Укрепление и усиление оснований и фундаментов, Как производится усиление конструкций и грунтов оснований

Способы усиления грунтов оснований

Усиление грунтов в основании фундаментов заключается в следующих основных способах, которые в настоящее время широко применяются при реконструкции зданий и сооружений.

Инъектирование укрепляющими растворами. Укрепление грунтов с помощью инъекций цемента с каждой стороны фундамента (см. рис. 4.8) и цементация грунтов (цементация при наличии крупнообломочных пород, двухрастворная последовательная силикатизация для крепления средних и мелких песков, однорастворная силикатизация для лессов и суглинков, осмоление песков, глинизация лессов; электросиликатизация глин и суглинков.

Усиление основания с помощью перечисленных видов инъекций выполняется путем образования отдельных укрепленных объемов грунта ориентировочно радиусом до 0,8 м.

Нередко возникают ситуации, когда требуется усиление или реконструкция фундамента уже существующего здания. Такие ситуации возникают при плохом состоянии тела фундамента, локального разуплотнения грунтов основания из-за воздействия грунтовых вод (если гидроизоляция была проведена неудовлетворительно). В этом случае применяются различные методы цементизации грунтов основания фундамента. Цементизация грунтов основания также требуется, когда задние надстраивают: нагрузка на фундамент может значительно увеличиться, после чего возникает проседание (это нередкое явление, поскольку при закладке фундамента просчитывается проектная нагрузка). Если рядом с уже существующим зданием начинается строительство нового, то может возникнуть разуплотнение грунтов основания. Особенно это ярко проявляется, когда откопка котлована или бурение ведутся неправильно и возникает горизонтальная вибрация. В этом случае также приходится осуществлять цементизацию грунтов основания существующего здания.

В целом цементизация проводится в двух различных вариантах. Первый — это цементизация самого фундамента. При реализации данного метода в тело фундамента и его подошву вводится твердеющий раствор (предварительно в фундаменте бурятся специальные скважины). При этом пустоты в основании фундамента заполняются прочным материалом, предохраняющим кладку от разрушения. Данный метод также носит название инъекционной цементизации (см. рис. 4.9).

Одним из основных видов повреждения каменных кладок являются трещины. К повреждениям, ослабляющим кладку, относится множество разновидностей расслоений кладки, нарушение сцепления между материалом кладки и скрепляющими растворами. Данные повреждения хорошо поддаются реконструкции и не требуют закрепления грунтов. В других случаях возросшую нагрузку могут не выдержать не только сам фундамент, но и грунты основания. Тогда укрепление грунтов проводят методом введения буроинъекционных свай. В результате данных работ получаются железобетонные сваи, которые одним концом упираются в фундамент, а другим — в устойчивые грунты основания (см. рис. 4.10).

От обычной цементизации грунтов основания метод буроинъекционных свай отличается расположением скважин. При обычной цементизации скважины располагаются по прямоугольной сетке, с постепенно сближающимся шагом. Закрепление грунтов основания буроинъекционными сваями позволяет значительно сократить количество скважин: они бурятся только и непосредственно под карстовыми слоями. Нужно сразу оговориться, что цементизация грунтов основания с помощью буроинъекционных свай — метод достаточно дорогостояший, но при этом он позволяет добиться желаемого результата на длительный период.

В большинстве случае при отсутствии прочих (непредусмотренных) повреждающих воздействий результат цементизации грунтов основания сохраняется на протяжении пятидесяти лет. Обычно под непредусмотренными условиями понимается возникновение вибрации. Причиной появления горизонтальной вибрации может послужить строительство нового здания рядом с уже существующим или проведение дополнительных подземных коммуникаций. Горизонтальная вибрация вызывает деформации не только фундамента существующего здания, но и грунтов основания. Последние сравнительные испытания различных методов цементизации грунтов основания показали, что применение буроинъекционных свай, несмотря на относительную дороговизну этого метода, позволяют в два раза снизить материалоемкость и трудоемкость работ по закреплению карстующихся слоев, что в свою очередь существенно уменьшает проектную стоимость здания.

2. Термический способ, заключающийся в сжигании топлива в скважинах и создании таким образом прочных грунтовых столбов, которые являются как бы переходной конструкцией от оснований к фундаментам. Применяется в лесовых, лесовидных и глинистых грунтах.

3. Устройство буроинъекционных корневидных свай для одновременного усиления фундаментов и нижних участков стен. По этому способу применяются набивные сваи диаметром от 89 до 280 мм при длине от нескольких до десятков метров (примерно 7—40 м). Для образования таких свай предварительно сверлят отверстия буровыми ставками. В отверстие можно заложить арматуру диаметром примерно 12—16 мм. Бетонирование ведут под давлением в 3—6 атм. через трубы диаметром 18—60 мм

В неустойчивых грунтах применяют обсадные трубы, которые в особо трудных случаях не извлекают обратно. Расстояния между сваями принимают от 3 до 5 их диаметров.

Оригинальной конструкцией усиления оснований, а одновременно фундаментов и даже нижних участков стен является устройство буроинъекционных корневидных свай (рис. 4.9, д). Они представляют собой набивные сваи диаметром от 89 до 280 мм при длине от нескольких до десятков метров (примерно 7—40 м). Для образования таких свай предварительно сверлят отверстия буровыми ставками. В отверстие можно заложить арматуру диаметром примерно 12.16 мм. Бетонирование ведут под давлением в 3—6 атм. через трубы диаметром 18—60 мм. В неустойчивых грунтах применяют обсадные трубы, которые в особо трудных случаях не извлекают обратно. Расстояния между сваями принимают от 3 до 5 диаметров их.

Способов и конструкций по укреплению фундаментов разработано очень много. К ним относятся приемы, сходные с используемыми для усиления оснований, т. е. инъекции различных растворов. Инъекции делают цементным раствором составов от I : 10 до 1 : 1 под давлением от 2 до 10 атм.

При очень плохом состоянии материала фундамента раствор вводят непосредственно в разрушенные камни, в особенности в случаях, когда кладка была выполнена из мелких камней (рис. 4.9,в). При несколько лучшем состоянии и более крупных камнях, когда разрушены только швы и стыки кладки, инъекцию делают в эти места, между камнями (рис. 4.9,г).

Если в кладке фундамента разрушен только наружный слой, можно укрепить его способом торкретирования поверхности кладки цементным раствором для создания защитного слоя

Более сложные конструктивные изменения фундаментов производят главным образом для их усиления при увеличении полезной нагрузки в здании. Такие конструкции изображены на рис. 4.11. Здесь предусмотрены способы уширения подошвы фундамента, усиления существующей конструкции фундамента и даже передача давления от фундамента на выносные опоры.

На рис. 4.11,а изображено расширение подошвы фундамента путем замены нижних рядов кладки бетоном. На рис. 4.11,6 показано увеличение ширины фундамента с одновременным усилением его конструкции с помощью обетонирования его на всю высоту. При этом обеспечивается связь бетонного слоя вбитыми в швы кладки стержнями из арматурной стали диаметром порядка 20 мм. На рис 4.11,в изображен способ усиления фундамента и увеличения подошвы основания в виде железобетонной обоймы путем устройства горизонтальных отверстий в кладке и соединением обойм каждой стороны арматурными стержнями, располагаемыми на расстояниях через одну — полторы ширины подошвы фундамента.

На рис. 4.11,г изображено укрепление фундамента с увеличением его подошвы путем устройства бетонной обоймы и передачей на нее нагрузки с помощью поперечных металлических или железобетонных балок и арматурных стержней в нижней части кладки фундамента. Расстояние между балками можно ориентировочно принять равным высоте их от подошвы основания.

На рис. 4.11 ,д показана та же конструкция, но с введением еще продольных балок, что позволяет увеличивать расстояние между поперечными балками до 3—4 м и более. На схеме рис. 4.11 ,е изображено решение, состоящее в том, что набравшие прочность железобетонные обоймы, связанные внизу металлическими стержнями, отжимают домкратами. Вследствие этого происходит натяжение металлических стержней, увеличивается ширина подошвы и обжимается грунт.

На рис. 4.11, ж, и изображены способы увеличения ширины и несущей способности фундамента устройством консольных плит из монолитного железобетона или сборных плит с расположением их под подошвой или несколько выше ее. Одновременно может потребоваться укрепление стены устройством металлических креплений.

На рис. 4.11,к,л изображены конструкции, с помощью которых нагрузка выносится за пределы подошвы фундамента в наружных стенах с большим заглублением фундамента и во внутренних несущих стенах.

Следует учитывать, однако, что после устройства двух последних конструкций может произойти осадка вновь сооружаемых выносных частей фундамента, что приведет к опасным деформациям в стенах. Поэтому такого рода конструкции не могут быть рекомендованы.

Замена отдельных участков фундамента производится небольшими, до 2 м длины участками, в строго определенной последовательности. При работе должна быть сохранена незатронутая часть длины фундамента протяжением не менее двух уже замененных участков.

Как производится усиление конструкций и грунтов оснований

Усиление фундамента необходимо, когда происходит физический износ подземных элементов конструкций, а также основания сооружения. И причина износа фундамента может быть различной. Это могут быть техногенные или природные факторы.

Привести к износу фундамента могут различные факторы — природные или техногенные. Проводя капитальный ремонт, усиление фундамента — актуальная и важная задача. В результате продолжительной эксплуатации материалы фундаментов выветриваются и обводняются. Они выщелачиваются из-за недостатка надежности системы отвода влаги от строения. Металлические элементы конструкций портятся от коррозии. Что касается деревянных частей, то они разлагаются и сгнивают.

Из-за деформации грунтов вкладке оснований появляются трещины. И в этом случае необходимо произвести усиление грунтов основания и фундамента. То же касается ремонта трещин в фундаменте и стенах дома, а также выравнивания или подъема пола.

В результате внушительного износа несущих конструкций возникает опасность аварийной ситуации. И в этом случае потребуется ремонт, достаточно дорогой. Решение принимать нужно как можно раньше. В результате будет намного быстрее и дешевле предотвратить проблему.

Причиной могут стать конструктивные ошибки — это может быть непредусмотренная нагрузка или недостаточная глубина залегания фундамента при обустройстве. Подобные ошибки допускаются на этапе проектирования, когда проводится некомпетентная оценка грунтов и расчет на основе несущей способности основания. Также возможно, что дом строится без проекта.

Существуют различные способы усиления. Из наиболее распространенных способов ремонта фундамента стоит выделить ремонт с использованием свай или рубашкой из железобетона, а также увеличением подошвы и бетонными отливами. То же касается бетонных обойм и торкретобетоном.

Вы сможете выбрать наиболее подходящий для вашего конкретного случая способ, который оптимально будет соответствовать возникшим проблема и быстро поможет их решить.

Когда необходимо усиление грунтов основания

Выделяются несколько типовых обстоятельств, требующих вмешательства профессионалов, применяющих инъектирование укрепления грунтов цементом:

• при восстановлении свойств несущей конструкции разрушающегося здания;
• во время организации строительных работ в потенциально-опасной зоне, имеющей плохие инженерно-геологические характеристики;
• при увеличении нагрузки здания на основание в результате проведенных работ по перепланировке, реконструкции, надстройках и возведении дополнительных этажей;
• при допущенных ошибках строителей при возведении несущих конструкций;
• при негативном влиянии грунтовых вод;
• во время температурных колебаний;
• при неравномерной усадке строения.

Какие методы укрепления используются профессионалами

Для реализации задуманной идеи под каждый объект, с учетом его конструктивных особенностей, а также свойств материалов, из которых состоит фундамент, разрабатывается индивидуальный проект для улучшения характеристик грунта.

К физическим и химическим способам, используемым профессионалами, следует отнести:

• Силикатизацию. В грунт и основание фундамента инъецируется смесь с содержанием жидкого стекла. Процесс происходит под определенным давлением. Нагнетание раствора осуществляется в специальные отверстия. В них вставляются трубы – инъекторы.
• Цементацию. Закрепляет основания с определенным типом просадки. Они состоят из водонепроницаемой, трещиноватой скальной породы, лесса и песчинок крупных размеров. Для инъецирования используется водоцементный раствор. Смесь нагнетается благодаря определенному давлению. Она способна заполнить все имеющиеся поры в грунте, образовав основание высокой прочности.
• Смолизацию. В грунт инъецируются синтетические и полимерные смолы. В их составе присутствуют отвердители. Данный способ усиливает пылеватые, мелкие пески, супеси и суглинки. Здесь инъекторы могут устанавливаться под разным наклоном и в любой плоскости – вертикально или горизонтально.
• Глинизацию. По вышеописанным принципам в грунт нагнетается глинистая суспензия. Данный раствор снижает фильтрующие характеристики песчаных оснований. Грунт заиливается, создавая водоупорную зону.
• Битумизацию. Также, как и при глинизации, происходит снижение фильтрационных характеристик грунта. Данный способ эффективен при высокой скорости грунтовых потоков. Различают холодную и горячую битумизацию. При горячем способе происходит нагнетание расплавленного битума. Холодная битумизация предполагает подачу битумной эмульсии.

Конструктивные методы усиления

Также усиливать грунты можно с помощью основных конструктивных методов:

• Грунтовых подушек – слабонесущий грунт заменяется малосжимаемым песком, щебнем, шлаками.
• Шпунтовых ограждений – предотвращает выпирание слабонесущих оснований. Ограждающая конструкция монтируется из свай.
• Армирования. Повышает прочность и устраняет просадку. В почву внедряются высокопрочные элементы в виде бетона, железобетона и других.

