Инъекционное закрепление грунтов способами силикатизации и смолизации

Силикатизация и смолизация грунтов применяются для повышения несущей способности оснований и устройства фундаментов из укрепленного грунта. Этот метод может применяться в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут и в лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут. Силикатизация и смолизация грунтов осуществляются путем нагнетания в грунт через систему инъекторов или скважин водных растворов или смесей, приготовляемых на основе силиката натрия и синтетических смол с отвердителем.

При закреплении песчаных грунтов двухрастворной силикатизацией плотность раствора силиката натрия назначают в зависимости от коэффициента фильтрации грунтов согласно табл.7, а плотность раствора хлористого кальция принимают 1,26-1,28. Для безводного хлористого кальция указанным величинам плотности соответствуют 28-30%-ные значения концентрации.

Химические материалы, применяемые для закрепления грунтов способом силикатизации, должны удовлетворять требованиям действующих стандартов.

Силикат натрия (содовый или содово-сульфатный) доставляются к месту работы в виде силикат-глыбы или раствора плотностью 1,4—1,5 г/см³. Раствор силиката натрия должен отвечать требованиям ГОСТ 13079-81.

Силикатный модуль есть отношение числа грамм-молекул кремнезема SіО₂ к числу грамм-молекул окиси натрия Nа₂О. Силикатный модуль является основной характеристикой силиката натрия, определяющей его состав. В процессе производства работ модуль употребляемых растворов силиката натрия подлежит контрольным определениям.

Применяемый при однорастворной силикатизации в качестве отвердителя (коагулянта) алюминат натрия должен удовлетворять следующим требованиям: каустический модуль 1,5-1,7 (отношение Nа₂О/Аl₂О₃), крупность дробления 5-6 мм; содержание нерастворимых взвешенных частиц 1—2

Преимуществом смолизации перед однорастворной силикатизацией песков является возможность значительно более прочного закрепления грунтов. Для глубинного закрепления смолизацией, не связанного с последующим вскрытием закрепленных грунтов (например, при усилении оснований, устройстве фундаментов или защитных стенок), следует применять способы на основе карбамидных смол марок М, М-2, МФ-17. При смолизации грунтов с целью проходки подземных выработок допускается применять способы на основе смолы марки М-3, содержащей наименьшее количество свободного формальдегида (0,3-0,5%).

Рабочая концентрация смолы достигается следующим образом: крепитель М-2 разбавляется водой в соотношении 1 : 0,8 до плотности раствора 1,09 г/см³, являющейся нижним пределом разбавления; крепитель М-3 разбавляется водой в соотношении 1 :0,5 до плотности раствора 1,12 г/см²; крепитель МФ-17 разбавляется водой в соотношении 1 : 2 до плотности 1,08 г/см³. При разбавлении смолы растворами азотнокислого аммония или сульфитно-спиртовой барды раствор наиболее стабилен в отношении продолжительности гелеобразования.

Применяемые при смолизации в качестве крепителей растворы карбамидных смол по физическим и химическим характеристикам должны удовлетворять нормам, а щавелевая (кристаллогидрат) и соляная (жидкость) кислоты-требованиям ТУ ІI-1391-5 и ГОСТ 13282—76.

14. Фундаменты мелкого заложения, конструктивные особенности, применяемые материалы для их возведения

К фундаментам мелкого заложения относятся такие, у которых глубина заложения обычно не превышает 6 м. Их возводят в котлованах, предварительно отрытых на полную глубину с поверхности грунта. Другая особенность фундаментов мелкого заложения заключается в том, что при расчете их перемещений и определении напряжений в основании, как правило, не учитывают сопротивление грунта по боковым поверхностям фундаментов.

По конструкции фундаменты мелкого заложения подразделяются на массивные жесткие, отдельные фундаменты под стойки и колонны сооружений, ленточные и в виде сплошной ж/б плиты под всем сооружением.

Расчетные сечения фундамента назначают из условия работы материала его конструкции. В зависимости от этого фундаменты могут быть жесткими или гибкими.

Под жестким фундаментом понимается такой фундамент, материал которого под действием внешней нагрузки не испытывает деформаций изгиба, проявляющихся в форме скалывания отдельных элементов и трещин в кладке. Практически можно считать, что материал жестких фундаментов работает только на сжатие.

Для жестких фундаментов подлежат определению геометрические размеры в плане и их обрезы.

