительные осадки, напротив, улучшили бы ситуацию. В этом преимущество предложенного способа, защищенного патентом РФ № 2162917.

Буронабивные сваи с уплотнением забоем скважин

Процедура устройства методом ВНИ уширенной пяты буронабивной сваи (рис. 5.14) включает подачу в область забоя через инъектор цементно-песчаного раствора необходимой консистенции и создание давления для расширения полости заданных размеров.

Такие сваи могут быть устроены постоянными по длине даже при значительной неоднородности геологического строения площадки, например, при наличии карманов выветривания: в пределах жестких грунтов сваи делают без уширений, а в пределах «карманов выветривания» - с пятой соответствующих размеров.

Предложения по определению несущей способности буронабивных свай с уплотненным забоем скважин основаны на результатах многочисленных (свыше 30) натурных испытаний статической нагрузкой и теоретическом анализе, основу которого составляет решение Ю.Р. Оржеховского (1996), реализованное в программе «GEOBLOCK».

Рис. 5.14. Схема буронабивной сваи ВНИ:

1 - ствол; 2 - армокаркас; 3 - инъектор; 4 - дренажная труба; 5 - мембрана; 6 - скважина; 7 - щелочная засыпка; 8 - область инъекции; 9 - зона предварительного ослабления пристенного слоя, 10 – зона упрочнения; 11 – ядро (буровая скважина)

Как теоретическое решение, так и натурные испытания свидетельствуют о существенном увеличении несущей способности свай против значений, рассчитанных по СНиП 2.02.03-85.

Выполненные исследования позволяют сформулировать следующие предложения по расчетам несущей способности и осадок изучаемых свай.

Несущая способность свай F_d должна определяться по формуле СниП 2.02.03-85, но коэффициенты γ_сR и γ_cf имеют более высокие значения, причем они зависят не только от вида грунта, но и от давления опрессовки р₀. При этом коэффициент надежности γ_k следует принимать равным 1,3, а коэффициент распределительной способности условного фундамента ψ = φ/3 (против ψ = φ/4 по СНиП).

Проведенные натурные испытания свидетельствуют о достаточно высокой достоверности расчетного метода.

Струйная технология

Струйная технология по созданию несущих конструкций в грунтах весьма перспективна для целей реконструкции. Идея заключается в использовании струи воды высокого давления для создания (резания) полостей в грунте. Струйный монитор, используемый для этого, имеет на боковой поверхности сопла, а через нижнюю часть происходит подача материала для заполнения полости. Давление струи воды создается высоконапорными насосами и может варьировать от 10 до 50 МПа. Энергией водной струи можно резать грунт, асфальтобетон, а с добавками в воду песка струя может резать бетон.

Мониторная головка или опускается в готовую скважину или бурится самим монитором. С установленного горизонта мониторную головку поднимают вверх, одновременно включая подачу бетонной смеси для заполнения образованной скважины. Диаметр нарезаемых скважин будет зависеть от давления гидроструи. При давлении ≈ 10 МПа и подаче воды 200-300 л/мин возможно получить диаметр скважины до 3 метров.

В НИИ оснований разработана мониторная головка, позволяющая устраивать экономичные сваи: двух-, трех- и четырехлопастные, винтовые, с уширениями по высоте, корневидные и т.п. (П.А. Коновалов) [34].

Устройство свай по струйной технологии показано на рис. 5.15 и 5.16.

В своем применении методика струйной технологии не вызывает динамических воздействий на реконструируемое здание, не требует значительного пространства на площадке, поэтому оказывается часто незаменимой при укреплении грунтов оснований деформирующихся зданий, в том числе и ниже уровня подземных вод.

Рис. 5.15. Изготовление свай в грунте с помощью высоконапорной струи:

I - II - образование скважин струей; III - IV - заполнение скважин раствором твердеющего материала

Рис. 5.16. Подведение свайных фундаментов под реконструируемое здание

На рис. 5.16 показан процесс подведения дополнительных фундаментов под реконструируемое здание. Первой стадией работ здесь явилась прорезка самого тела существующего фундамента скважиной, где использовалась энергия струи воды с добавлением кварцевого и корундового песка. Следующая стадия включала работы по углублению скважины в грунте минимального диаметра, и третья стадия – разбуривание скважины до установленного диаметра при одновременном подъеме мониторной головки и заполнении полости бетонной смесью.