Закрепление грунтов

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразова­нии строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами. В про­цессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъецирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водо­проницаемости и чувствительности к изменению.внешней среды, особенно влажности. Важным условием применимости инъекцион­ных методов закрепления является достаточно высокая проница­емость грунтов.

Методы инъекционного закрепления грунтов, не сопровожда­емые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений, защи­ты существующих.зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных, сооружений, создания противофильтраци-, онных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-эконо­мическим расчетом.

Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозер­нистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов более 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.

Силикатизация грунтов. Применяют для химического закрепле­ния песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут, мак­ропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от ^0,2 до 2,0 м/сут и отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени. |

Песчаные грунты с коэффициентом фильтрации 2...80 м/сут закрепляются двухрастворным способом силикатизации, разработанным Б. А. Ржаницыным. Способ заключается в следующем.В грунт погружаются инъекторы, представляющие собой трубы диаметром 38 мм с нижним перфорированным звеном длиной 0,5...1,5 м. Через инъекторы в грунт нагнетается раствор силиката натрия под давлением до 1,5 МПа. Через соседнюю трубу нагнета­ют раствор хлористого кальция. Инъекторы погружаются попарно на расстоянии 15...25 см друг от друга. Иногда оба раствора поочередно нагнетаются через один и тот же инъектор. Раствор силиката натрия вводится в грунт заходками 1 м по глубине при погружении инъектора. Затем такими же заходками, но уже в процессе извлечения инъектора производится нагнетание второго раствора. Радиус закрепления грунта составляет 30... 100 см. Процесс гелеобразования протекает очень быстро. После полного твердения геля, на что требуется 28 дней, закрепленный песчаный грунт приобретает про- чность на одноосное сжатие 2...5 МПа.

Смолнзация. Метод закрепления грунтов смолами получил на­звание смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с от-вердителямй — кислотами, кислыми солями.

Через определенное время в,результате взаимодействия с отвер-дителями смола полимеризуется. Обычное время гелеобразования -1,5...2,5 ч при времени упрочнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэфициентом фильтрации 0,5...25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие' закрепленного карбамидной смолой песка колеблется в пределах 1...5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.

Глинизация и битумизация. Глинизацию применяют для умень­шения водопроницаемости песков. Технология глинизации заклю­чается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной 'суспензии бентонитовой глины с содержанием монт- мориллонита не менее 60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.

Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопро­ницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к на­гнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот и массив становится практически водо­непроницаемым.

Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в соче­тании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соеди­няясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Со­здаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой геля­ми солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов сущест­венно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

Напряжение тока при электрохимическом закреплении составля­ет 80... 100 В, плотность тока 5..7 А/м², расход энергии 60... 100 кВт ■ ч на 1 м³ закрепляемого грунта.

Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопро­ницаемостью. Наиболее часто этот метод используется для устране­ния просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глуби­на закрепляемой толщи достигает 20 м.

31. Общие положения. Котлованами называют выемки, выполненные в грунте и пред­назначенные для различных целей: устройства фундаментов, монтажа подземных конструкций, прокладки туннелей и т. п. Выемки, име­ющие малую ширину и большую длину, называют траншеями, а имеющие малые размеры в плане и большую глубину — шахтами. Проект разработки котлована является составной частью обще­го проекта здания или сооружения и включает в себя чертежи котлована, указания по производству и организации работ, защит­ные мероприятия. На чертежах котлована (план и разрезы) указываются горизон­тальная и вертикальная привязки котлована к местности, основные оси, размеры поверху и понизу, абсолютные отметки дна и всех заглублений, заложение откосов. Состав: Проект производства и организации работ содержит указания о способе производства работ, последовательности и сроках выпол­нения операций, комплекте машин и механизмов для производства работ, расстановке землеройных машин и транспортных средств в забое и т. д. Все работы по устройству котлованов производятся по правилам и нормам производства работ. Целью защитных мероприятий является сохранение природной структуры грунтов в основании возводимых фундаментов и обес­печение устойчивости стенок котлована на все время производства строительных работ. Необходимость сохранения природной структуры грунтов объ­ясняется тем, что ее нарушение в процессе производства работ нулевого цикла сопровождается, как правило, ухудшением стро­ительных свойств основания. требование — не допускать скапливания на дне котлована атмосферной или грунтовой воды, для чего проектом предусматриваются специаль­ные меры для защиты котлована от обводнения (затопления повер­хностными или подтопления подземными водами). Чтобы предотвратить промерзание грунтов дна котлована, их покрывают слоем шлака или другого аналогичного по свойствам материала. Необходимость проведения защитных мероприятий по сохране­нию природной структуры грунтов основания и выбор их типа зависят от геологических и гидрологических условий строительной площадки, глубины котлована, времени года и других местных условий. Однако всегда следует помнить, что любые защитные мероприятия в большей или меньшей степени удорожают стои­мость производства работ, а в ряде случаев и затрудняют их проведение..