Гибким фундаментом называется такой фундамент, материал которого работает преимущественно на изгиб. Гибкие фундаменты выполняют из ж/б, так как он воспринимает растягивающие напряжения при изгибе.

При расчете гибких фундаментов определяют их геометрические размеры в плане, а затем по расчетным эпюрам моментов перерезывающих сил в зависимости от процента армирования подбирают сечение.

Массивные, ленточные и столбовые жесткие фундаменты под стены и под колонны, а также фундаменты-стенки могут быть выполнены из кирпича, бута, бутобетона, бетона.

Кирпичная кладка удобна в том отношении, что ей можно придать самую разнообразную форму. Однако кирпич как строительный материал для фундаментов недолговечен; он быстро теряет прочность под действием грунтовых вод. Поэтому кирпич применяют для кладки фундаментов, как правило, в менее ответственных сооружениях, причем кладку выполняют только из кирпича-железняка на цементном растворе.

Некоторое распространение имеет бутовый камень в виде кладки из рваного камня или плитняка. Из бутового камня выполняют ленточные и столбовые фундаменты; их стоимость сравнительно невысокая. Однако основным недостатком таких фундаментов является большой объем кладки и значительные трудовые затраты при их возведении. Кроме того, применение этого материала не дает возможности широко индустриализировать и механизировать строительные работы.

Бутобетон и бетон обладают значительно лучшими прочностными характеристиками, и их применяют для фундаментов наиболее ответственных сооружений – в массивных фундаментах, а также для устройства жестких фундаментов под колонны, несущие большую нагрузку. Их недостатком являются значительная стоимость и большие объемы при массивных фундаментах.

К гибким фундаментам относятся гибкие балки и сплошные плиты, а также подушки для ленточных фундаментов и башмаки под колонны с большим выносом фундаментной консоли.

В качестве материала для гибких фундаментов применяют ж/б. Такие фундаменты незаменимы в тех случаях, когда требуется создать значительные опорные площади для передачи больших нагрузок от сооружений, а также для конструкций фундаментов коробчатого типа.

Применение ж/б для возведения фундаментов значительно сокращает объем работ и позволяет широко использовать механизмы при производстве работ. Однако ввиду высокой стоимости ж/б и больших затрат металла на его изготовление необходимость применения ж/б для фундаментов должна быть экономически обоснована.

Основные размеры фундаментов мелкого заложения (глубина и размеры подошвы) в большинстве случаев определяются исходя из расчета оснований по деформациям, который включает:

подсчет нагрузок на фундамент;

оценку инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки строительства; определение нормативных и расчетных значений характеристик грунтов;

выбор глубины заложения фундамента;

назначение предварительных размеров подошвы по конструктивным соображениям или исходя из условия, чтобы среднее давление на основание равнялось расчетному сопротивлению грунта;

вычисление расчетного сопротивления грунта основания R, изменение в случае необходимости размеров фундамента с тем, чтобы обеспечивалось условие р ≤ R; в случае внецентренной нагрузки на фундамент, кроме того, проверку краевых давлений;

вычисление осадок основания; при необходимости корректировку размеров фундаментов.

В некоторых случаях выполняется расчет основания по несущей способности. После этого производятся расчет и конструирование самого фундамента.

Все расчеты оснований должны производиться на расчетные значения нагрузок, которые определяются как произведение их нормативных значений на коэффициент надежности по нагрузке γ_f. Этот коэффициент, учитывающий возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону, принимается при расчете оснований по несущей способности, а при расчете оснований по деформациям равным единице.

Расчет оснований по деформациям производится на основное сочетание нагрузок, по несущей способности – на основное сочетание, а при наличии особых нагрузок и воздействий – на основное и особое сочетания. Нагрузки на перекрытия зданий и снеговые нагрузки, которые могут относиться как к длительным, так и к кратковременным, при расчете оснований по несущей способности считаются кратковременными, а при расчете по деформациям – длительными. Нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования в обоих случаях считаются кратковременными.

В расчетах оснований необходимо учитывать нагрузки от складируемого материала и оборудования, размещаемого вблизи фундаментов.

Усилия в конструкциях, вызываемые климатическими температурными воздействиями, при расчете оснований по деформациям допускается не учитывать, если расстояния между температурно-усадочными швами не превышают значений, указанных в нормах проектирования соответствующих конструкций. Технологические температурные воздействия учитываются в расчетах оснований по деформациям при соответствующем обосновании в зависимости от продолжительности этих воздействий.