Методы улучшения характеристик грунтов основания­­

Согласно статистике, основная причина возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации зданий и сооружений — это нарушение работы оснований и фундаментов. Обычно это связано с отсутствием достоверной информации о геологических условиях и характеристиках грунтов площадки размещения объекта, принятием неправильных решений на стадии проектирования и не качественным выполнением строительных работ.

Характерными признаками несоответствия конструкций основания и фундаментов здания требуемым параметрам являются трещины в наружных стенах, цоколе, перекосы дверных и оконных проемов, неравномерная осадка и другие. Своевременно выполненные работы по выявлению повреждений в конструкциях и усилению дефектных элементов, в том числе — грунтов основания, являются условием надежной и безаварийной эксплуатации зданий.

Почему возникает необходимость в улучшении качества оснований

Усиление грунтов основания может выполняться как для восстановления эксплуатационных характеристик существующих сооружений, так и при строительстве новых. В первом случае точные причины нарушения работы строительных конструкций определяются в процессе выполнения технического обследования. Наиболее распространенными среди них являются следующие:

• ухудшение геологических условий площадки с течением времени;
• увеличение нагрузок, передаваемых зданием на фундамент, при выполнении реконструкции, надстройки этажей, установке дополнительного оборудования;
• появление ранее не учтенных нагрузок от возведения нового здания рядом с существующим;
• проявление просадочных свойств грунта основания при его замачивании грунтовыми и поверхностными водами природного и техногенного происхождения;
• вымывание и выпирание грунта основания при разработке рядом с существующим фундаментом котлована под новое здание;
• динамические и вибрационные нагрузки, возникающие при выполнении строительно-монтажных работ рядом с существующим зданием;
• промерзание грунта в зимний период;
• неравномерная осадка фундаментных конструкций;
• деформация фундаментов с появлением трещин, сколов, нарушением защитного слоя бетона, оголением и коррозией арматуры

При строительстве на вновь отведенной площадке необходимость в усилении грунтов, а также целесообразность выполнения этих работ с экономической точки зрения, определяются по результатам инженерно-геологических изысканий. Метод усиления грунтов принимается в комплексе с техническими решениями по устройству фундаментов при проектировании.

Оценка состояния оснований и фундаментов

Комплексное обследование и оценка технического состояния конструкций здания (в том числе, оснований и фундаментов) выполняется для выявления нарушений в их работе, обоснования причин и определения возможных последствий деформаций. По результатам оценки производится выбор наиболее надежных и экономичных компенсирующих мероприятий, исключающих дальнейшее развитие деформаций. Работы включают в себя несколько этапов.

Вначале производится изучение и анализ имеющейся изыскательской и проектной документации, данных предыдущих обследований (если таковые были). Затем выполняется визуальный осмотр наземной части здания для определения характера деформаций (фасады, несущие стены, колонны). Во внимание принимается окружающая обстановка: наличие рядом с обследуемыми конструкциями других сооружений, котлованов, автомобильных и железных дорог.

В подземной части здания обследованию подлежат непосредственно конструкции фундаментов и несущее основание. Для осмотра фундаментов и инструментального анализа материалов в контрольных точках по периметру здания отрываются шурфы. Глубина шурфа принимается на 0,5 м ниже подошвы фундамента. В результате осмотра и инструментальных замеров определяются геометрические параметры фундамента, качество материалов, состояние гидроизоляционной защиты, наличие повреждений.

Обследование грунта выполняется методом бурения скважин с отбором и анализом образцов. Таким образом определяются остаточные физико-механические свойства основания. По итогам выполненных работ производятся поверочные расчеты с определением реальной несущей способности грунтов и фундаментных конструкций, выдается заключение о ее достаточности. При выборе варианта усиления конструкций фундаментов и грунтов принимаются наиболее технически и экономически обоснованные решения.

Методы усиления грунтов основания

В отличие от усиления различных конструктивных элементов здания (таких как стены, колонны, фундаменты), типовые решения по улучшению характеристик грунтов основания отсутствуют. Закрепление производится по индивидуально разработанному проекту с применением принципов конкретного метода. К основным методам усиления грунтов относятся: физико-химические, механические (уплотнение) и конструктивные.

Физико-химические методы

Наиболее современными и высокоэффективными считаются физико-химические методы усиления грунтов. Среди них выделяют следующие.

Силикатизация — инъецирование грунтов основания растворами жидкого стекла. Раствор подается под давлением до 0,6 МПа в предварительно пробуренные скважины через перфорированные трубы. Метод используется для повышения прочности песков различной крупности, насыпных грунтов. В процессе силикатизации вокруг каждой скважины создается столб упрочненного основания диаметром до 2 м.

Цементация применяется для закрепления грунтов просадочного типа, водопроницаемых, трещиноватых скальных пород, лессов, крупного песка. Инъецирование грунтов производится водоцементным раствором (иногда с добавлением песка) под давлением до 10 МПа. В результате цементации раствор заполняет поры грунта, образуя новое, высокопрочное основание.

Смолизация предполагает инъецирование в грунты основания синтетических смол с отвердителями. Метод используется для усиления пылеватых, мелких песков, супесей и суглинков. Применяются вертикальный, горизонтальный и наклонный способы установки инъекторов.

Глинизация, или нагнетание глинистой суспензии, производится с целью снижения фильтрующих свойств песчаного основания. В результате проникновения глинистых частиц в поры грунта происходит его заиливание и тампонаж с созданием водоупорной зоны. Метод используется при небольшой скорости течения грунтовых вод, так как частицы глины могут выноситься потоком.

Битумизация также является способом снижения фильтрационных свойств грунта и применяется при высоких скоростях движения грунтовых вод. Существуют методы горячей и холодной битумизации. В первом случае в предварительно пробуренные скважины подается расплавленный битум, а во втором — битумная эмульсия. В обоих случаях результатом является создание водонепроницаемой зоны вокруг инъектора.

Термическийспособ используется для усиления грунтов, обладающих просадочными свойствами. Суть метода состоит в сжигании топлива в предварительно пробуренной скважине. Для возможности горения топлива на глубине в скважину подается воздух. Устранение просадочных свойств грунта происходит под воздействием температуры от 400 до 800 градусов Цельсия. Каждая скважина позволяет произвести закрепление массива грунта диаметром до 2,5 м.

Усиление грунтов основания конструктивными элементами

Основными конструктивными методами усиления являются следующие:

• грунтовые подушки. Метод заключается в замене слабонесущего грунта, расположенного под фундаментом на малосжимаемый. В качестве последнего используют песок, щебень, некоторые виды шлаков. При укладке грунт подвергается уплотнению во избежание его последующей осадки;
• шпунтовые ограждения. Метод используется для предотвращения выпирания слабонесущего основания из-под фундамента. В этом случае по периметру фундамента на минимальном от него расстоянии монтируется ограждение из свайных конструкций. Сваи забиваются в слой плотного грунта, проходя насквозь через слабонесущий.
• армирование. Способ позволяет повысить прочностные характеристики грунта и устранить просадочность. Армирование подразумевает внедрение в грунт дополнительных высокопрочных элементов, которые при совместной с ним работе обеспечат требуемые характеристики основания. В качестве армирующих элементов используются бетон, железобетон, грунтоцемент, цементно-песчаный раствор и другие.
• противофильтрационные завесы. Метод применяется для предотвращения фильтрации подземных вод через грунт основания. Мероприятие осуществляется путем заливки тиксотропной суспензии в предварительно подготовленные скважины. Суспензия готовится на основе бетонитовой глины, которая способна поглощать воду в больших количествах, а после загустевания создавать водонепроницаемый экран.

Механические способы

Механические способы усиления грунтовых оснований представляют собой различные варианты их уплотнения. Различают два основных способа уплотнения: поверхностное и глубинное.

Поверхностное уплотнение производится при помощи трамбовок, катков, грузоуплотняющих машин, вибраторов. Данный способ, как правило используется при необходимости выполнить уплотнение на глубину до 1,5-2 м. Однако, применение тяжелых трамбовок и трамбующих машин позволяет уплотнять основание глубиной до 10 м. Существуют также методы вытрамбовывания котлована под фундамент трамбовками, имеющими форму самого фундамента.

Глубинное уплотнение грунтов осуществляется такими способами:

• устройство грунтовых и песчаных свай в насыпных грунтах, лессах, обладающих просадочными свойствами. Метод предполагает забивку в основание трубы, в процессе чего происходит уплотнение окружающего грунта. После забивки труба заполняется песком с послойным уплотнением. По мере засыпки песка труба постепенно извлекается из грунта. Сваи располагаются в шахматном порядке так, чтобы усиленные зоны грунта перекрывали друг друга;
• виброуплотнение с использованием специального оборудования — вибраторов, вибробулавы. Метод используется для усиления песчаных водонасыщенных грунтов и заключается в погружении вибрационного снаряда в толщу грунта;
• предварительное замачивание позволяет устранить просадочность грунта основания. Метод, как правило, используется при новом строительстве на достаточном удалении от существующих зданий и сооружений, так как существует опасность замочить их основания.

Еще одним способом механического уплотнения является предварительное обжатие грунтов. Обжатие производится путем нагружения насыщенного водой слабого основания временной насыпью, в результате чего вода выдавливается из пор грунта с последующим его уплотнением. При этом давление, создаваемое насыпью должно превышать давление от проектируемой конструкции. Обжатие можно произвести и путем понижения уровня грунтовых вод с откачкой их через скважины или при помощи организации дренажа.

Конструктивные методы создания искусственно улучшенных оснований

Методы предусматривают:

• замену слабого слоя грунта основания (устройство грунтовых подушек);
• выполнение шпунтовых ограждений;
• армирование грунта;
• устройство боковых пригрузок (каменная, песчано-гравийная отсыпка), устройство противофильтрационных завес.

Приведем краткие характеристики конструктивных методов создания искусственно-улучшенных оснований.

Устройство грунтовых подушек (рис. 3). Грунтовые подушки выполняют из средне- и крупнозернистого песка или из щебня, гравия и гравийно-песчаных смесей, когда они являются местными материалами или при устройстве подушек в зимнее время.

Рис. 3. Схема устройства грунтовой подушки: 1 — слабый грунт; 2 — грунтовая подушка; 3 — контур котлована; 4 — фундамент

Грунтовые подушки устраиваются в слабых сильносжимаемых грунтах, каковыми являются иль, связные грунты в текучем состоянии, торф, заторфованные, насыпные и пучинистые грунты.

Материал, который должен использоваться в качестве подушки, должен быть удобоукладываемым, устойчивым при движении подземных вод, иметь относительно высокое сопротивление к сдвигу и заданную (расчетную) плотность во избежание осадок в результате замачивания или динамических нагрузок. Если местные грунты поддаются уплотнению, то подушки можно устраивать с их применением вместо песка. Супеси, суглинки, глины в качестве подушек используют выше уровня подземных вод. Укладываются они при определенной влажности с тщательным контролем над однородностью состава и степенью их уплотнения.

Когда слабые грунты имеют значительную толщину, устраивают двухъярусное (двухслойное) основание. На естественном основании устраивают грунтовую подушку, толщина которой определяется расчетным путем исходя из давления, которое можно передать на подстилающие ее грунты. При определении других геометрических размеров (длины, ширины) необходимо учитывать сопротивляемость к горизонтальному давлению грунта, расположенного по сторонам от нее, чтобы исключить возможную деформацию подушки по длине и ширине.

При возможном проявлении суффозии и при заложении фундамента выше расчетной глубины сезонного промерзания не рекомендуется устраивать грунтовые подушки.

Устройство шпунтовых ограждений (рис. 4). По периметру фундаментной плиты выполняется сплошная шпунтовая стенка, воспринимающая боковое давление грунта.

Рис. 4. Схема устройства шпунтового ограждения: 1 — слабый грунт; 2 — шпунты; 3 — фундаментная плита

Шпунт забивается по всему периметру фундамента, чтобы избежать выпирания слабого грунта из-под фундамента. В этом случае через толщу слабых грунтов в относительно плотный грунт забивают шпунт с заделкой его в фундаментную плиту, под которой устраивают дренирующую песчаную подсыпку. Такое решение возможно под сооружениями, допускающими значительную осадку.

Армирование грунта (рис. 5). Сущность способа заключается во введении в него специальных армирующих элементов, уменьшающих его сжимаемость и увеличивающих его прочность. Армирование производится в виде лент или сплошных матов, выполненных из геотекстиля.

Рис. 5. Схема армирования грунтов: 1 — слабый грунт; 2 — композит для армирования; 3 — контур котлована

Армирование грунтов для повышения несущей способности оснований очень актуально для зданий, построенных на склонах. Выбор из множества методов и способов зависит от геологических условий, этажности здания, густонаселенности и других факторов местности нахождения зданий.

Устройство боковых пригрузок (рис. 6). Устройством пригрузок основания и низовой части откосов можно повысить устойчивость откосов, а также основание грунта под ее подошвой. Пригрузки выполняются из крупнообломочных или песчаных грунтов.

Рис. 6. Схема устройства боковых пригрузок: 1 — слабый грунт; 2 — насыпь; 3 — боковые пригрузки из крупнообломочных и песчаных грунтов

Искусственное повышение несущей способности грунтов на склонах

Деформации оснований очень часто происходит у зданий и сооружений, построенных на склонах (см. рис. 1), поэтому закрепление грунтов на склонах имеет очень важное значение при реконструкции, когда в силу усиления некоторых конструкций увеличивается нагрузка как на фундаменты, так и на грунты основания. Но и любой участок земли, находящийся под наклоном, подвержен эрозиям почвы. Крупномасштабные склоны представляют опасность для жизни человека, так как на них могут происходить оползни и смещения грунта. Берега водоемов и поверхности оврагов подвижны, если под их верхним слоем находится глинистый грунт. Избежать разрушения почвы поможет укрепление склонов.