32. К основным размерам к отлованов относятся размеры дна кот­лована в плане, размеры котлована поверху и его глубина. Размеры дна котлована в плане назначаются в соответствии с проектными размерами фундамента и с учетом способа производ­ства работ, необходимого пространства для их выполнения, с уче­том пространства для устройства креплений стенок котлована и установки опалубки, а так­же размещения при необхо­димости установок для осу­ществления водопонижения. Размеры котлована повер­ху складываются из размеров дна котлована и ширины от­косов или конструкций креп­ления его стенок. Глубина котлована опре­деляется в зависимости от глубины заложения фундаме­нта и наличия дополнительных устройств (песчаной подушки, пла­стового дренажа и т. п.).

33. В зависимости от свойств грунта, глубины выработки и наличия подземных вод стенки котлованов либо крепят, либо придают им естественный откос. Котлованы с естественными откосами устраивают в сухих и мало­влажных устойчивых грунтах.

При глубине котлована до 5 м крутизну откоса можно не рассчитывать, а в зависимости от грунтовых условий назначать по табл. 14.1 (за крутизну откоса принимается отношение высоты откоса Н к его заложению b, как показано на рис. 14.1). При глубине котлованов более 5 м крутизна откосов принимает­ся по расчету. Котлованы с естественными откосами наиболее просты, однако при этом резко увеличивается объем земляных работ, особенно при глубоких котлованах небольшой ширины. Кроме того, отрывка котлованов с естественными откосами не всегда возможна из-за стесненности условий строительной площадки, например при близ­ко расположенных зданиях и сооружениях. По указанным причинам в строительной практике часто прибе­гают к устройству котлованов с вертикальными откосами, которые, как правило, требуют крепления боковых стенок. Устройство кот­лованов и траншей с вертикальными стенками без креплений до­пускается только в маловлажных грунтах природного сложения, если они оставляются открытыми на непродолжительный срок. Глубина таких котлованов не должна превышать величин, указан­ных в табл. 14.2. При большей глубине котлованов, а также при наличии подзем­ных вод их стенки выполняются с различными креплениями. Конст­рукции креплений котлованов выбирают в зависимости от их глуби­ны, свойств грунтов, уровня подземных вод и сроков эксплуатации конструкции. В сухих и маловлажных грунтах при глубине котлована до 2...4 м используют закладное крепление (рис. 14.2, а, б), которое состоит из стоек, распорок и горизонтальных досок (забирки). Рис. 14.2. Крепление вертикальных стенок выемок: а, б — закладное; в — анкерное; г — подкосное; 1 — стойка; 2 — доски; 3 — раст порка; 4 — свайка; 5 — стяжка; 6 — подкос Доски заводят за стойки снизу по мере углубления котлована или траншеи, а стойки постепенно заменяют на более длинные, тщательно рас­крепляя их распорками. Стойки устанавливают по длине выемки на расстоянии 1,5...2 м одна от другой, распорки — через 0,6...0,7 м по высоте. Иногда вместо деревянных применяют инвентарные те­лескопические распорки из металла. Более удобное и простое закладное крепление, не требующее замены стоек по мере заглубления выемки, состоит из предварите­льно забитых в грунт двутавровых стальных балок, за полки кото­рых постепенно закладываются доски (рис. 14.2, б).