15. Фундаменты глубокого заложения, и их конструктивные особенности. Какие способы применяют при их возведении

В качестве оснований тяжелых и чувствительных к неравномерным осадкам сооружений стремятся выбирать скальные и полускальные породы или малосжимаемые грунты.

Чтобы дойти до таких грунтов, в ряде случаев приходится прорезать весьма значительную, иногда в несколько десятков метров, толщу слабых, зачастую водоносных грунтов.

Необходимость устройства глубоких оснований может быть вызвана и назначением самого сооружения, которое независимо от геологических особенностей строительной площадки должно быть опущено на большую глубину.

Прорезание на большую глубину водоносных грунтов путем устройства обычных открытых котлованов встретило бы очень большие трудности, а чаще всего было бы вообще неосуществимо.

Применяемые в настоящее время методы устройства глубоких опор можно свести к трем видам.

1. Опоры, возводимые в оболочках. При устройстве таких опор вначале в грунт тем или иным способом погружают заранее изготовленную оболочку. По мере погружения оболочки или после достижения ею проектной глубины из нее удаляют грунт, а полость ее полностью или частично заполняют бетоном, который в случае надобности армируют. В некоторых случаях оболочку в процессе бетонирования полости постепенно извлекают из грунта и используют вновь для устройства других таких же опор.

Так как способы погружения оболочек, извлечения из них грунта и заполнения бетоном могут быть различными, то эта разновидность глубоких опор является самой распространенной.

2. Опоры, возводимые без оболочек. Метод возведения этих опор в основном сходен с методом устройства набивных свай, скважины для которых изготавливаются бурением. Для глубоких опор в грунте также предварительно пробуривают скважины большого диаметра, но без обсадки их трубами. Стенки скважины укрепляют глинистым раствором.

3. Комбинированные опоры возводят в верхней части в оболочке, а в нижней – без оболочки.

Несущая способность глубоких опор может быть очень велика. Большое давление, которое можно допустить на прочный, залегающий на значительной глубине грунт основания, обуславливает высокое сопротивление глубокой опоры по ее подошве. Силы же трения, действующие между грунтом и боковой поверхностью опоры, создают большое сопротивление погружению опоры в грунт.

К массивным фундаментам глубокого заложения относятся опускные колодцы и кессоны. При возведении таких фундаментов в отличие от фундаментов мелкого заложения не требуется предварительно устраивать котлованы и крепить их стены. В процессе производства работ давление грунта воспринимается боковыми поверхностями стен самих опускных колодцев и кессонов.

К массивным фундаментам глубокого заложения можно также отнести фундаменты, сооружаемые методом стена в грунте. По характеру работы в грунте на эксплуатационные нагрузки и по объемам расходуемого бетона или ж/б, такие фундаменты близки к опускным колодцам и кессонам, хотя метод их возведения существенно отличатся от опускного колодца.

Сущность метода опускных колодцевсостоит в том, что на поверхности земли, непосредственно на месте будущей опоры, сооружают толстостенную оболочку со скошенным нижним концом. Когда оболочка готова, на всю проектную высоту (при больших колодцах только на часть высоты) внутри нее начинают разработку грунта. При удалении грунта оболочка под действием собственного веса постепенно погружается в грунт. Наращивание оболочки по высоте производят по мере ее опускания или в перерывах между отдельными этапами опускания. После погружения оболочки на проектную глубину и удаления из нее грунта, образовавшуюся полость заполняют бетоном.

Раньше оболочки опускных колодцев изготавливали из кирпича, естественных камней, бетона. Оболочки современных опускных колодцев изготавливают преимущественно из ж/б.

Что касается формы колодца в плане, то раньше ее назначали в соответствии с конфигурацией в плане надфундаментного строения. Опыт показал, однако, что круглые в плане колодцы имеют рад преимуществ перед колодцами какой-либо другой формы. Такая оболочка в каждом свое горизонтальном сечении работает на сжатие, а потому армирование ее может быть минимальным. Процесс изготовления оболочки кольцевого сечения наиболее прост, а при погружении ее в грунт легко избежать перекосов.

Поэтому если для устройства глубоких фундаментов будет принят метод опускных колодцев, то рационально применять колодцы круглого сечения в плане.

Опускным колодцам придают цилиндрическую, коническую или цилиндрическую уступчатую форму.