Самыми распространенными методами в настоящее время являются методы с применением керамических блоков, геотекстиля, геосеток, габионов, геоматов, георешеток и т. д. Они ежегодно усовершенствуются, и встречаются комбинированные методы, сочетающие матрацы Рено, габионы Маккаферри с полимерными, композитными материалами и наноматериалами.

Выбор способа зависит от уклона склона. Еще в древние века грунты на склонах закрепляли посадкой деревьев с разветвленной корневой системой: айвы, кизильника, бузины, барбариса, шиповника, плетистой розы. Однако такое закрепление подходит для склонов с уклоном не более 8 %.

При уклонах до 15 % используют биоматы и геосетки (рис. 7).

Рис. 7. Внешний вид: а — биомата; б — геосетки

Биоматы — многослойное полотно, состоящее из натуральных волокон, наложенных на тонкий слой целлюлозы и укрепленных двумя слоями полипропиленовой светочувствительной сетки или двумя слоями джутовой сетки. Это полотно прошито с обеих сторон полипропиленовой или джутовой нитью. По составу волокон биоматы подразделяются на три основных типа: биоматы из соломы, из кокосовых волокон, смешанного типа (из соломы и кокосовых волокон).

Биоматы являются аналогом плодородного слоя почвы, они содержат семена многолетних растений и все необходимое для их активного питания. Разлагаемая под воздействием солнечного ультрафиолета и воды основа материала обеспечивает стабильность этого искусственного слоя, его устойчивость к воздействию атмосферных явлений вплоть до полного прорастания семян и появления растений. Биоматы используют для восстановления склонов и ровной поверхности грунта, подверженных влиянию эрозийных процессов.

Технологические процессы укладки биоматов следующие:

• очистка поверхности от камней и ее выравнивание;
• засыпка склона растительным грунтом слоем не более 10 см;
• трамбовка растительного грунта ручным катком;
• фиксирование на поверхности склона верхней части биомата с помощью скоб или кольев.

Размер скобы приблизительно 30 см в длину и 5 см в ширину. Количество и расположение скоб и кольев зависит от величины уклона и от характера грунта.

После этого рулон разматывают и укладывают таким образом, чтобы слой целлюлозы касался поверхности склона; укрепление полотна на поверхности и плотное его прилегание к поверхности грунта. Края полотен биоматов накладывается один на другой приблизительно на 0,1 м.

После укладки полотна, если оно не засеяно, нужно произвести посев трав, укрепляющих грунт по вертикали и горизонтали. Травы выбирают с учетом конкретных условий: почва, крутизна склона, ветры, загазованность и их эстетические качества растений. При укладке биоматов с семенами производится полив.

После посева трав и закрепления матов проводят мелкокапельный полив склон в течение первых 25 дней. При температуре воздуха выше 25 °С поливают три раза в день. После появления густого травостоя мелкокапельный полив необязателен, но поливают 1…5 раз в зависимости от температуры воздуха и почвы.

Часто биоматы используют при уклоне больше 30 %. Тогда необходимо поверх биоматов закреплять габионные маты, прикрепив их к поверхности шпильками длиной 40…50 см. Маты рекомендуется на 1,5…2,0 м завести за верхнюю кромку склона.

Одна из разновидностей биоматериалов для укрепления поверхности — биосетка. За счет высоких прочностных характеристик она может достаточно эффективно решать вопросы армирования поверхностного слоя грунта на склонах. Для укрепления и озеленения склонов, террас, откосов и т. д. также можно применять биополотно.

Биополотно — нетканый иглопробивной или нитепрошивной материал из органических волокон или соломы. Перегнивая, биополотно создает благоприятные условия для роста травянистой растительности, которая укрепляет склоны, а весь период своего существования биополотно поддерживает растения, пока они не получат разветвленную корневую систему. Биоинженерные технологии, создавшие подобные натуральные конструкции, способствуют укреплению устойчивости почвы на склонах и предохраняют ее от эрозии.

Геосетка — это сетка с квадратными ячейками, разработанная для строительства на слабых грунтах. Геосетки стеклянные (из стеклянных нитей) и полиэфирные применяют в качестве армирующих элементов для укрепления склонов.

Обладая высокой жесткостью, геосетка позволяет выдерживать значительные нагрузки при очень низких деформациях. Специальная пропитка обеспечивает устойчивость геосеток к агрессивным воздействиям.

Технологические процессы укладки геосетки следующие:

При помощи ручных катков или вручную поверхность выравнивают и уплотняют.

Рулоны геосетки распределяют по длине участка работ через расстояние, соответствующее длине полотна в рулоне. Высота геосетки определяется при проектировании и выбирается в зависимости от нагрузки. Стенка ячейки геосетки служит также для защиты растений от повреждений и возможного смыва во время осадков.

Раскатку рулонов и укладку полотен можно выполнить вручную. Схема укладки геосетки приведена на рис. 8.

Геосетку необходимо разложить в стык и для жесткой фиксации конструкции соединить между собой металлическими анкерами, через 10…15 м разравнивая их с небольшим продольным натяжением. Анкеры — стержни диаметром 3…5 мм и длиной 15…20 см, с отогнутым верхним и заостренными нижними концами. Шаг крепления — каждые 1,0…1,5 м. Крепление полотен геосеток определяется при проектировании конкретных конструкций, и в случаях больших ветровых нагрузок необходимы анкера для крепления геосетки, которые изготавливаются из металлической проволоки в виде П-образных скоб (рис. 9).

Рис. 8. Схема укладки геосетки

Рис. 9. П-образные скобы для крепления геосеток

Перед отсыпкой грунта проверьте качество уложенной сетки путем визуального осмотра. Геосетка должна максимально плотно прилегать к поверхности.

Засыпают геосетку (сначала отдельными кучами) щебнем, камнем или почвой.

Насыпанный грунт разравнивают бульдозером или вручную в зависимости от площади и уклона местности. Толщина засыпаемого слоя должна быть не менее 20 см. Геосетка должна быть полностью покрыта грунтом, чтобы не подвергать ее воздействию прямых солнечных лучей.

Если геосетку закладывают дерном и производят посев трав, следует полить высаженный газон, чтобы обеспечить прорастание и укрепление корней растений. Через 1,5…2,0 недели молодой газон уже зазеленеет.

Если не снимать с созданного газона защитный материал в течение месяца, то корневая система сформируется и свяжет геосетку и грунт в единое целое, что послужит армированию склона. Геосетка под слоем щебня и почвы не дает слоям над собой сдвигаться, поэтому поверхность склона «не просядет» при нагрузках. При достижении высоты травяного покрова более 3 см геосетку визуально уже не видно. Это также имеет значение для закрытия геосетки от воздействия ультрафиолетового облучения. Геосетка пропускает воду и воздух, под ней остаток травостоя перегнивает, но под конструкцией не образуется плесень и не происходит загнивание. Эту методику используют и при благоустройстве детской игровой площадки.

Приведем основные особенности биоматов и геосеток (табл. 1).

Таблица 1. Характерные особенности биоматов и геосеток

Биоматы	Геосетки
Экологичны и при разложении волокон происходит удобрению грунта	Водопроницаема по всей поверхности
Создают оптимальные условия для быстрого прорастания семян	Не разлагается, экологически безопасна
Предохраняют семена от солнечного воздействия, колебаний температуры воздуха, смыва и пр.	Повторяет контур рельефа и создает за счет прорастания растений красивый ландшафт
Выполняют функцию защиты склонов от дождей и ветра	Создает естественную среду обитания для растений и насекомых
	Увеличивает устойчивость грунтов и защищает от коррозии
	Дает возможность прорастанию растений, корневая система которых совместно с решеткой укрепляет грунт
	Транспортируется в сложенном состоянии и занимает малый объем
	Легкая в установке
	Не подвержена влиянию агрессивных сред

Хотя геосетки преимущественно используется для закрепления грунтов до 15 %, они могут использоваться комбинированно и с другими материалами на больших уклонах склонов.

При различных уклонах, даже достаточно больших, в том числе и на склонах с возможностью оползня, применяется способ укрепления армирующими элементами, в качестве которых применяются как натуральные, так и искусственные материалы. Их вживляют в землю с целью создания каркаса и крепят анкерными болтами (рис. 10, 11). Керамические блоки, бревна, крупные камни закапывают вглубь. Если по склону после дождя стекает много воды, между бревен или камней устанавливают лоток для отвода воды. У основания располагают более крупные булыжники, чем вверху горки. Для склона с углом наклона более 60° камни сажают на цемент. После обратной засыпки песком устанавливают водосток.

Рис. 10. Пример укрепления разрушающегося склона бутовой кладкой

Рис. 11. Пример укрепления разрушающегося склона с помощью керамических блоков: 1 — грунт основания; 2 — песчаногравийное основание; 3 — камень-лежень; 4 — дерновый слой; 5 — бордюрный камень-лежак; 6 — направление сползания мини-селя; 7 — направление стока воды; 8 — слив излишней селевой воды; 9 — сток воды в водоотводный лоток; 10 — лоток; 11 — бортовой камень; 12 — растения

В некоторых случаях склон может быть укреплен при помощи камней, врытых в грунт (рис. 12, а) Для его укрепления используют врытые вглубь грунта бетонные блоки (рис. 12, б).

а                                                                              б

Рис. 12. Закрепление грунтов камнями и бетонными блоками

Удержать почву на склоне помогут также доски и бревна, врытые поперек склона, деревянные плашки, вкопанные в землю, и т. д. Выбор конкретного решения зависит от состояния поверхности и грунта склона.

При защите склонов от оползней и разрушения часто используется геотекстиль. Прочность на сдвиг геотекстиля намного выше, чем у почвы. За счет этого свойства комбинация грунта с геотекстилем выдерживает нагрузку намного больше той, которую выдерживает сам грунт. Материал очень технологичен при проведении работ, что сокращает сроки и затрат.

Геотекстиль — это нетканый материал в рулонах, изготовленный из полипропиленовых и полиэфирных волокон иглопробивным методом. Обладает высокой прочностью и водопроницаемостью, увеличивает несущую способность грунтовых оснований, защищает почвы от мороза, предотвращает смешивание слоев при сходах воды, защищает от эрозии. Нетканые геотекстильные материалы используют для усиления склонов с углом наклона до 60°. Длина зоны закрепления анкерами определяется в зависимости от длины склона и его высоты.

Технологические процессы укладки геотекстиля следующие:

Перед укладкой геотекстиля поверхность склона должна быть выровнена.

Если площадка засыпается вровень с поверхностью, то следует вынуть грунт. Глубина выемки 20…50 см, определяется при проектировании. Выемка — и дно, и стены — застилаются геотекстилем. Сверху насыпается слой щебня или гравия. На него снова укладывается геотекстиль. Затем засыпается песок, на него укладывают брусчатку, декоративный камень или плитку. Можно укладывать плитку на цементный раствор, положенный сверху на песок.

Если планируется площадка выше уровня земли (это решение принимается проектировщиками и инженерами-строителями в зависимости от состояния поверхности и уклона), то после выравнивания поверхности на грунт укладывают геотекстиль с перекрытием 20 см. По периметру укрепляемой поверхности устанавливается опалубка. На геотекстиль насыпают песок или щебень, сверху на него укладывается следующий слой полотна, на который снова насыпают песок. На песок нужно уложить цементный раствор, на него положить плитку. Можно обойтись и без цементного раствора, если строители считают, что уклон позволяет это сделать. В таком случае сверху на песок укладывают камень, плитку, брусчатку и т. п. Технология укладки геотекстиля должна строго соблюдаться.

Проследите, чтобы перекрывающиеся части геотекстиля были закреплены костылями, скобами или путем укладки небольшого количества насыпного материала вдоль швов. Костыли и скобы могут быть деревянными и металлическими и иметь длину около 20 см.

Проследите за тем, чтобы укладку геотекстиля производили непосредственно перед его засыпкой заполнителем, особенно во время сильного ветра. Стандартные рулоны геотекстиля имеют ширину 2…6 м.

Характерные особенности геотекстиля:

• не поддается воздействию агрессивной среды, морозоустойчив;
• не образует побочных продуктов;
• не подвержен воздействию грибков и плесени;
• не гниет, не разлагается;
• воспринимает большие нагрузки за счет упругости и выполняет функцию армирования;
• выдерживает большие растяжения (до 120 %);
• за счет фильтрующей способности исключается попадание грунта в поры ткани;
• высокая сопротивляемость механическому воздействию на разрыв и прокалывание;
• легкий и компактный, позволяет уменьшить трудозатраты, транспортные и складские расходы;
• не впитывает воду;
• легко режется ручной и цепной пилой;
• сохраняет проницаемость в грунте даже под давлением и вибрации.

Геомат — это полимерный материал, имеющий водопроницаемую структуру. Создается слоями полипропиленовых решеток, наложенных друг на друга и соединенных между собой термическим способом. По своей структуре геомат напоминает своеобразную мочалку с большим количеством пустот.

Структура геомата защищает верхний слой грунта и закрепляет корни проросших сквозь него растений. Корни проросших растений переплетаются с волокнами материала и образуют вместе с ними прочную систему, которая укрепляет верхний слой почвы на откосах и склонах, защищает от гидроэрозии, выветривания и оползней. Есть широкий спектр возможностей, связанных с использованием геоматов: засев травами, а также заполнение конструкций щебнем, битумом.

