Глубинное уплотнение грунтов

Глубинное уплотнение грунтов при надлежащем качестве работ позволяет эффективно обеспечить высокую плотность и малую деформативность мощных толщ слабых грунтов. Его производят на всю глубину слабого слоя или на всю глубину активной зоны, влияющей на осадку сооружений. Методы глубинного уплотнения для сыпучих и связных грунтов имеют свои отличия, обусловленные различной способностью реагировать на динамические воздействия.

Глубинное уплотнение грунтовыми сваями. Сущность этого способа заключается в устройстве на определенном расстоянии друг от друга скважин, которые затем заполняют грунтом с уплотнением. Для образования скважин применяют способы, при которых грунт не извлекается на поверхность, а вытесняется в окружающий массив, в результате чего происходит его уплотнение. Сами скважины, заполненные трамбованным грунтом, еще более повышают несущую способность основания.

В просадочных грунтах, способных держать вертикальные стенки, скважины пробивают инвентарной сваей или специальным снарядом, состоящим из штанги и наконечника. Заполнение образовавшейся скважины осуществляется местным грунтом оптимальной влажности, который уплотняют (трамбуют) тем же снарядом. Обычно грунт теряет свои просадочные свойства при плотности сухого грунта ρ_d = 1,6 т/м³. Скважины пробивают через одну. Пропущенные скважины пробивают после полного заполнения предыдущих скважин.

Скважины для глубинного уплотнения грунтов устраивают также энергией взрыва, для чего в пробитую на всю глубину скважину-шпур диаметром 60–80 мм опускают цепной заряд из патронов взрывчатых веществ. После взрыва образуется скважина диаметром до 40 см. Затем её заполняют местным грунтом с оптимальной влажностью и уплотняют трамбовкой, в результате чего происходит дополнительное уплотнение грунта вокруг сваи.

При правильном подборе веса и расположения отдельных зарядов получается скважина равномерного диаметра по всей глубине, без каких либо горловин и трещин в уплотняемом массиве. При использовании энергии взрыва зона уплотнения распространяется на большее расстояние от оси скважины, чем при пробивке её снарядом. Кроме того, уплотнение массива грунта получается более равномерным.

Рыхлые мелкие и пылеватые пески, в том числе с прослойками и линзами супесей, суглинков, глин и илов уплотняют с помощью песчаных свай. В таких грунтах вертикальные стенки скважин не держатся, поэтому извлекать снаряд и забивать сваи песком надо одновременно. Для изготовления песчаных свай применяют инвентарные обсадные трубы диаметром 400–500 мм с самораскрывающимся башмаком ( рис. 9.6 ), которые погружают вибропогружателем. При погружении трубы грунт вокруг сваи уплотняется. Затем трубу засыпают песком и одновременно заливают водой, после чего снова включают вибратор. Одновременно с подъёмом трубы наконечник под весом засыпанного грунта раскрывается, и песок заполняет скважину.

Рис. 9.6 Оборудование для устройства песчаных свай а - схема установки, б - самораскрывающийся наконечник инвентарной трубы. 1- инвентарная труба, 2 - отверстие для загрузки песка, 3 - вибропогружатель, 4 - стальная труба, 5 - шарнирные створки, 6 - теряемое кольцо.

Особенностью работы песчаных свай в водонасыщенных грунтах является то, что они работают как вертикальные дрены, ускоряя процесс уплотнения основания. Для увеличения радиуса и степени уплотнения грунта иногда применяют повторные погружения трубы в то же самое место и заполнение скважины песком.

Расчёты оснований, уплотнённых грунтовыми сваями, сводятся к установлению количества свай в основании сооружения и расстояний между ними. Грунтовые сваи, как правило, размещают в шахматном порядке в вершинах равносторонних треугольников (рис. 9.7), чем достигается наибольший эффект уплотнения. Расстояние t между осями свай назначают таким, чтобы получить нужную плотность грунта в межсвайном пространстве:

(9.2)

где е_н и е_у - коэффициенты пористости природного и уплотнённого грунта.

Рис 9.7 Схема расстановки грунтовых свай

До начала основного производства работ по устройству грунтовых свай производится опытное уплотнение в отдельных скважинах с закладкой контрольных шурфов для отбора проб на плотность и влажность. Расчётное сопротивление оснований, уплотнённых грунтовыми сваями следует принимать по результатам штамповых испытаний.

После устройства грунтовых свай верхний недоуплотненный грунтовыми сваями слой грунта (буферный слой) либо срезают, либо доуплотняют поверхностным трамбованием. Фундаменты на уплотнённом основании возводят как на естественном.