Цилиндрические колодцы просты в изготовлении и погружение их в грунт не вызывает сильного разрыхления последнего вокруг них. Однако при опускании цилиндрического колодца на большую глубину между его наружной поверхностью и грунтом могут возникнуть настолько значительные силы трения, что с некоторой глубины опускание колодца без принятия специальных мер будет крайне затруднительно или даже невозможно.

Колодцы конической и уступчатой форм экономичнее по расходу материалов и легче опускаются в грунт, но изготовление их по сравнению с цилиндрическими более сложно. Кроме того, опускание колодцев сопровождается настолько значительным разрыхлением грунта вокруг них, что возникает угроза нарушения устойчивости находящихся вблизи сооружений.

В тех случаях, когда погружение оболочки с водоотливом вследствие опасности наплыва грунта в оболочку невозможно или когда грунт содержит крупные включения, прибегают к кессонному методу устройства глубоких опор. В этом случае оболочка в нижней своей части имеет перекрытие. Эта нижняя часть называется кессонной камерой. В кессонную камеру нагнетают по трубам сжатый воздух, который вытесняет из нее воду в грунт, благодаря чему рабочие, находящиеся внутри камеры, могут вести разработку грунта насухо.

Для сообщения с кессонной камерой на перекрытии устанавливают шлюзовой аппарат с шахтными трубами, в который также нагнетают сжатый воздух. Перекрытие камеры называется потолком, а стенки – консолями камеры. Оболочка над потолком камеры носит название надпотолочного строения. Все устройство – кессонная камера, надпотолочное строение, шлюзовой аппарат и шахтные трубы – носит название кессон.

Надпотолочное строение может быть и не в виде оболочки, а сплошным монолитным из бетонной или каменной кладки надпотолочное строение возводят сразу на всю проектную высоту до погружения камеры в грунт или же частями по мере погружения. Необходимо только, чтобы верх надпотолочного строения в период погружения кессона находился выше уровня грунтовых вод или уровня воды в водоеме.

После опускания кессона до проектной отметки кессонную камеру в случае надобности заполняют бетоном или бутобетоном.

16. Ленточные фундаменты. Конструктивные решения, применяемые материалы

Ленточные фундаменты конструируют, как правило, под сплошные несущие стены. Так как при одинаковых нагрузках по длине ленточного фундамента условия его работы во всех сечениях одинаковы, то и размеры таких фундаментов в поперечном сечении одинаковы. Если нагрузки в продольном направлении ленточного фундаменты различны, то его поперечное сечение также различно по длине. Материалом для выполнения ленточных фундаментов может быть бутовая кладка, бутобетон, бетон и ж/б. По форме в поперечном разрезе эти фундаменты бывают уступчатые или трапециевидные. Последние применяют реже ввиду большей сложности работ по их возведению.

Часто возникает необходимость устраивать ленточные ж/б фундаменты и для рядов колонн. Так, в процессе проектирования каркасных или рамных сооружений при значительных нагрузках и относительно слабых грунтах получается, что размеры одиночных фундаментов под колонны должны быть очень большие, а фундаменты располагаются на небольшом расстоянии один от другого. В этих случаях одиночные фундаменты под отдельные колонны заменяют одним ленточным ж/б фундаментом, воспринимающим нагрузку от целого ряда колонн.

Нередко при проектировании фундаментов под сетку колонн оказывается, что несущая способность грунтов основания недостаточна и ленточные фундаменты не обеспечивают жесткости всего здания или сооружения.

Рациональной конструкцией фундаментов в этом случае будет конструкция в виде перекрестных ленточных фундаментов. Такие фундаменты выполняют из ж/б, а колонны устанавливают в месте пересечения двух фундаментных лент. Число взаимноперпендикулярных лент определяется числом рядов колонн и стен.

Ленточные фундаменты под стены выполняются в монолитном или сборном варианте.

При наличии подвала фундаментная стена является одновременно стеной подвала, которая работает совместно с элементами сооружения.

По конструктивному решению стены подвалов зданий и сооружений подразделяются на массивные и гибкие. Массивные стены применяются в подвалах зданий и сооружений и выполняются из кирпича, крупных бетонных блоков, панелей и т.д. Гибкие стены выполняются, как правило, в виде железобетонных навесных панелей, работающих на изгиб в вертикальной плоскости. Стены подвалов опираются на перекрытия, располагаемые выше или ниже поверхности грунта.

Расчет ленточных фундаментов.Ленточные фундаменты наружных стен зданий с подвалами рассчитываются на нагрузки, передаваемые стеной подвала, и на действующее на них давление грунта.