В тех случаях, когда исключается возможность установки рас­порок (при разработке котлованов шириной более 4 м, а также если распорки мешают возведению фундаментов), применяют анкерные и подкосные крепления. Для устройства анкерных креплений (рис. 14.2, в) вдоль стенки котлована забивают наклонный свайки, которые соединяют анкерны­ми тягами из проволоки или двух досок со стойками крепления. В подкосном креплении (рис. 14.2, г) стенки удерживаются подкосами, передающими сдвигающее усилие на упор, забиваемый у их основания. Для глубоких котлованов с вертикальными стенками, а также при наличии подземных вод, имеющих уровень выше дна кот­лована, применяют шпунтовые ограждения, поскольку они не толь­ко обеспечивают устойчивость стенок котлована, но и защищают его от затопления водой со стороны стенок. Шпунтовые ограждения состоят из отдельных элементов (шпунтин), которые погружаются в грунт еще до разработки котлована и образуют прочную водонеп­роницаемую стену. Шпунтовые стенки могут быть деревянными, стальными и железобетонными. Деревянные шпунтовые ограждения (дощатые и брусчатые) при­меняют для крепления неглубоких котлованов (3...5 м). брусчатый —из брусьев' толщиной от 10 до 24 см (рис. 14.3). Длина шпунтин определяется глубиной их погружения, но, как правило, не превы­шает 8 м, поскольку более длинный лес дорогой и дефицитный. Для плотного смыкания шпунтин, обеспечивающего водонепроницаемость ограждения, их снабжают гребнем и пазом, а нижний конец делают с од­носторонним заострением. При такой форме конца гори­зонтальная составляющая ре­активного давления грунта прижимает погружаемую шпунтину к уже погруженной, ЧТО делает стенку более плотной. Дополнительному уплотнению стенки способствует и постепенное разбухание древеси­ны в воде. Деревянный шпунт забивают в грунт облегченными молотами или вибропог­ружателями. Деревянное шпунтовое ограждение отличает простота изготов­ления, однако невозможность забивки шпунтин в плотные грунты, небольшая длина шпунтин (6...8 м) и относительно малая прочность ограничивают область его применения неглубокими котлована­ми в слабых грунтах. Вертикальные стенки котлованов глу­биной более 5..,6 м крепят, как правило, металлическим шпунтом, обладающим большой прочностью и жесткостью. Ме­таллический шпунт представляет собой прокатную конструкцию плоского, ко- рытного или 2-образного профиля дли­ной от 8 до 22 м (рис. 14.4). При необходимости шиунтины можно наращивать, доводя их длину до 35...40 м. Для этого стыки между шпунтинами перекрывают накладками на сварке или заклепках. Связь между шпунтинами по вертикали осуществляется при помо­щи замков сложной формы. Конструкция замков обеспечивает плотное и прочное соединение шпунтин между собой. Небольшие зазоры, имеющиеся в замках, быстро заиливаются, и металлическая шпунтовая стенка становится практически водонепроницаемой. Погружается металлический шпунт паровоздушными или ди­зельными молотами и вибропогружателями. После окончания зем­ляных работ металлический шпунт извлекается из грунта для даль­нейшего использования. Железобетонный шпунт часто применяют при постройке набе­режных, причалов и в других случаях, когда он может исполь­зоваться в качестве несущего элемента фундамента. Наряду со шпунтовым ограждением крепление стен глубоких котлованов может быть решено в виде сплошного ряда из железобе­тонных забивных или буронабивных свай. В связных грунтах и при отсутствии подземных вод более экономично располагать сваи с некоторым расстоянием между ними (разреженный ряд свай). Такой способ крепления вертикальных стен котлованов, методика расчета которого разработана на кафедре механики грунтов, осно­ваний и фундаментов МИСИ, успешно применен при строительстве ряда объектов Карагандинского металлургического комбината*.