К эффективным и нетрадиционным методам глубинного уплотнения грунтов следует отнести технологии, в которых используются пневмопробойники и раскатчики скважин. Эти машины просты, надежны, очень эффективны, обладают малой энергоемкостью, мобильностью, что позволяет вести работы в стеснённых условиях. Возможность проходки скважин разного диаметра и длины с различным их пространственным расположением обеспечивает эффективность технологии глубинного уплотнения грунта и позволяет оптимизировать этот процесс в зависимости от поставленной задачи, инженерно-геологических условий и условий производства работ.

Уплотнение грунтов пневмопробойниками. Пневмопробойник представляет собой снаряд с внутренним ударником, приводимым в действие подачей в него сжатого воздуха. Его отличительной особенностью является использование корпуса в качестве рабочего органа, образующего скважину путем радиального уплотнения грунта. Внедрение пневмопробойника в грунт происходит под действием ударов, наносимых ударником, движущимся внутри корпуса, по его переднему внутреннему торцу. Силы трения между наружной поверхностью корпуса и стенками скважины удерживают пневмопробойник от перемещения в обратном направлении под действием реактивных сил. Наличие осевой симметрии и значительная длина гарантируют сохранение заданного направления во время движения в грунте. Реверсивное устройство позволяет изменять направление ударов, а, следовательно, и направление движения пневмопробойника, то есть обеспечивает его возврат по скважине. Благодаря этому появляется возможность проходки «глухих» скважин любой пространственной ориентации. Использование разъёмного секционного расширителя позволяет примерно в 2 раза увеличить производительность работ по отношению к серийно выпускаемым пневмопробойникам за счёт ускорения извлечения его из грунта и одновременно повысить его долговечность за счёт уменьшения продолжительности работы в ударном режиме при обратном ходе. Для поддержания пневмопробойника при возвращении его из вертикальной или наклонной скважины используется тренога с ручной лебёдкой грузоподъемностью 500 кГ×с.

Технология глубинного уплотнения грунтов пневмопробойниками заключается в следующем. Пневмопробойник со стартового устройства запускается в работу и погружается в грунт (рис. 9.8), образуя скважину диаметром, равным диаметру снаряда, на нужную глубину (до 20 м). При этом вокруг скважины происходит радиальное уплотнение грунта.

Рис. 9.8 Технологическая схема глубинного уплотнения грунтов с применением пневмопробойника

а - первичная пробивка скважины, б и в - повторные проходки скважины,

г - стадия завершенных работ.

1 - пневмопробойник с расширителем, 2 - воздушный шланг, 3 - тренога с лебедкой; 4 и 5 - заполнитель первой и повторной засыпки,

6 - тощий литой бетон.

 

Реверсивным ходом пневмопробойник возвращается назад к устью скважины и извлекается из неё. Образовавшаяся скважина заполняется инертным материалом (местный грунт, песок, щебень, цементно-песчаная смесь, тощий бетон и т.д.) и проходка пневмопробойника повторяется. При этом заполнитель втрамбовывается в стенки скважины, вызывая дополнительное радиальное уплотнение грунта. Обычно делают не более 3-4 проходок. Большее количество проходок малоэффективно. После конечной проходки полость скважины заполняют местным грунтом или тощим бетоном с трамбованием. Радиус уплотненной зоны грунта с плотностью на её внешней границе r_d= 1,6…1,65 т/м³ составляет при этом 3-4 диаметра пневмопробойника. За пределами этой зоны плотность грунта постепенно снижается и на расстоянии 6–7 диаметров снаряда остается природной. Точность проходки скважин очень велика, отклонение от оси из-за неоднородности грунта при глубине скважины 5-7 м не превышает нескольких сантиметров.

Особенно эффективно применение пневмопробойников в стеснённых условиях городской застройки, а также в тех местах, куда доступ обычным машинам и механизмам затруднён: тоннели метрополитенов, откосы земляного полотна автомобильных и железных дорог, подвалы зданий, котлованы и т.д. Производительность процесса определяется скоростью проходки скважин, количеством проходок, продолжительностью операций по заполнению скважин материалами и извлечению пневмопробойника из скважины.

Препятствием к применению пневмопробойника являются сухие слабоуплотняемые песчаные и переувлажненные глинистые грунты. В таких грунтах силы сцепления корпуса пневмопробойника с ними недостаточно для реализации эффекта его самодвижения в грунте. Валуны, остатки строительного мусора или другие преграды, находящиеся в грунте и сопоставимые по размерам с диаметром пневмопробойника, могут явиться причиной его отклонения от заданного направления, замедления движения или полной его остановки. Еще одним препятствием к широкому использованию пневмопробойников на застроенных территориях являются довольно значительные динамические воздействия.