Геомат применяют даже на крутых откосах. Использование этого материала позволяет озеленять откосы и склоны с углом наклона до 70°. В сочетании с геотекстилем геоматы используются для усиления и повышения несущей способности склонов.

Характерными особенностями геоматов являются:

• устойчивость к ультрафиолетовому излучению;
• устойчивость к агрессивным средам и воде;
• сохранение свойств при различных температурах (–30…+100 °С);
• низкий уровень огнеопасности и низкий уровень задымления;
• нетоксичность (можно применять в контакте с питьевой водой, например на откосах около родника).

Кроме того, геоматы позволяют сохранять натуральный вид ландшафта; сокращают время и стоимость строительства за счет простоты установки и монтажа, не требующих специальных навыков.

Технологические процессы укладки геоматов:

Перед укладкой геоматов поверхность склона необходимо выровнять и очистить от мусора.

Поверхность должна быть уплотнена, если склон насыпной. Это делают ручными катками весом 20…30 кг.

У основания склона наверху и по нижнему краю роют анкерную траншею глубиной около 30 см. Создают водоотвод — канавы, лотки и т. п., чтобы вода отводилась вниз по желобам и трубам (рис. 13).

Верхние края геоматов закрепляются в этой траншее нагелями или анкерными болтами, также крепление может быть сделано из деревянных рогатин, которые вбиваются в землю молотком. Геоматы должны быть уложены гладкой стороной к земле. В продольном направлении нахлест полотен геоматов должен быть около 15 см, а в поперечном нахлест верхнего полотна мата на нижнее должно составлять 20 см. Шаг нахлеста 1 м. Если геоматы крепятся на крутом склоне, то ставят дополнительные анкера с шагом 0,5 м. В условиях среднего уклона используют два анкера на 1 м2 поверхности (рис. 14).

Рис. 13. Закрепление грунтов геоматами Рис. 14. Закрепление анкеров

Раскатывают рулон и обрезают его на нужной длине, натягивают его, расправляют складки и неровности. При этом геоматы максимально должны прилегать к поверхности склона, повторяя его профиль.

Нижние края геомата должны быть закреплены в нижней анкерной траншее при помощи крепежа (анкеров, нагелей или рогатин). После крепежа краев анкерные траншеи засыпают грунтом и уплотняют.

Далее геоматы засыпают растительным грунтом, так чтобы вся поверхность геомата была закрыта. Слой засыпки 2…5 см. При вероятности схода вод вдоль склона необходимо произвести засыпку щебнем фракции 2…6 мм. Засыпанную почву засевают семенами. При противоэрозионной защите откосов геоматы считаются одним из самых эффективных материалов по технологичности и стоимости конструкции.

Георешетки — наиболее популярное средство для борьбы с оползнями и деформацией склонов в настоящее время. Установленная на склонах георешетка укрепляет и стабилизирует грунт, предотвращает движение почвы вниз. Укрепление почвы происходит путем замены земляного покрытия: вместо почвы с низкой грузоподъемностью используется почва с более высокой грузоподъемностью.

Георешетка — каркасная конструкция, состоящая из полос нетканого водопроницаемого материала — геотекстиля, созданного на основе полиэфирных волокон. Применяется георешетка для защиты строительных грунтов и почвы от эрозийных деформаций в овражистых местностях. Георешетка при растяжении образует устойчивый каркас, который фиксируется на поверхности земли наполнителем. В качестве наполнителя используется песок, бетон, щебень и другие материалы. Наполнение решетки проницаемыми материалами увеличивает устойчивость склонов, а влага в ячейках способствует прорастанию растений. Одним из способов укрепления склонов является использование георешетки, заполненной землей. Применение георешетки дает возможность озеленить склоны, защитив их от сползания (рис. 15). По отношению к геосетке георешетка — более сильная конструкция.

Рис. 15. Закрепление грунтов с применением георешетки

Георешетка создается из полиэтиленовых лент толщиной 1,5 мм, которые скрепляются в шахматном порядке прочными сварными швами. Материал георешетки нетоксичен, устойчив к ультрафиолетовому излучению, стойкий к агрессивной среде, в том числе к воде любого состава, это позволяет ему сохранять свои характеристики многие годы. Выбор высоты георешетки зависит от нагрузки на склон и материалов-заполнителей, принимается при инженерном проектировании.

Основные особенности георешетки: пропускает воду по всей поверхности, не подвержена разложению, экологически безопасна, повторяет контур рельефа, не подвержена заиливанию, увеличивает устойчивость грунтов, транспортируется в сложенном состоянии и занимает малый объем.

За счет сопротивления между заполняющими материалами и перфорированной стенкой ячейки обеспечивается сопротивление смещению вверх, при замораживании, таянии и вымывании заполнителя из ячеек.

Георешетка дает возможность прорастанию растений, корневая система которых совместно с решеткой стабилизирует грунт. Создает естественную среду обитания для растений и насекомых.

Технологические процессы укладки георешеток:

Перед установкой георешеток поверхность склона выравнивают. Выполняют разметку границ согласно проекту.

По меткам устанавливают анкера длиной 600…900 мм из высокопрочных пластиковых материалов, металла или дерева. (Схема установки анкеров, их материал, длина определяются инженерными расчетами в зависимости от грунтовогеологических, гидрологических условий и крутизны откосов.) На установленные анкера растягивают георешетку.

В основание может быть уложен водопроницаемый геотекстиль: он послужит дополнительным армирующим слоем. Между георешеткой и поверхностью откоса следует уложить прослойку из нетканого геотекстиля плотностью 200…400 г/м. В качестве заполнителя ячеек георешеток используют грунт, щебень и бетон морозостойкостью не ниже М200. Если почва состоит из гравия, уплотненного песка, щебня, укладку георешетки можно производить прямо на грунт сразу после выравнивания. Укладывать георешетки нужно сверху вниз.

Георешетки должны быть укреплены на основании грунта и между собой при помощи Г-образных монтажных анкеров диаметром 10…14 мм и длиной 50…120 см, изготовленных из стали или высокопрочного пластика (рис. 16).

Монтажные анкеры служат для фиксации георешетки в растянутом рабочем положении и соединения модулей между собой. Анкеры устанавливают по контуру каждого модуля для обеспечения ее правильного растяжения в виде прямоугольника. Несущие анкера имеют конструкцию аналогичную монтажным и служат для крепления георешеток на поверхности грунта. Устанавливают несущие анкера равномерно по площади с шагом 1…2 м. При защите откосов от эрозии в качестве несущих анкеров можно использоваться также деревянные колышки.

Рис. 16. Схема установки георешетки на склоне: 1 — георешетка; 2 — геотекстильное полотно (например, дорнит); 3 — упор; 4 — растительный грунт; 5 — монтажные анкера; 6 — водосточный лоток

После закрепления модулей георешетки заполняют ячейки (заполнителем может быть щебень, камень, растительный грунт и т. п.). Заполнение ячеек георешеток выполняется в два этапа. Первый этап: крайние ячейки каждой секции заполняют вручную, после чего удаляют монтажные анкера. Ввторой этап: заполняют остальные ячейки георешетки с избытком (не менее 5 см над ними) для защиты решетки от воздействия ультрафиолетового облучения. Далее производят уплотнение. Размер оборудования для уплотнения зависит от возможностей грунта и угла наклона склона. Применяют оборудование достаточного веса, так как применение более тяжелого, вызовет волну на поверхности георешетки. Если почва будет увлажнена, то это обеспечит максимальную плотность прилегания георешетки к поверхности.

Уплотнение заполнителя можно выполнить виброкатками, катками на пневмошинах или вручную в зависимости от заполнителя.

Большим плюсом является то, что сегменты георешетки можно переносить вручную. Они быстро раскладываются. Уплотнение не всегда требует техники. В случаях крутых откосов последний этап укладки, так же как и предыдущие, можно производить вручную.

Комбинированный способ укрепления склона при помощи камней, скрепленных клеевым геотекстилем

Камни раскладывают по поверхности склона рядами — снизу вверх (рис. 17).

Форма и происхождение камней могут быть различными: гранитные глыбы, валуны, необработанные камни различных размеров (например, граниты, песчаники, сланцы, габры и т. д.).

Рис. 17. Схема укрепления склона: 1 — камни; 2 — слой ткани, пропитанной клеем

Важно подобрать породы камней, пригодные по своим свойствам для использования в определенной климатической зоне (например, по морозостойкости). Перед использованием камни должны быть вымыты, очищены от глины и т. д. и просушены. После этого их можно укладывать на геомат. Для прикрепления мата к поверхности склона используют металлические анкеры — шпильки-гвозди размерами до 30 см в длину.

Камни соединяют пропитанной клеем пористой тканьюгеотекстилем, к примеру тканью «дорнит». Ткань-геотекстиль нарезают на полосы и пропитывают клеем. Использование ткани, пропитанной клеем, в качестве связующего при возведении кладки технологично и удобно. Свободное ее размещение между слоями камней позволит получить большую поверхность контакта и обеспечивает надежное клеевое соединение. Клей должен обеспечивать гибкое соединение слоев камней, поэтому применяют клеевые полиуретановые композиции.

Габионные конструкции — это экологические модульные системы армирования грунта, используемые для крепления грунта, склонов и откосов, борьбы с камнепадами. Часто применяются в сочетании с геосетками, геотекстилем, георешетками.

Габион (от лат. «проволочная корзина») — модуль, представляющий собой сетчатую коробку, которая изготавливается из стальной проволоки двойного кручения, с шестиугольными ячейками, разделенными на секции при помощи диафрагм, устанавливаемых внутри габионов через каждый метр по длине (вместо цинкового покрытия стальной проволоки сетки может применяться покрытие из гальфана, представляющего собой сплав цинка и алюминия) (рис. 18).

Рис. 18. Коробчатая габионная конструкции

Двойное кручение проволочной сетки обеспечивает прочность и равномерность распределения нагрузок, предотвращает раскручивание в случае разрыва сетки. Если габионы используются в агрессивной среде, для сеток применяют оцинкованную проволоку с оболочкой из поливинилхлорида — ПВХ. Покрытие ПВХ защищает проволоку и обеспечивает большую устойчивость к химическим, механическим и коррозионным повреждениям. Для большей прочности конструкции внутри куба из сетки могут быть выполнены перегородки, что придает габиону дополнительную жесткость.

Габионы изготавливается не только в виде короба, но и как цилиндр, матрас и т. д. (рис. 19).

Рис. 19. Цилиндрические габионы и габионный матрас

Габионные матрасы бывают трех размеров: 3 × 1 × 0,5 м, 4 × 2 × 0,5 м и 2 × 1 × 0,25 м. Они применяются в качестве укрепления склонов. Покрытие откосов из габионных матрасов должно иметь надежный упор из габионных ящиков или продолжаться в пологой части откоса.

Габионы цилиндрической формы применяются на береговых откосах.

Габионы находят свое применение для возведения подпорных стенок, ландшафтных работ, защиты от почвенной эрозии. Габионы с покрытием из ПВХ применяются для защиты склонов от оползней и обрушения береговой части. Габионные конструкции из натурального камня в сетчатых контейнерах укрепляют неустойчивые грунты.

Рассмотрим особенности конструкций из габионов.

Гибкость. Металлическая сетка двойного кручения с разрывной нагрузкой 3500…5000 кг/м противостоит любой нагрузке без разрыва. Конструкции из габионов воспринимают осадку грунта без разрушения.

Высокая прочность конструкций из габионов достигается за счет сетки двойного кручения и прочного соединения каждого модуля габиона с соседними. Такое сочетание делает конструкции похожими на монолитные сооружения.

Высокая водопроницаемость.

Долговечность. С годами эффективность конструкций из габионов растет, так как со временем происходит рост растений сквозь габионы, укрепление их корневой системы, уплотняется грунт.

Экономичность. Конструкции из габионов более дешевы, чем другие укрепляющие системы. Экономия при использовании конструкций из габионов достигает 50 %.

Экологичность. Габионы не мешают росту растений, которые прорастают сквозь конструкцию.

Габионные конструкции удерживают любые подвижки грунтов. Со временем габионы зарастают травой и кустарником, что еще больше укрепляет склоны.

Технологические процессы укладки габионов:

Выравнивают поверхность и засыпают ее песком или щебнем. Нижние габионы укрепляют к земле забитыми по углам стержням диаметром 16…19 мм. Габионы между собой соединяют проволокой диаметром не менее 3 мм. Соединение габионов можно производить вручную и с помощью автоматов типа степлера.

Габионные каркасы заполняют твердым тяжелым камнем водостойких пород — галькой, валунами, камнем с карьерных разработок, с размерами, которые должны превышать размер ячейки сетки в 1,5…2,0 раза. Камни должны обладать высокой плотностью, прочностью, морозостойкостью. Наиболее предпочтительны магматические горные породы. При заполнении каркасов коробчатых габионов более крупные камни должны находиться у края сетки, а мелкие — внутри корзины. Лицевые камни должны выступать из ячеек. Заполнение матрасных каркасов на склонах производят одномерным камнем. Для плотного прилегания камня друг к другу перед установкой крышки утрамбовывают верхний слоя камня ручными или механическими трамбовками.

Склон можно укрепить также с помощью самодельных габионов. Они могут выглядеть как сварные щиты в виде короба из натянутой на рамы металлической сетки. Габионы укладывают на склон со снятым дерном, связаны друг с другом, заполнены пустоты щебнем, булыжником или грунтом. В случае если в качестве засыпки используется грунт, то его утрамбовывают и засеивают травой. Получается стальной каркас, который поддерживает склон.