В зависимости от размеров котлована и грунтовых условий шпунтовые стенки устраивают без креплений (консольные шпунтовые стен­ки), с распорным и анкерным

креплением (рис. 14.5).

Консольные стенки приме­няют при относительно неглу­боких котлованах (до 5 м). Устойчивость такой стенки обеспечивается погружением шпунтин ниже дна котлована на необходимую глубину. До­стоинством консольных сте­нок является отсутствие кон­струкций, загромождающих котлован, что облегчает про­ведение земляных и других видов работ. Однако, работая как консоль, такие стенки испытывают значительные из­гибающие моменты от давления грунта, поэтому должны иметь достаточно мощное поперечное сечение. Для устройства консоль­ных стенок используется, как правило, стальной шпунт корытного профиля. Распорные крепления применяют при ширине котлована до 15 м. В зависимости от глубины котлована они могут быть с одним ярусом распорок, с. двумя и т. д.

Расчет шунтовых ограждений. Шпунтовые стенки рассчитыва­ются по первой группе предельных состояний. Если необходимо, проверяют также и общую устойчивость стенки, т. е. ее устой­чивость вместе с массивом грунта на сдвиг вдоль поверхности (обычно круглоцилиндрической), расположенной вне пределов си­стемы «шпунт— анкерное устройство».

Большинство применяемых на практике методов расчета шпун­товых стенок базируются на классической теории предельного рав­новесия грунтов их принято называть классическими методами. Классические методы были разработаны для определе­ния размеров безанкерных стенок или же заанкеренных, но име­ющих некоторое горизонтальное перемещение в точке анкеровки. Примененные для расчета сооружений такого типа, они дают в бо­льшинстве случаев удовлетворительные результаты с точки зрения обеспечения безопасности, но иногда завышенные, что касается изгибающих моментов. При расчете шпунтовых стенок, не име­ющих подвижки в точке анкеровки, эти методы могут серьезно недооценивать усилия в анкерах, что необходимо учитывать при проектировании, вводя в расчет анкеров повышенный коэффициент запаса.

Безанкерные шпунтовые стенки. Задача расчета безанкер- ной шпунтовой стенки состоит в определении глубины ее забивки, усилий, действующих в стенке, и размеров поперечного сечения шпунта. При расчете безанкерных шпунтовых стенок принимается, что под действием активного давления грунта стенка со свободным верхним концом поворачивается относительно неподвижной точки О, расположенной на некоторой глубине 1_й ниже дна котлована (рис. 14.6, а). Выше точки О с наружной стороны стенки действует пассивное давление грунта, а с внутренней — активное, ниже точки .0 — наоборот. Устойчивость стенки обеспечивается вследствие уравновешенного активного и пассивного давлений грунта с разных ее сторон. Поскольку для развития максимального активного давления достаточно очень небольшого перемещения стенки, оно, как прави­ло, равно предельному, за исключением небольшого участка, рас положенного в непосредственной близости от точки вращения.

Сте­пень развития пассивного давления с одной и с другой стороны стенки зависит от величины ее перемещения в значительно большей мере. В результате получается достаточно сложная криволинейная эпюра давлений грунта на стенку (рис. 14.6, б),С целью упрощения расчёта эта эпюра заменяется на более простую, построенную при следующих допущениях: давление, действующее на стенку выше точки поворота О, являет­ся предельным активным давлением со стороны насыпи и предель­ным пассивным давлением со стороны выемки; давление грунта на стенку ниже точки О заменяется сосре­доточенной силой Е'_р, приложенной в точке О, как показано на рис. 14.6, в. Задача становится статически, определимой с двумя неизвест­ными (₀ и Е'_р, которые находятся из уравнений равновесия. Равнове­сие моментов относительно точки О приводит к уравнению третьей степени относительно t₀; t₀, будучи определена, позволяет найти Е'_р из уравнения равновесия горизонтальных сил. Дальнейший расчет состоит в определении усилий, действующих в стенке, и. подборе ее сечения. Отметим, что при расчете безанкерных шпунтовых стенок актив­ное и пассивное давления грунтов определяются без учета сил трения, возникающих между стенкой и грунтом. В настоящее время это считается общепринятым и обеспечивает необходимый запас устойчивости стенки.