а) б)

 

 

 

Рис. 9.9 Раскатчики скважин

а) раскатчик РС-250 (диаметром 250 мм), б) то же с обратным конусом.

 

От перечисленных недостатков свободны раскатчики скважин. Термин раскатчик скважин используется для названия рабочего органа, который деформирует грунт катящимися по боковой поверхности скважины телами. Раскатчик скважин (рис. 9.9) представляет собой ряд установленных на эксцентриковом валу конических катков, оси которых смещены и развернуты так, что при вращении вала катки по винтовой траектории внедряются в грунт, обеспечивая самопродвижение раскатчика. В этом случае скважина образуется за счёт последовательного вытеснения грунта от её оси к переферии. Приводом для раскатчика скважин может служить любой буровой станок с гидравлической осевой подачей. Поскольку каждым катком в определённый момент времени создаётся значительное радиальное усилие на стенку скважины, то раскатчик может осуществлять проходку в грунтах, содержащих галечник, щебень и другие твёрдые включения размером до 1/3 диаметра раскатываемой скважины. Кроме того, дополнительное осевое усилие, передаваемое раскатчику от привода, способствует увеличению скорости проходки, позволяет его реверсировать, а также осуществлять раскатку в торфах, обводненных и пластичных грунтах, где использование пневмопробойников не возможно по условиям работы.

Использование раскатчиков скважин даёт ряд преимуществ по сравнению с пневмопробойниками, основными из которых являются:

- отсутствие шума и вибрационных воздействий на близкорасположенные здания и сооружения;

- высокие скорости проходки, достигающие в некоторых грунтах 1 м/мин.;

- низкая энергоёмкость процесса;

- высокая точность направления проходки.

Диаметр уплотнённой зоны вокруг скважины, полученной при раскатке скважин и степень уплотнения грунта в её пределах заметно выше, чем при использовании пневмопробойника.

Известковые сваи. Для глубинного уплотнения сильнозаторфованных и глинистых грунтов иногда применяют известковые сваи. Пробитые в таких грунтах скважины заполняются негашеной комовой известью послойно с трамбованием, как и при устройстве грунтовых свай. Дополнительное уплотнение грунтов при этом способе происходит так же за счёт того, что известь в процессе взаимодействия с водой увеличивается в объёме на 60-80%. Кроме того, при гашении извести происходит выделение большого количества тепла (температура достигает 120-160 ^оС), что ведёт к снижению влажности уплотняемого грунта. Под воздействием выделяемой теплоты и возникающих физико-химических процессов между известью и грунтом, грунт вокруг сваи дополнительно упрочняется.

Сами известковые сваи после взаимодействия с водой быстро упрочняются. Прочность на одноосное сжатие составляет 1,0-2,5 МПа.

Недостатком известковых свай по сравнению с песчаными является то, что после гашения они становятся практически водонепроницаемыми и не способствуют дренированию основания.

Уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием основывается на их способности самоуплотняться при водонасыщении под действием собственного веса. Уплотнение происходит только на той глубине, где напряжения от собственного веса грунта превышают величину начального просадочного давления. В верхней части просадочной толщи грунт остается недоуплотненным, поэтому дополнительно производится его поверхностное уплотнение. Одновременно с повышением плотности грунтов повышаются их прочностные характеристики, и уменьшается сжимаемость. В целом уплотненный массив грунта становится более прочным и устойчивым.

Просадочные лёссовые грунты обычно замачиваются с поверхности котлована. Для удобства производства работ котлованы для замачивания разбиваются на отдельные карты. На дне котлована отсыпается дренирующий слой из песка или мелкого гравия толщиной 10 см. Для сокращения сроков уплотнения грунтов на площадке бурят скважины, засыпают их песком, а потом подают в котлован воду.

При уплотнении грунта замачиванием просадки проявляются и за пределами уплотняемой площадки, поэтому данный метод целесообразно применять только на вновь застраиваемых территориях. При необходимости выполнить уплотнение грунтов на застроенных территориях необходимо предусматривать мероприятия, исключающие замачивание грунтов в основании существующих зданий.

Для полного устранения просадочных свойств грунтов метод предварительного замачивания часто применяют в комплексе с другими методами, например с устройством грунтовых подушек, применением тяжелых трамбовок, использованием взрывчатых веществ и пр.

Уплотнение просадочных грунтов подводными взрывами заключается в одновременном взрывании в водной среде зарядов взрывчатого вещества (ВВ), расположенных по определенной сетке на некотором расстоянии от уплотняемого основания. Слой воды ниже зарядов обеспечивает равномерную передачу ударного воздействия на грунт. Вода, перекрывающая заряды, служит для гашения энергии взрыва, направленной вверх.