При возведении габионов на слабых неустойчивых грунтах и больших поверхностях требуются квалифицированные инженерные расчеты конструкций на сдвиг, опрокидывание, деформации, внутренние напряжения и общую устойчивость. В проектных решениях может быть учтена возможность стимуляции роста растений.

Очень часто из габионов создают террасные подпорные стенки. Террасирование (создание подпорных стенок) для закрепления грунтов на склонах было довольно популярно в Европе в прошлые века. Подпорные стены не только долговечны и просты, они служат своеобразным декором (рис. 20).

Для маленького склона возводят подпорку высотой до 0,5 м. Со склона снимают слой почвы, затем кладут дренаж и плоские камни вдоль горки. Если высота склона больше 0,5 м, в основание склона кладут фундамент, а уже затем бетонные блоки или природные камни. Основание должно быть прочным, ведь именно оно придает устойчивость и препятствует разрушению. Прочность подпорных стенок зависит от правильно выбранного материала и организации дренажа, что должно учитываться на проектной стадии устройства подпорных стенок.

В настоящее время эффективными материалами для дренажа считаются геосинтетики (рис. 21).

Рис. 20. Внешний вид склонов после укрепления габионами

Рис. 21. Геосинтетики для дренажа при устройстве подпорных стенок: а — нетканый геотекстиль; б — тканый геотекстиль

Геосинтетики успешно заменяют традиционные зернистые материалы, так как по сравнению с ними являются более удобоукладываемыми. К тому же доступные зернистые материалы не всегда удовлетворяют проектным спецификациям, недостаточны или их применение ограничено природоохранным законодательством. Геосинтетики относятся дренажным материалам на основе гидравлических свойств, характеризующих способность обеспечивать свободное, безнапорное движение жидкостей вдоль или поперек их плоскости (рис. 22).

Инновационным считается метод гвоздевания при упрочнении грунтов высоких откосов, технологическая последовательность которого приведена ниже (табл. 2). В приведенном примере высота откоса условно разделена на три пласта.

Рис. 22. Схема дренажа геосинтетиками: а — продольное дренирование; б — поперечное дренирование

Таблица 2. Технологическая последовательность закрепления грунтов высоких откосов гвоздеванием

Эскиз	Технологическая последовательность выполнения работ
	Разработка (снятие) грунта верхнего пласта. Если технологические свойства грунта позволяют, то необходимо высоту пласта выбирать таким образом, чтобы можно было пробурить два гвоздя
	Бурение и закрепление грунтовых гвоздей верхнего пласта
	Устройство наружной оболочки верхнего пласта набрызг-бетоном. Перед нанесением набрызг-бетона откос закрепляется сеткой (металлической или композитной)
	Разработка (снятие) грунта среднего пласта
	Бурение и закрепление грунтовых гвоздей среднего пласта
	Устройство наружной оболочки среднего пласта набрызг-бетоном
	Разработка (снятие) грунта нижнего пласта
	Бурение и закрепление грунтовых гвоздей нижнего пласта
	Устройство наружной оболочки нижнего пласта набрызг-бетоном

Как видно из рис. 23, конструкция закрепленного откоса гвоздеванием состоит из трех элементов: существующей грунтовой основы из сыпучих или связанных грунтов, грунтовых гвоздей и наружной оболочки.

Роль грунтовых гвоздей в такой конструкции заключается в восприятии растягивающих, срезающих напряжений и изгибающих моментов. Для этого грунтовые гвозди должны пробить поверхность скольжения и устанавливаются они сразу после разработки и снятия пластов грунта склонов, чтобы не произошло ослабление напряжения грунта. Количество грунтовых гвоздей на 1 м2 откоса зависит от высоты, угла наклона, технологических свойств грунтов откоса. Их расчетное количество должно обеспечить повышение когезии материнского грунта.

Рис. 23. Конструкция закрепленного откоса гвоздеванием: 1 — материнский (существующий) грунт; 2 — грунтовый гвоздь; 3 — двухслойная наружная оболочка

При гвоздевании откосов и склонов с небольшим наклоном наружную оболочку можно устраивать не только металлической сеткой, но и биоволокном, геосинтетиком, после чего можно озеленить поверхность укрепленного откоса.

Грунтовые гвозди — это пассивные грунтовые анкера (т. е. без предварительного натяжения), и основной процесс (именно устройство гвоздей) совпадает с технологией устройства пассивных анкеров (бурение скважин, оборудование скважин перфорированными металлическими трубами, нагнетание скрепляющих растворов или устройство готовых изделий), которая более подробно рассмотрена ниже.

Эффективность метода гвоздевания заключается в его универсальности: укреплении оползней, склонов наносов, применении в сложных условиях, высокой технологичности выполнения работ.

Однако по технологии производства разработанный в Польше метод гвоздевания уступает разработанному в Финляндии методу упрочнения (стабилизации) грунтов комплексной системой ALLU, с помощью которой можно устраивать анкера или грунтовые гвозди как в горизонтальном, так и в наклонном направлениях длиной до 5 м. Грунтовые гвозди можно создать без разработки и снятия земляных пластов и устройства наружной оболочки набрызгбетоном. Более подробно система ALLU описана в п. 1.5.

Закрепление грунтов на склонах анкерами. Грунтовые анкеры различаются по следующим признакам: сроку службы, материалу и направлению тяги, способу погружения в грунт и образованию скважин, устройства заделки, наличию предварительного натяжения и способу связи анкерной тяги с камнем заделки. Классификация грунтовых анкеров приведена в рис. 24.

Рис. 24. Классификация грунтовых анкеров

В целом, грунтовые анкеры погружаются в грунт следующим образом: в предварительно пробуренную скважину завинчиванием, забивкой, вибронабивкой и комбинированным способом. Скважины образуются буровыми механизмами с проходкой под обсадными трубами, под глинистым раствором, шнеком и с погружением обсадной трубы забивкой или вдавливанием.

Заделка (конец) анкеров устраивается нагнетанием цементного раствора под избыточным давлением (инъецированием) или без избыточного давления, с разбуренными уширениями, с применением разрядно-импульсной технологии (РИТ). При этом анкерные тяги с цементным раствором в заделке могут быть замоноличены или находится в свободном состоянии при наличии упорного элемента. Если пассивные грунтовые анкеры используются без предварительного натяжения, то у напрягаемых анкеров тяга закреплена на конструкции с предварительным натяжением более 30 % расчетной нагрузки.

Как показывает практика, грунтовые анкеры имеют большое применение при возведении подстроек реконструируемых зданий и сооружений. Но применять вес арсенал перечисленных технологий с учетом окружающей застройки и охранных зон некоторых сооружений не всегда представляется возможным.

Статистика показывает, что наибольшее применение имеют арматурные и тросовые (канатные) грунтовые анкеры. Поэтому они более подробно рассмотрены.

Срок службы временных анкеров составляет от двух до пяти лет. Потом они извлекаются полностью или частично. Тросовые анкеры поставляются в свернутом виде, что позволяет использовать их и в пространственно стесненных условиях.

Постоянные анкеры — это инъекционные анкеры, срок службы которых составляет 50—100 лет. Они являются составными элементами постоянной конструкции.

В табл. 3 приведен внешний вид тросовых (канатных, прядевых) и стержневых с гофрированной или упорной трубой временных и постоянных анкеров.

Если область применения временных грунтовых стержневых анкеров ограничивается укреплением грунтов на склонах, при устройстве подпорных стен, креплении ограждающих конструкций котлованов, выработок, конструкций против всплытия, то постоянные применяются также в условиях возвышенностей и гор против оползней, при реконструкции автомобильных и железных дорог, строительстве и реконструкции гидротехнических сооружений.

Несущим элементом в конструкции стержневого грунтового анкера является арматура различных диаметров с винтовым профилем, при этом для изготовления временных анкеров (рис. 25) используют сталь прочностью 500/550, 670/800, 950/1050 МПа, а для постоянных (рис. 26) — только 670/800, 950/1050 МПа.

Таблица 3. Внешний вид анкеров

Тип анкера	Временного типа	Постоянного типа
Грунтовый анкер стержневой
Грунтовый анкер тросовый (прядевый)

Рис. 25. Конструкция временного анкера стержневого типа: 1 — фиксирующая гайка; 2 — анкерная гайка; 3 — защитная крышка; 4 — анкерная плита; 5 — участок свободной длины из гладкой полиэтиленовой оболочки; 6 — арматурный прокат винтового профиля; 7 — центратор

Растягивающий элемент анкера и анкерная головка защищены от коррозии специальными средствами. Все полости анкерного оголовка заполняются антикоррозионным веществом, сохраняющим свою пластичность на протяжении длительного периода времени.

Рис. 26. Конструкция постоянного анкера стержневого типа:1 — фиксирующая гайка; 2 — анкерная гайка; 3 — защитная крышка; 4 — анкерная плита; 5 — антикоррозийный состав; 6 — арматурный прокат винтового профиля; 7 — цементный раствор; 8 — участок свободной длины из гладкой полиэтиленовой оболочки; 9 — участок «корня» анкера из гофрированной полиэтиленовой оболочки; 10 — центратор; 11 — торцевая заглушка

Фиксация производится на опорной плите при помощи анкерной гайки, навинчиваемой непосредственно на профиль арматурного стержня. При необходимости используются дополнительные контргайки.

Основным несущим элементом временного и постоянного тросового (прядевого) анкеров являются стальные арматурные семипроволочные стабилизированные канаты (рис. 27). Как и у стержневого, так и у тросового грунтового анкера основное назначение — передать растягивающие нагрузки от закрепляемой конструкции на несущие слои грунта.

Рис. 27. Конструкция временного анкера тросового типа: 1 — цементный раствор; 2 — монтажная арматура (распорка); 3 — канал с первичным строительным раствором; 4 — смазанная консистентной смазкой и обшитая полиэтиленовая прядь; 5 — анкерная плита; 6 — стальная крышка

Анкер состоит из трех основных частей оголовка, анкерной тяги и заделки (корня).

Оголовок состоит из опорной стальной плиты, передающей нагрузку на сооружение, габаритные размеры которой зависят от условий закрепляемых поверхностей и клиновой плиты с коническими захватами.

Канатная арматура фиксируется в клиновой плите (обойма с коническими отверстиями, передающая нагрузку на опорную плиту)

при помощи трехдольных конических захватов (цанг). Закрепление каждого каната происходит путем обжатия поверхности каната фрикционной резьбой, расположенной на внутренних цилиндрических поверхностях каждой доли конических захватов. Во избежание сцепления свободной части канатов с цементным раствором на участке свободной длины анкера канаты помещены в гладкую полиэтиленовую оболочку. Для формирования компактного пучка из канатной арматуры предусмотрено использование хомутов из стальной или полимерной армированной ленты.

Для обеспечения максимальной величины сцепления троса (каната) с цементным камнем в зоне заделки (корня) применяются сепараторы, разводящие канатную арматуру относительно оси анкера. Они также обеспечивают качественное заполнение цементного раствора между отдельными канатами (тросами).

Положение грунтового анкера в заделке обеспечивается полиэтиленовыми центраторами. Инъекционный раствор в заделку передается через трубки, закрепленные к канатам (тросам).

Оголовок постоянного анкера (рис. 28) также состоит из опорной плиты с защитной трубой (стакан), основное назначение — передать нагрузку на конструкцию укрепляемого сооружения и крепежных элементов, передающих нагрузку от тяги на плиту. Другими словами, стакан представляет собой специальную закладную деталь для опирания клиновой плиты, имеет специальное отверстие для пропуска пучка канатов.

Рис. 28. Конструкция постоянного анкера тросового типа: 1 — цементный камень; 2 — распорка; 3 — центратор; 4 — канатная арматура; 5 — обшитая и смазанная консистентной смазкой полиэтиленовая прядь; 6 — внешняя гофрированная полиэтиленовая оболочка; 7 — уплотнитель; 8 — опорная плита с патрубком; 9 — клиновая плита; 10 — защитная крышка; 11 — клин

В качестве крепежных элементов служит клиновая плита, в которой предусмотрены конические отверстия, число которых соответствует числу закрепленных в анкере канатов (тросов), и конусы (конические захваты, обхватывающие канаты и служащие для их закрепления в напряженном состоянии в анкере путем заклинивания в коническом отверстии анкерной плиты).

Составным элементом анкера, т. е. свободной длиной анкера (тягой), нагрузка от оголовка передается на заделку, которая, в свою очередь, передает на грунт.

Назначение сепаратора, центратора и инъекционной трубки в постоянных анкерах идентично временным.

Выбор конструкции анкера зависит от множества факторов и основные из них: срок эксплуатации объектов, вид и назначение возводимых и реконструируемых зданий и сооружений, особые условия выполнения работ.

Преимущества и различия стержневых и канатных грунтовых анкеров приведены в табл. 4.

Таблица 4. Различия и преимущества стержневых и канатных грунтовых анкеров

Анкера стержневые	Анкера тросовые (канатные, прядевые)
Широкая линейка анкеров по несущей способности и материалам анкера	Высокая гибкость и устойчивость к повреждениям и внешним воздействиям
Получение любой необходимой длины анкера за счет использования стандартных муфт	Простота хранения и транспортировки благодаря малому весу и габаритам
Удобство транспортировки и монтажа (поставка отдельных элементов, с возможностью стыковки на месте)	Гибкая система подбора количества прядей и их диаметров в зависимости от требуемой несущей способности
	Отсутствие стыковых соединений
	Высокий стандарт качества и заводского производства и системы контроля качества

Немаловажно то, что применение грунтовых анкеров позволяет предохранять от нежелательных деформаций находящихся вблизи реконструируемых зданий и сооружений существующих объектов недвижимости.