3аанкеренные шпунтовые стенки. Задача расчета состоит в определении необходимой глубины заложения стенки ниже дна котлована, усилий, действующих в стенке и анкерах, а также раз­меров поперечного сечения стенки и анкеров. В зависимости от жесткости стенки и условий ее заделки исполь­зуются две расчетные схемы, приведенные ниже. Критери­ем, по которому оценивается жесткость стенки, является

При считается, что стенка имеет повышенную жест­кость и ее следует рассчитывать по схеме «свободного опирания». Как правило, это стенки из железобетонного шпунта, буронабивных свай, свай-оболочек и т. п. Стенки из металлического шпунта обыч­но рассчитывают по схеме «заделанной стенки». Свободно опертая стенка. Расчет шпунтовой стенки по схеме свободного опирания (схема Э. К. Якоби) исходит из предположе­ния, что в момент потери устойчивости стенка под действием сил активного давления грунта Е_а со стороны, противоположной котло­вану, будет поворачиваться вокруг точки крепления анкера (рис. 14.7, а). При этом смещение заделанной части стенки в сторону котлована приведет к выпору грунта и возникновению соответствующего реак­тивного (пассивного) давления Е_р. Упрощенная расчетная схема, соответствующая вышеизложенному, показана на рис. 14.7, б. Приняв точку крепления анкера О неподвижной, длину заделки (₀, обеспечивающую статическое равновесие стенки, и усилие в ан­кере К определяют из уравнений равновесия Пассивное давление грунта Е_р определяют с учетом сил трения между стенкой и грунтом по формулам § 6.5. За расчетное значение заделки принимают Заделанная стенка (схема Блюма — Ломейера). Расчет заанкеренного шпунта методом Блюма — Ломейера, называемым также методом упругой лиши, ведется в предположении, что нижний участок забитой части стенки полностью защемлен в грунте. Диа­грамма усилий, действующих на стенку, строится на основании упрощающих допущений, аналогичных принятым для расчета безанкерных стенок:пассивное давление со стороны насыпи заменяется сосредоточен­ной силой Ё_р, приложенной в точке 0;

точка О расположена на расстоянии 0,2t_о от нижнего конца стенки (рис. 14.8);давление, действующее на стенку выше точки О, яв­ляется предельным актив­ным давлением со стороны насыпи и предельным пас­сивным давлением со сто­роны выемки.Таким образом, пробле­ма содержит три неизвестные: t, R (усилие в анкере) и Е_р; в связи с этим решение не может быть найдено, как это было сделано в предыдущем случае, только из уравнений равновесия, поэтому нужно найти какое-то добавочное условие. Таким добавочным условием при расчете по методу упругой линии является равенство нулю угла поворота защемленного участка, что означает вертикальность касательной к упругой линии стенки в точке О. Расчёт производится методом последовательных приближений. Сначала принимается какое-то значение I и определяется положение точки О. Из уравнений равновесия находят R и Ё_р, строят эпюру изгибающих моментов выше точки О и путем двойного интег­рирования — упругую линию стенки (две постоянные интегрирова­ния определяются из условия, что точка анкеровки и точка О явля­ются неподвижными, перемещения в этих точках равны нулю). Затем рассчитывают поворот в точке О, который с первой попытки, как правило, не получается равным нулю. Расчет повторяют с дру­гим значением (, и так до тех нор, пока не получат вертикальную касательную. Дальнейший расчет заключается в построении эпюры изгибающих моментов и определении М _max по которому проверя­ют и при необходимости изменяют сечение шпунта.