Расчет ленточных фундаментов производится по сечению I-I, проходящему по краю фундаментной стены (рис.16), а при ступенчатой форме фундаментов – и по грани ступени. Расчетные усилия в сечении на 1 м длины фундамента при центральной нагрузке определяются по формулам:

М = 100ра²/2; (56)

Q = 100ра, (57)

где р – среднее давление по подошве фундамента, передаваемое на грунт от расчетных нагрузок; а – вылет консоли фундамента.

Расчетные усилия в сечении на 1 м длины фундамента при внецентренной нагрузке (см.рис.16) вычисляются по формулам:

М = а²(2р_max + р₁)/6; (58)

Q = а(2р_max + р₁)/6; (58)

где р_max и р₁ – соответственно давления от расчетных нагрузок, передаваемых на грунт под краем фундамента и в расчетном сечении.

Расчет по прочности нормальных сечений производится на момент от расчетных нагрузок. Подбор площади сечения продольной арматуры производится по формуле

А_s = , (60)

где R_s – расчетное сопротивление арматуры растяжению; ν - коэффициент, определяемый по табл.3 в зависимости от параметра А`₀; h₀ – рабочая высота сечения, принимаемая равной расстоянию от верха фундамента до центра арматуры.

Параметр А`<sub>0</sub> определяется по формуле А`₀ = , где R_b – расчетное сопротивление бетона для предельного состояния первой группы; b – ширина сечения фундамента.

При расчете наклонных сечений на действие поперечной силы должно соблюдаться условие

Q ≤ 0,35R_bbh₀. (62)

Расчет на действие поперечной силы не производится при

Q ≤ k₁R_btbh₀, (63)

где k₁ – коэффициент, принимаемый для тяжелого бетона равным 0,75; R_bt – расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельного состояния первой группы.

Расчет элементов без поперечной арматуры производится из условия

Q ≤ Q_b, (64)

где Q – поперечная сила, действующая в наклонном сечении, т.е. равнодействующая всех поперечных сил от внешней нагрузки, расположенных по одну сторону от рассматриваемого наклонного сечения; Q_b – поперечное усилие, воспринимаемое бетоном сжатой зоны в наклонном сечении:

Q_b = k₂R_btbh₀²/c, (65)

где k₂ – коэффициент, принимаемый для тяжелого бетона равным 1,5; с – длина проекции наклонного сечения на продольную ось.

Железобетонные фундаменты рассчитываются по раскрытию трещин, при этом ширина раскрытия трещин, нормальных к продольной оси элемента, определяется по формуле

а_с = 1,2 , (66)

где η – коэффициент, принимаемый равным при стержневой арматуре периодического профиля 1,8, гладкой 1,3, при проволочной арматуре периодического профиля 1,2, гладкой 1,4; σ_s - напряжение в стержнях растянутой арматуры; μ - коэффициент армирования сечения, принимаемый равным отношению площади сечения арматуры к площади сечения bxh₀, но не более 0,02; d – средний диаметр растянутой арматуры:

d = (n₁d₁² + … + n_kd_k²)/(n₁d₁ + … + n_kd_k), (67)

где d₁, …, d_k – диаметры стержней растянутой арматуры; n₁, …, n_k – число стержней соответствующей арматуры.

Напряжение в арматуре определяется по формуле

σ_s = R_sМ/М₁, (68)

где М₁ – момент от действия расчетной нагрузки при коэффициенте надежности по нагрузке γ_f=1:

М₁ = МА_s`/А_s``; (69)

М – момент от действия расчетной нагрузки при коэффициенте надежности по нагрузке γ_f > 1; А_s` - фактическая площадь принятой арматуры; A_s`` - площадь арматуры, требуемая по расчету прочности.

17. Учет глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий

В наше время наиболее надежным из всех типов считается именно этот тип основания.

Он представляет собой сплошную или решетчатую монолитную железобетонную плиту, которая размещается на подложке из сыпучих материалов. Выполняется эта плита непосредственно по всей площади будущего здания.

Главное его преимущество в том, что он не боится перемещений грунта, вызванными вспучиванием или неравномерным проседанием. Плита в этих случаях будет «плавать» вместе с постройкой. Строительство монолитного фундамента — наиболее оптимальное решение на зыбких песчаных или болотистых почвах. Этот вариант на пучинистых землях окажется выгоднее по сравнению с фундаментами обычного вида, требующих выполнения дополнительных объемов землеройных работ и некоторых других трудностей, связанных с дополнительными затратами.