Рассмотрим подробно технологии устройства грунтовых анкеров с применением обсадной трубы с теряемым наконечником, которая может быть использована при устройстве временных и постоянных анкеров стержневого и канатного типов (рис. 29), с манжетной колонной и многоразовой контролируемой инъекцией, имеющую преимущественное использование в сложных геологических условиях (рис. 30), при установке его в заранее пробуренную скважину (рис. 31).

Рис. 29. Технология устройства грунтовых анкеров с применением обсадной трубы с теряемым наконечником

На первом этапе (рис. 29, а) погружается обсадная труба с теряемым наконечником, желательно вдавливанием, с диаметром, равным диаметру обсадной трубы, которая заполняется инъекционным раствором постепенно по мере ее сборки. Далее устанавливается тяга в сборе с защитной трубой-оболочкой внутрь обсадных труб (рис. 29, б) с выбивкой теряемого наконечника. На следующем этапе (рис. 29, в) под давлением 0,5…1,0 МПа по длине заделки с постепенным извлечением обсадной трубы подается инъекционный раствор. После полного заполнения скважины инъекционным раствором извлекается обсадная труба, через неделю испытывается анкер и закрепляется (рис. 29, г).

Первый этап технологии устройства грунтового анкера с манжетной колонной и многоразовой контролируемой инъекцией включает проходку скважины под защитой обсадной трубы, глинистого раствора или без крепления стенок в устойчивых не обводненных грунтах (рис. 30, а). Далее устанавливается анкерная тяга в сборе оснащенной манжетной трубой для многоразовой инъекции в скважину (рис. 30, б). Заполняется скважина (рис. 30, в)

обойменным инъекционным раствором при помощи инвентарного опускного инъектора или через нижние выпускные отверстия манжетной колонны при помощи инъектора с двойным тампоном (расширяемым пакером). При этом инъектор с двойным пакером (тампоном) погружается в манжетную колонну. Необходимо иметь в виду, что при размещении на границе заделки и свободной длины анкера раздуваемого пакера подача в него раствора производится через соответствующее отверстие манжетной колонны. Через сутки, последовательно начиная с нижней манжеты заканчивая верхней, производят поинтервальную инъекционную опрессовку заделки анкера с помощью инъектора с двойным пакером (тампоном), раствором под давлением до 4,0…6,0 МПа (рис. 30, г). Водоцементное отношение (В/Ц) принимается 0,4…0,6. Когда анкерная тяга размещается внутри манжетной колонны, то после окончания всех этапов поинтервальной инъекции в предварительно промытую и при необходимости прочищенную буровым способом манжетную колонну вставляется анкерная тяга в сборе и замоноличивается в ней цементным раствором. Интервал между технологическими процессами не должен превышать одного часа.

Рис. 30. Технология устройства грунтовых анкеров с манжетной колонной и многоразовой контролируемой инъекцией

Испытание и закрепление грунтового анкера (рис. 30, д) в конструкции производят через неделю.

 

Рис. 31. Технология устройства грунтовых анкеров в заранее пробуренной скважине

При устройстве грунтовых анкеров в заранее пробуренной скважине последняя устраивается под защитой обсадной трубы, бурового раствора или, если работы выполняются в устойчивых, необводненных грунтах, без крепления стенок (рис. 31, а). Далее устанавливается анкерная тяга (рис. 31, б), в сборе оснащенная одной или несколькими инъекционными трубками. Если в качестве бурового используется глинистый раствор, то предварительно промывают скважину цементным раствором с В/Ц = 0,7…1,0. Далее (рис. 31, в) скважина заполняется обойменным цементным раствором с водоцементным отношением 0,4…0,6 через погружной инвентарный инъектор, или используют одну из инъекционных трубок до выхода его через устье скважины. Для разрыва цементной обоймы через сутки производят предварительный впрыск воды с давлением 1,0…2,0 МПа. Последовательную инъекционную опрессовку (рис. 31, г) выполняют цементным раствором с В/Ц = 0,4…0,6 через инъекционные трубки под давлением до 4,0…6,0 МПа. Испытание и закрепление грунтового анкера в конструкции (рис. 31, д) производят через неделю.

Назначение бурового раствора заключается в промывке скважины от частиц почвы. В готовую скважину устанавливают собранный каркас анкера. Дополнительное натяжение канатных анкеров производят с помощью домкратов, после набирания прочности анкера в заделке.

На рис. 32 и 33 приведены схемы устройства грунтового анкера оборудованием немецкой компании BAUER и закрепления головки постоянного инъекционного анкера со стержневой арматурой.

Рис. 32. Схема устройства грунтового анкера

Рис. 33. Схема закрепления грунтового анкера: 1 — головка анкера; 2 — колпачок; 3 — закрепляемый грунт

Уплотнение грунтов

Уплотнение грунтов — это механический способ преобразования (усиления) свойств грунтов оснований, т. е. увеличения прочности и уменьшения сжимаемости и фильтрационной способности. Различают поверхностное и глубинное уплотнение, в процессе которого происходит взаимное перемещение частиц грунта в результате механических воздействий, практически без изменения физико-химического состояния грунтов.

Сближение твердых частиц грунта в процессе механического воздействия происходит за счет вытеснения из общей массы грунта воды и воздуха. Считается, что при максимальном уплотнении грунт содержит не более 3…5 % воздуха. Наибольшее уплотнение достигается при оптимальной для каждого грунта влажности. Потому при излишней влажности воду необходимо отводить, а при недостатке влаги грунт увлажняют. Величина оптимальной влажности для различных видов грунтов приведена в табл. 5.

Таблица 5. Оптимальные значения влажности различных грунтов при уплотнении

Грунт	Предельные значения влажности, %
Песок мелкого и средней крупности	10…15
Песок пылеватый	14…23
Супесь	9…15
Суглинок	На 1 % ниже влажности на границе раскатывания
Глина	На 2 % ниже влажности на границе раскатывания

При реконструкции строительного объекта особое значение имеет вопрос выбора метода уплотнения грунта, будь то укатка, трамбование, вибрирование, намыв, виброудар, гидровиброуплотнение или др., поскольку использование того или иного метода не всегда допустимо и возможно. Выбор и непосредственно само уплотнение обусловлены рядом фактором, среди которых условия реконструируемого объекта, диаметр скважин, материал, используемый для упрочнения, и т. д., и осуществляются поэтапно.

Среди способов уплотнения грунтов оснований под фундаменты уже существующих сооружений чаще всего на практике используется способ глубинного уплотнения. В таком случае устраивают вертикальные или наклонные скважины (также возможен вариант, при котором скважины располагаются комбинированно), после чего заполняют их песком или грунтом, в результате чего получаются песчаные или грунтовые сваи соответственно. Расстояние между скважинами назначают с учетом обеспечения совместной работы грунта в массиве и требуемой несущей способности укрепляемого основания.

Рассмотрим принцип данной технологии. С поверхности уплотняемого основания погружается металлическая труба, снабженная раскрывающимся наконечником, и вокруг нее основание уплотняется. Когда труба достигает заданной отметки, ее наконечник раскрывается, а сама труба извлекается, при этом происходит процесс заполнения песком (гравием), сопровождаемый виброуплотнением (рис. 34).

Рис. 34. Метод глубинного уплотнения оснований с использованием песчаных (грунтовых) свай: а — погружение трубы с раскрывающимся наконечником; б — заполнение трубы песком с раскрытием наконечника; в — извлечение трубы с формированием в основании песчаной сваи с заданной степенью плотности

Требуемое количество песчаных свай для уплотнения основания рассчитывается следующим образом:

где е0, еупл — коэффициенты пористости грунта основания до и после уплотнения соответственно; последний, так же как и fсв — площадь поперечного сечения сваи, — задается в процессе проектирования; Fупл = 1,4b · 1,4l — площадь уплотненного основания, где b, l — ширина и длина проектируемого фундамента соответственно.

Для глубинного уплотнения песчаных грунтов в водонасыщенном состоянии используют глубинные вибраторы, при этом возможно два способа реализации данного процесса. При первом способе в песок погружается вибратор (вибробулава), при втором — стержень совместно с расположенным в его верхней части вибратором.

Как правило, применение вибраторов обеспечивает уплотнение находящихся в водонасыщенном состоянии грунтов до глубины 10 м, реже — 20 м.

Песок толщиной менее 20 м уплотняется посредством вибропогружателя, закрепленного на стержне трубы, к которому приварены поперечные планки.

При работе с лессовыми грунтами трубу заполняют местным грунтом, увлажненными до нужной степени.

При уплотнении грунтов наклонные скважины имеют преимуществом, однако в грунтах, характеризующихся как слабые, обеспечить их уплотненную набивку невозможно, поскольку стенки скважин не обладают необходимой устойчивостью.

На принципе глубинного уплотнения грунтов основана технология так называемого винтового продавливания, когда бурение скважин осуществляется специальными спиралевидными снарядами. Благодаря этому значительно повышается устойчивость стенок скважин, причем не только наклонных, что, в свою очередь, зачастую дает возможность снизить материальные и трудовые затраты, связанные с выполнением работ.

При винтовом продавливании после прохождения скважины спиралевидным снарядом ее заполняют грунтом, который затем уплотняют. Проходка снарядом может осуществляться столько раз, сколько это необходимо для достижения заданной несущей способности грунта, при этом уплотнение грунта происходит только после последнего заполнения.

Закрепление грунтов

В зависимости от технологии производства и процессов, происходящих в грунте, методы повышения несущей способности оснований при реконструкции зданий и сооружений путем закрепления грунтов можно разделить на четыре основных вида: механический, термический, физико-механический, химический.

В целом, механические способы уплотнения и закрепления грунтов, направленные на увеличение несущей способности оснований совпадают, только при закреплении происходит искусственное изменение строительных свойств грунтов. Например, при глубинном уплотнении наклонные и вертикальные скважины можно заполнять щебеночно-песчаной смесью с добавлением цемента. Для уплотнения слабых водонасыщенных грунтов, в том числе

и обводненных лессовых, можно использовать грунтоизвестковые сваи. В процессе гашения известь в скважине увеличивается в трехкратном объеме. Развивающееся при этом давление существенно укрепляет стенки скважины.

Технологии глубинного уплотнения грунтов, как при уплотнении, так и при закреплении, предусматривают использование пробойников и раскатчиков грунта (рис. 34), глубинных вибраторов (рис. 35).

Рис. 34. Укрепление грунтов методом раскатки

Подчеркнем, что как при уплотнении, так и при закреплении грунтов оснований ремонтируемых и реконструируемых зданий применение глубинного уплотнения ограничено. Это связано с тем, что при многократном погружении штампов, образующих скважины с вытеснением грунта радиально в стороны, работы выполняются проколом, забивкой, вибрированием.

Пробивка скважин сваебойными агрегатами и взрывы вызывают значительные динамические воздействия на существующие здания и оборудование, в результате чего происходит осадка зданий. Применение бурового способа при устройстве грунтовых свай снижает степень уплотнения грунта вокруг скважин. Связано это с тем, что грунт при бурении извлекается из скважины. Как отмечено выше, в слабых грунтах достичь необходимого уплотнения набивкой не удается, так как стенки скважин, особенно наклонных, недостаточно устойчивы, поэтому при закреплении грунтов способ глубинного уплотнения винтовым продавливанием скважин имеет преимущественное применение, только скважины засыпаются традиционными твердеющими и композитными материалами. Суть технологии такая же, как и при глубинном уплотнении грунтов.

Рис. 35. Глубинные дебалансные вибраторы для уплотнения грунта в технологии устройства щебеночных свай:а — конструкция; б — общий вид; в — технологическая схема работ

Вначале в грунте спиралевидным снарядом проходят первичную скважину диаметром меньшим, чем заданный, а затем скважину заполняют закрепляющим материалом. После этого по оси первичной скважины снарядом большего диаметра проходят скважину проектного диаметра, вдавливая закрепляющий материал в грунт. Под напором погружаемого снаряда закрепляющий материал проникает в грунт через стенки скважины и ее дно. При этом закрепляющий материал частично перемешивается с грунтом, что способствует образованию вокруг скважины оболочки повышенной прочности (рис. 36).

Рис. 36. Схема устройства скважины с использованием вяжущего материала:а—д — последовательность устройства скважины: 1 — снаряд малого диаметра; 2 — вяжущий материал; 3 — снаряд большого диаметра; 4 — слой закрепленного грунта; 5 — скважина проектного диаметра; 6 — материал заполнения скважины

В качестве твердеющей смеси может быть использована любая композиция, отверждающаяся с грунтом, например химические реагенты, применяемые для химического закрепления грунтов (фенолформальдегидная, карбамидная и другие смолы, жидкое стекло), а также цементно-песчаные и цементные растворы. Для предотвращения выдавливания закрепляющего материала из скважины на поверхность первичную скважину заполняют закрепляющим материалом на 1,0…1,5 м ниже ее устья, а диаметр первичной скважины должен быть менее 0,8 диаметра проектной скважины. В зависимости от характера грунтовых напластований закрепление можно выполнять выборочно на отдельных участках, причем толщина закрепляемых слоев по длине скважины может быть различной.

По окончании упрочнения грунта скважины заполняют грунтом или другим материалом с уплотнением.

Термозакрепление (обжиг, сжигание топлива в скважине) применяется в основном при закреплении просадочных грунтов. Топливо сжигает в герметически закрытых скважинах, пробуренных вертикально, наклонно или горизонтально в толще закрепляемого грунта.