Характер уплотнения грунтов в значительной мере определяется их коэффициентом водонасыщения. При водонасыщенном состоянии грунтов большая часть энергии ударной волны воспринимается поровой водой. Степень уплотнения неводонасыщенных грунтов практически полностью определяется сжимаемостью скелета грунта.

Основными параметрами проекта уплотнения грунтов подводными взрывами являются: размеры котлована в плане и его глубина; количество воды, необходимое для замачивания котлована на заданную глубину; глубина воды в котловане перед взрывом; схема размещения и вес зарядов; методы контроля качества и техники безопасности.

На площадках I типа грунтовых условий уплотнение грунтов рекомендуется выполнять подводными взрывами. В этом случае заряды ВВ устанавливаются в воде по сетке через 0,6-1,2 м на расстоянии 0,3-0,4 м от дна котлована. После взрыва уплотняется верхняя часть сжимаемой толщи на глубину до 4-х м.

На площадках со II типом заряды ВВ размещают в скважинах на глубине от 4-х до 12-ти метров. В этом случае происходит уплотнение грунта в нижней части основания. Верхний слой мощностью 2-6 м доуплотняют другими способами.

Уплотнение песчаных грунтов глубинной вибрацией. Рыхлые пески хорошо уплотняются глубинными вибраторами, используемыми для уплотнения бетонной смеси, если в процессе работы вибратора в песок закачивать воду. Включенный вибратор погружается в грунт под действием собственного веса (рис. 9.10.а). Рядом с ним опускается перфорированная труба для подачи в песок воды под давлением 0,4-0,5 МПа. По достижении вибратором необходимой глубины производят его медленный (в течение 10-15 мин) подъём с помощью крана или треноги с лебёдкой. Радиус уплотнения глубинными вибраторами составляет 0,7-0,8 м. При использовании обычной вибробулавы толщина уплотняемого слоя может достигать 10 м. Для увеличения радиуса и глубины уплотнения используют вибропогружатели специальной конструкции (рис. 9.10.б). Для ускорения работ на стрелу иногда навешивают куст из нескольких вибропогружателей.

Рис. 9.10 Технологическая схема глубинного уплотнения грунтов глубинной вибрацией 1- трос, 2- граница уплотнения, 3- вибратор, 4- труба для подачи воды, 5- вибропогружатель, 6- трубчатая штанга, 7- ребра.

Размещают проходки вибратора по треугольной сетке, аналогично пробивке скважин под грунтовые сваи. Расстояние между точками уточняют по данным опытного уплотнения.

Уплотнение грунтов понижением уровня подземных вод целесообразно осуществлять в слабых грунтах, способных отдавать воду (илы, ленточные глины, заторфованные супеси и др.). Понижение поземных вод производят путём откачки воды через иглофильтры. При понижении уровня грунтовых вод за счёт снятия взвешивающего давления воды напряжения в скелете грунта существенно возрастают. В случае длительно действующих откачек это приводит к уплотнению слабых грунтов.

Уплотнение грунтов статической нагрузкой с вертикальным дренированием выполняют в слабых водонасыщенных глинистых грунтах, находящихся в текучем и текучепластичном состоянии, илах, торфах. Эти грунты обладают малой водопроницаемостью. Поэтому для уплотнения таких грунтов применяют комбинированный метод, заключающийся в устройстве в толще слабого грунта вертикальных дрен с одновременным нагружением его поверхности статической нагрузкой, роль которой играет грунтовая насыпь. В результате приложенной нагрузки в поровой воде возникает напор, а дрены сокращают пути фильтрации отжимаемой воды. Для обеспечения беспрепятственного отвода отжатой воды на поверхности грунта (под насыпью) устраивают пластовый дренаж (песчаную подсыпку) сообщающийся с дренами (рис. 9.11). Размеры насыпи назначают с таким расчетом, чтобы давление по её подошве превышало давление, передаваемое на слабый грунт проектируемым сооружением.

Рис. 9.11 Технологическая схема уплотнения грунтов статической нагрузкой с вертикальным дренированием

1 - слабый грунт, 2 - дрена, 3 - песчаный пластовый дренаж, 4 - насыпь, 5 - прочный грунт.

 

Песчаные дрены изготавливают аналогично песчаным сваям, но располагают значительно реже. В последние годы появилось много синтетических инвентарных дрен различной конструкции. Их погружают специальными машинами.

Недостатком глубинного уплотнения статическими нагрузками с вертикальным дренированием является потребность в больших объёмах грунта для отсыпки насыпей, которые после завершения уплотнения приходится частично убирать.