Технологии термического закрепления грунта известны с древних времен. Первые попытки закрепления грунтов с помощью вяжущего, по летописному своду Samguk Sagi («Исторические записи о трех царствах»), были выполнены при строительстве земляной крепости Хансон в царстве Пэкче (Древняя Корея), а также при строительстве крепости Тонгман в провинции Шэньси в Китае. Метод упрочнения грунтов с применением извести назвался Jeungto Chukseong. Древние китайцы и корейцы применение известняка для закрепления грунтов называли методом «кипячения почвы».

Для получения негашеной извести известняк нагревали, в процессе чего углекислый газ удалялся и превращался в оксид кальция, т. е. в материал с совершенно новыми свойствами. В реакции с водой с одновременным выделением большого потока тепла («кипячение почвы») он переходил в состояние гидроксида кальция. Дальнейшее соединение с присутствующим в грунте кислородом способствовало возникновению нового, твердого как камень и водонепроницаемого материала — карбоната кальция. Подобный метод термозакрепления грунта пагубно влияет на природно-техногенную систему, так как выделяется большое количество углекислого газа.

Поэтому технологии искусственного повышения несущей способности грунтов все время усовершенствовались.

Новым в термическом закреплении является применение так называемого электротермического способа обжига грунта, основанного на использовании нихромных электронагревателей. Благодаря изменению мощности теплоисточника по высоте скважины в результате применения погружных элементов можно регулировать форму и размеры образующихся при обжиге термогрунтовых тел с учетом неоднородности напластования грунтов.

К физико-химическим способам закрепления грунтов относятся цементация и использование грунтоцементных материалов.

Цементация грунта заключается в нагнетании в грунт через инъекторы цементного или цементно-песчаного раствора, который обеспечивает в закрепляемом основании создание отдельных столбов или массивов из сцементированного грунта (рис. 37). Цементацию обычно применяют для закрепления песчаных и крупнообломочных грунтов, а также трещиноватых скальных пород.

По мнению профессора В. Е. Соколовича, автора многочисленных исследований по закреплению грунтов, с позиции воздействия на состояние окружающей среды достаточно безопасным является способ закрепления грунта с применением портландцемента. Поскольку затвердевший портландцемент по большей части состоит из гидросиликата кальция, который практически не растворим в воде, открываются широкие возможности для использования различных инъекционных и буросмесительных способов, технологически основанных на смешивании слабых грунтов с водоцементной суспензией. Также представляется перспективным применение данной технологии в сочетании со струйной технологией.

Рис. 37. Цементация грунтов

В мировой строительной практике сложился опыт успешного усиления оснований зданий и сооружений с использованием струйной технологии. Так, например, реализован проект усиления оснований и фундаментов берегового устоя моста через Дунай и памятника военной архитектуры в Вене на набережной Дунайского канала (рис. 38).

Необходимость усиления основания была вызвана двумя факторами: во-первых, значительным увеличением нагрузок, явившимся следствием замены перекрытий, а во-вторых, процессами гниения голов свай в результате понижения горизонта подземных вод. Для устранения возникших проблем на конкурсной основе рассматривались различные варианты усиления оснований и фундаментов. В итоге выбор был сделан именно в пользу струйной технологии. Принятая технология соответствовала всем расчетным геотехническим и конструктивным требованиям: исключению из работы деревянных свай со сгнившими головами; передаче давления от массивного пятиэтажного здания с размерами в плане 136 × 275 м на прочные гравийно-щебенистые грунты; устранению нарушений в работе коммуникаций, проложенных вдоль здания с наружной стороны; полной стабилизации всех осадок при увеличенной нагрузке.

Рассмотрим более подробно такой специфический вид цементации, как струйная цементация (Jet grouting). Это современная и весьма распространенная технология закрепления и стабилизации грунтов. Интерес представляет тот факт, что при такой цементации за счет энергии высоконапорной струи цементного раствора происходит полное разрушение грунта и перемешивание под землей его частиц со связующим веществом. В результате получается однородная масса, со временем затвердевающая.

Рис. 38. Усиление оснований зданий и сооружений с использованием струйной технологии: а — подпорная стена берегового устоя моста через Дунай; б — памятник военной архитектуры в Вене (казармы Россауэр): 1 — буровой станок SC-1 (Кеller); 2 — существующий фундамент; 3 — деревянные сваи; 4 — укрепленные массивы грунта; 5 — ступени спуска; 6 — подпорная стена канала

Преимуществом струйной цементации является возможность ее использования при любой водопроницаемости грунта и независимо от распределения размеров его частиц грунта. Таким образом, данный вид цементации подходит практически для любого типа грунта, будь то мягкая глина, песок или гравий.

Кроме того, струйную цементацию можно эффективно использовать и при устройстве ограждений и противофильтрационных завес во время строительства и реконструкции любых объектов, расположенных на несвязных, неустойчивых и водонасыщенных грунтах.

Когда грунт смешивается с нагнетаемым под давлением 60…80 МПа раствором, в грунтовом массиве образуется грунтоцементная свая. Ее диаметр обусловлен как характеристиками самого укрепляемого грунта, так и применяемым методом струйной цементации.

Учитывая физико-механические характеристики укрепляемых грунтов и проектные требования, предъявляемые к параметрам укрепления, возможно использование одно-, двухили трехкомпонентного метода струйной цементации.

При однокомпонентном методе в грунтовом массиве диаметр грунтоцементных свай составляет 300…700 мм, разрушение и перемешивание грунтов высоконапорными струями инъекционного раствора осуществляется с расстояния 250…350 мм от монитора. Смесь подается из форсунок перпендикулярно ходу движения бурового шнека.

При двухкомпонентном методе в грунтовый массив одновременно подается инъекционный раствор и сжатый воздух, при этом диаметр грунтоцементных свай достигает 1500…2000 мм. Предварительное разрушение грунта воздушной струей осуществляется с расстояния 0,7…1,2 м от монитора. Смесь подается так же, как при однокомпонентном методе. Благодаря использованию энергии сжатого воздуха повышается производительность.

При трехкомпонентном методе образуются грунтоцементные сваи диаметром 2000…3000 мм. При этом происходит размыв грунта водовоздушной струей под давлением 40…60 МПа и выше, а также осуществляется отдельная подача укрепляющего раствора из расположенного ниже сопла под давлением 3…5 МПа.

Из всех трех методов технология трехкомпонентного метода является наиболее затратной с финансовой точки зрения и технологически сложной, но зато она предоставляет возможность полного замещения естественного грунта бетоном, а также создания объемных бетонных сооружений большого диаметра. При этом грунт разрушается с помощью мощной водовоздушной струи, подаваемой перпендикулярно направлению бурения через сопла. Вследствие того что раствор подается вертикально через расположенные ниже форсунки, в теле сваи исключается вероятность образования примесей.

Приведем поэтапно технологическую последовательность закрепления грунтов струйной цементацией:

• бурение направляющих скважин и спуск монитора в скважину;
• установка монитора в соответствии с проектной глубиной;
• приготовление инъекционного раствора;
• подъем монитора и одновременная подача инъекционного раствора через сопла (форсунки);
• размыв в грунте полостей и заполнение их грунтоцементным материалом;
• извлечение рабочего органа и перемещение агрегата на новую точку.

Схематически буровые штанги в работе при образовании грунтоцементных свай представлены на рис. 39.

Рис. 39. Схемы образования грунтоцементных свай при различных методах струйной цементации

Комплекс оборудования для вышеуказанных методов струйной цементации приведены в табл. 6 и на рис. 40.

Таблица 6. Комплекс оборудования для закрепления грунтов струйной цементацией

Оборудование	Методы струйной цементации
	Однокомпонентная	Двухкомпонентная	Трехкомпонентная
Буровая машина	+	+	+
Буровой шнек с каналом для подачи бетонной смеси	+
Двухканальный буровой шнек		+
Специализированная буровая штанга с тремя отдельными каналами			+
Насос для Jet grouting (цементный)	+	+	+
Насос для воздуха			+
Насос для воды			+
Воздушный компрессор		+
Смесительная станция	+	+	+

Рис. 40. Комплекс оборудования для выполнения струйной цементации: 1 — силос для хранения цемента; 2 — шнековый конвейер; 3 — смесительный растворный узел; 4 — насос высокого давления; 5 — буровая установка; 6 — грязевой насос; 7 — емкость для сбора пульпы

Цементация (инъекция, геомассив, манжетно-пакерная технология). Порядок производства работ следующий. В заранее пробуренную скважину устанавливается инъекционная труба с отверстиями, закрытыми манжетами. Затем внутрь инъекционной трубы устанавливается пакер и закачивается цементный раствор. Нагнетание раствора осуществляется поинтервально. На специализированных Интернет-ресурсах приводится подробная технология выполнения струйной цементации.

DSM (Deep soil mixing). Сущность технологии DSM заключается в механическом перемешивании грунта с цементным раствором. Перемешивание грунтов осуществляется при помощи лопастей на буровом инструменте. Цементный раствор подается через полые штанги к отверстиям на конце буровой колонны.

Вращательное бурение и нагнетание цементного раствора происходит одновременно (рис. 41). Размер зоны укрепления определяется размером лопастей. Технология DSM предназначена для укрепления слабых грунтов на большой площади, так как является достаточно дешевой по сравнению с другими технологиями укрепления грунтов.

Рис. 41. Укрепление грунтов технологией DSM

Основными методами химического закрепления оснований фундаментов эксплуатируемых зданий являются силикатизация (однорастворная и двухрастворная), электросиликатизация, битумизация, смолизация, технологические решения которых кратко приведены в табл. 7.

Таблица 7. Классификация основных методов усиления оснований фундаментов эксплуатируемых зданий

Метод усиления	Конструктивнотехнологическое решение	Область применения
		Вид грунта основания	Коэффициент фильтрации, м/сут	Примерная прочность усиления, МПа (кгс/см2)
1. Цементация	Нагнетание цементного раствора	Крупнозернистые пески	2…80	1…4 (10…40)
2. Однорастворная силикатизация	Нагнетание раствора силиката натрия	Лессы	0,1…2,0	0,6…0,8 (6…8)
	Нагнетание раствора силиката натрия с отвердителем	Мелкие и пылеватые пески	0,5…5,0	0,4…0,5 (4…5)
3. Двухрастворная силикатизация	Последовательное нагнетание растворов силиката натрия и хлористого кальция	Пески средней крупности и мелкие	2…80	1,5…2 (15…20)
4. Элекросиликатизация	Последовательное нагнетание растворов силиката натрия и хлористого кальция при создании электрического поля постоянного тока между забитыми электродами	Глины, суглинки, супеси	0,01…0,10	0,4…0,8 (4…8)
5. Смолизация	Нагнетание раствора карбимедной смолы с отвердителями	Пески средней крупности, мелкие	0,5…5,0	1,5…2 (15…20)
6. Битумизация	Нагнетание в трещины горящего битума (для устройства противофильтрационных завес в песчаных грунтах проводится холодная битумизация битумной эмульсией с коагулянтом)	Сухие песчаные и скальные	0,012…0,120
7. Термический способ	Обжиг, сжигание топлива в скважинах	Лессы	0,1…1,0	1…1,5 (10…15)
8. Механическое уплотнение	Устройство наклонных буронабивных наклонных свай	Любые грунты	0,1…5,0	0,6…0,8 (6…8)
	Устройство «стены» в грунте	Любые грунты	0,1…5,0	1…2 (10…20)

В настоящее время в распоряжении специалистов находится значительное количество химических реагентов, способных закрепить грунт основания на достаточно длительный срок. Среди преимуществ химических способов можно отметить следующие: высокая степень механизации всех операций; возможность упрочнения грунтов до заданных проектом параметров в их естественном залегании; относительно невысокая трудоемкость, в том числе за счет значительного сокращения ручного неквалифицированного труда (касающегося откопки траншей); сравнительно малая стоимость исходных материалов, а также возможность использования отходов производства.

Однорастворная силикатизация стала использоваться еще в первой половине XX века. При таком способе в грунт нагнетают заранее приготовленную гелеобразующую основу из жидкого стекла и отвердителя. Начиная со второй полвины XX века стали применяться отходы производства кремнийорганических соединений (в частности, этилсиликат натрия). Так, в начале 1960-х гг. подобным образом было осуществлено закрепление грунтов основания фундаментов здания тяговой подстанции трамвая в г. УсольеСибирское (Иркутская область). Деформации были вызваны неравномерным поднятием силами морозного пучения и, как следствие, соответствующими просадками, возникающими при оттаивании расструктуренного грунта. Благодаря закреплению грунтов с помощью этилсиликата натрия удалось добиться стабилизации аварийных осадок двух складских построек и жилого здания, расположенных на морозоопасных и просадочных грунтах.

В условиях сложной инженерно-геологической ситуации возможны и другие способы химического закрепления грунтов. Например, в Санкт-Петербурге для предотвращения аварийных осадок стен здания Мариинского театра ниже подошвы фундамента были закреплены пылеватые пески толщиной 3,0…4,5 м. в соответствии с технологическим процессом сначала плунжерными насосами ПСБ-4 и НР-3 при давлении 0,3 МПа в инъекторы в соотношении 4 : 1 : 4 нагнетали сначала раствор соляной кислоты, затем воды и, наконец, раствор смолы.

В начале 1970-х гг. на основе однорастворной силикатизации специалистами был предложен способ газовой силикатизации, который предполагал введение в закрепляемый грунт сперва углекислого газа под давлением, а затем (в зависимости от водопроницаемости грунта) раствора жидкого стекла плотность. 1,19…1,30 г/см3. Это необходимо для активизации поверхности минеральных частиц грунта. Однако данный способ подходит не для всех типов грунтов, поэтому его применение имеет определенные ограничения.

Однорастворная силикатизация представлена еще одной разновидностью, а именно речь идет о способе электросиликатизации, когда в слабофильтрующие грунты нагнетается гелеобразующая смесь на основе силиката натрия и одновременно от источника постоянного тока подается напряжение на инъекторы (рис. 42). Стоит отметить, что расход электроэнергии на 1 м3 закрепляемого грунта не превышает 30 кВт, а расход материалов такой же, как при способе однорастворной силикатизации.

Следует обратить внимание на то, что, по мнению большинства специалистов, использование в качестве химических реагентов для закрепления грунтов оснований реконструируемых зданий акриловых, фенольно-формальдегидных, фурановых, хромлигниновых и карбамидных смол с несвязным формальдегидом оказывает негативное влияние на расположенные поблизости незакрепленные грунты, подземные воды и др. Все химические реагенты должны быть не только нетоксичными, но и экологически безопасными, поэтому в большинстве случаев предпочтение отдается традиционным технологиям одно- и двухрастворной силикатизации.

Рис. 42. Электросиликатизация существующего фундамента

С точки зрения экологической безопасности закрепление грунтов наиболее целесообразно проводить с применением портландцемента, поскольку затвердевший портландцемент состоит в основном из гидросиликата кальция, который практически не растворяется в воде. В связи с этим на текущий момент времени для повышения несущей способности реконструируемых зданий и сооружений инъекционные и буросмесительные способы, предполагающие использование портландцемента, остаются самыми востребованными.

В Институте геоэкологии РАН под руководством академика В. И. Осипова разработан метод армирования для повышения несущей способности слабых грунтов, получивший название «Геокомпозит». Данный метод основан на управляемом инъекцировании расчетных объемов твердеющих растворов по специально рассчитанной объемно-планировочной схеме. В радиусе 1,5…2,0 м от инъектора раствором заполняются трещины и пустоты, посредством давления уплотняется рыхлый грунт, действуя как внутримассивный домкрат. В процессе твердения формируется жесткий армирующий каркас, при этом образуются включения цементного камня. Важно, что усиленный таким методом грунтовый массив представляет собой принципиально новое техногенное образование — геотехногенный композит или «геокомпозит». Он обладает высокой степенью жесткости, его структура хаотична и напоминает корневую систему дерева (рис. 43).

Рис. 43. Укрепление грунтов методом «Геокомпозит»: 1 — бетонная стяжка; 2 — пакер; 3 — муфта; 4 — инъектор; 5 — сопло инъектора; 6 — намечаемое место инъектора; 7 — вектор силового воздействия на грунт

Строение «Геокомпозита» тщательно изучалось на 16 опытных площадках. Благодаря этому специалистам удалось выявить основные закономерности, касающиеся распределения уплотняющего раствора в грунтовом массиве, степени уплотнения грунтов в зависимости от давления и объемов нагнетаемого раствора, а также физико-механических свойствах усиленного грунта.

Что касается области применения «Геокомпозита», то он подходит для любых сжимаемых дисперсных грунтов естественного и геотехногенного (насыпные грунты, строительный мусор и культурные отложения) происхождения, для заторфованных грунтов и илов. «Геокомпозит» пригоден для любых типов фундаментов, будь то плитные, ленточные, столбчатые, свайные (при необходимости повышения несущей способности сваи). Наличие грунтовых вод не препятствует использованию этого метода.

Учитывая тип сооружения и инженерно-геологических условия на площадке строительства, в соответствии с объемнопланировочной схемой проекта назначают параметры усиления грунтового массива: количество точек, расстояние между ними, глубину инъектирования и объемы нагнетания.

Основания зданий и сооружений, усиливаемые методом «Геокомпозит», рассчитываются согласно требованиям соответствующего свода правил и другим нормативным документам. В расчетах учитываются фактические изменения физико-механических свойств грунтов оснований, усиленных методом «Геокомпозит».

Работы по усилению оснований проводятся как на уже существующих объектах, так и на строительных площадках, когда укрепление грунтов осуществляется строго параллельно строительству сооружения.

Рассмотрим экономические и технологические достоинства данного метода:

• уплотняющий раствор при нагнетании под давлением приобретает высокую избирательную способность, что приводит к усилению наиболее слабых зон грунтового массива и повышению несущей способности жесткости массива при минимальных затратах;
• низкая себестоимость проведения технологических работ при высокой мобильности и эффективности;
• возможность применения инертных материалов, которые определяют экологическую чистоту метода;
• отсутствие необходимости применять тяжелое ударное оборудование, вызывающее динамические нагрузки;
• возможность использования внутри помещений аварийных и реконструируемых зданий и сооружений легкого современного оборудования, которое позволяет проводить укрепление оснований практически в любых помещениях без нарушения состояния и целостности помещения.

Среди зарубежных технологий особой популярностью пользуется технология Soilcrete (от англ. soilcrete — «грунтобетон»). Ее характерным отличием является широкий спектр применения, в том числе возможность использования для укрепления и уплотнения несвязанных грунтов и илов, а также слоеных оснований в смеси с органическими грунтами. Компания «Келлер» выполняла работы по технологии Soilcrete даже в условиях скального основания (в мягком песчанике).

Обратимся к строению рабочая станции Soilcrete. Она состоит из емкостей, бункеров для цемента и компактного блока смесителя и насосов (рис. 44). Посредством трубопроводов и электрических кабелей оборудование станции соединено с буровой установкой. Высота мачты установки определяется исходя из требований и может изменяться от 2 м при работе в подвалах и шахтах и до 35 м в свободном пространстве.

Буровые точки, как правило, размещают в узких траншеях, в которых устанавливают насосы, высасывающие буровой шлам. Благодаря этому становится возможным перекачивать в специальные емкости или осадочные бассейны затвердевающую со временем смесь воды, грунта и цемента.

Рис. 44. Схема и последовательность укрепления грунтов технологией Soilcrete: 1 — бурение; 2 — разрыхление; 3 — цементироваие; 4 — формование

Процессу преобразования грунта в Soilcrete предшествует процедура его разрыхления под воздействием мощной струи воды или концентрированной цементной смеси, часто совместно с кожухом из сжатого воздуха, со скоростью вылета у сопла, превышающей 100 м/с. Разрыхленный грунт смешивается с цементной смесью, а избыток смеси выходит на поверхность вдоль буровой трубы.

Предел действия режущей струи зависит от типа грунта, используемой технологии и может достигать 2,5 м.

Технология Soilcrete позволяет формировать в грунтовом массиве любые геометрические формы, которые при этом приобретают и определенные свойства материалов, из которых они изготовлены. Полученный материал Soilcrete плотно прилегает к основанию фундамента любой конфигурации.

Еще одной активно использующейся зарубежной технологией является технология Mikrodur. Она была разработана в Германии в 1995 году и применяется для усиления оснований, фундаментов и стен. В ее основе — использование неизвестных ранее высокоэффективных минеральных вяжущих, а именно продуктов воздушной сепарации пыли при помоле клинкерных цементов с марками до «600», отличающихся высокой степенью дисперсности и поэтому относящихся к особо тонкодисперсным вяжущим (ОТДВ).

ОТДВ Mikrodur — это гидравлическое минеральное вяжущее с рядом специфических характеристик:

• высокая проницаемость суспензии в грунты и пористые материалы;
• высокая водоудерживающая способность при В/Ц ≤ 6,0;
• сохранение заданной вязкости суспензии до 120 мин;
• быстрое затвердевание (50…70 % марочной прочности через двое суток).

Технология применения ОТДВ Mikrodur базируется на методе инъекцирования (рис. 45).

а                                                                       б                                                     в

Рис. 45. Схемы применения суспензии Mikrodur: а — укрепление основания и фундаментов; б — корневое укрепление стен; в — реконструкция стен, ремонт каменных и бетонных поверхностей

По сравнению с такими описанными выше методами, как смолизация и силикатизация, применение Mikrodur считается более экономичным и отвечающим принципам экологичности, поскольку предполагает использование малогабаритного и легко транспортируемого оборудования и не требует больших объемом буровых работ. Работы могут вестись в труднодоступных участках, стесненных условиях. В целом, как результат мы имеем высокую производительность труда.

Так как Mikrodur — это тонкодисперсный материал, он может успешно использоваться и для санации микротрещин.

Согласно стандарту, инъекция Mikrodur с целью укрепления грунта осуществляется в режиме пропитки, с полным заполнением порового пространства, без разрывов и с сохранением природной структуры грунта. Максимальное давление подачи инъекционного состава при этом не должно превышать 0,5 МПа.

Если выполняют инъекцию водонасыщенных грунтов, то максимальное давление можно повысить на величину статического давления водяного столба на глубине инъекции посредством регулировки давления интенсивностью расхода суспензии. Суспензию необходимо подавать с помощью двухплунжерных инъекционных насосов непрерывной плавной подачи. Для контроля интенсивности расхода и давления нагнетания суспензии используют электронные следящие устройства постоянного действия, в которых предусмотрена функция сохранения результатов измерений.

Суспензия нагнетается через каждую зону до отказа. Отказом считается:

• поглощение скважиной (зоной) расчетного количества инъекционной суспензии при давлении нагнетания, не превышающем проектное;
• снижение расхода инъекционной суспензии до 0,5…1,0 л/мин на инъектор (зону) с одновременным повышением давления нагнетания выше проектного, если величина расхода при отказе не указана в проекте;
• интенсивность инъекции (не превышая максимальное давление инъекции) не позволяет выработать проектный объем суспензии в одну зону в течение периода годности суспензии.

Когда отказ достигнут, ввод инъекции прекращается, а оставшийся объем суспензии добавляется к объему инъекции следующей зоны (зон) или соседнего инъектора.

В случае разрыва грунта (падение давления до значений, близких к нулю, или выход суспензии на поверхность) инъекция прекращается на 10 мин, а затем возобновляется, но с минимальной интенсивностью. Если разрывы грунта продолжаются, следует зафиксировать отказ инъекции.

В целях предупреждения появления осадок микроцементов Mikrodur в суспензии при В/Ц > 1,0 суспензия постоянно перемешивается активатором на скорости 100…300 об/мин.

По имеющимся данным, в Москве работы по укреплению грунтов ряда зданий и сооружений были осуществлены по технологии инъектирования ОТДВ Mikrodur. В частности, речь идет о зданиях Верховного суда РФ, Японского консульства, посольства Кипра, церкви Большого Вознесения на улице Б. Никитской, особняка Морозова на улице Воздвиженке, а также о ряде административных зданий в Романовом переулке, на Б. Грузинской и других улицах.

Согласно стандарту, в зависимости от инженерногеологических условий, месторасположения объекта, объема работ, габаритов и технических характеристик оборудования укрепление грунтов можно производить:

• с дневной поверхности (в зависимости от местных условий растворный узел перемещают по объекту по мере продвижения фронта работ или оставляют в центральной части, раствор подается по трубопроводам, проложенным к участку инъекционных работ);
• из подземной выработки в один этап или при протяженной зоне неустойчивых грунтов поэтапно, с чередованием фаз укрепления и проходки (буровое и инъекционное оборудование размещается в забое);
• комбинированным методом, когда буровое оборудование размещается в забое, а инъекционное (растворосмесительное и насосное) — на поверхности земли.

Классификация методов укрепления грунтов приведена в табл. 8.

Таблица 8. Классификация методов укрепления грунтов

Метод	Применяемые материалы и способы воздействия
Укрепление гранулометрическими добавками	Щебень, гравий, песок, шлаки, глины, суглинки
Укрепление органическими вяжущими	Битумы твердые и жидкие, дегти, битумные и дегтевые эмульсии и пасты, синтетические смолы, древесные пески и др.
Укрепление минеральными вяжущими материалами	Цемент, известь, силикат натрия (жидкое стекло)
Термическая обработка	Местное топливо (дрова, уголь, электрический ток, газ)
Укрепление солевыми растворами	Хлористый кальций, хлористый натрий и др.
Электрохимические обработки	Электрический постоянный ток (с применением электролитов)
Комплексные методы	Органические и минеральные вяжущие с гранулометрическими добавками, органические вяжущие с активными добавками и т. д.

Комплексная система закрепления грунтов ALLU

Комплексная система ALLU, обеспечивающая упрочнение различных по свойствам грунтов глубиной до 5 м, состоит из трех основных систем:

1. ALLU PM Power Mix (рис. 46) представляет собой дополнительное универсальное навесное гидравлическое оборудование, которое легко монтируется к экскаватору с помощью пальцев крепления или быстросъемного адаптера.

Рис. 46. ALLU PM Power Mix

Все изнашиваемые части ALLU Power Mix изготовлены из износостойкой стали и легко заменяются. Поэтому дополнительное оборудование является прочной стальной конструкцией, радиальный поршневой мотор, которой обеспечивается энергией от гидросистемы экскаватора. Через цепную передачу вращение передается на барабаны. С помощью ALLU Power Mix поступающие в почву (или другую стабилизируемую массу) добавки перемешиваются до необходимой консистенции.

2. ALLU PF Presser Feeder (питатель) — обеспечивает подачу связующих компонентов (цемента или других добавок) через воздушный рукав под землю в барабан смесителя ALLU Power Mix с помощью сжатого воздуха. При этом максимальное давление компрессора для подачи воздуха составляет 8 Бар. Существуют две разновидности контейнера питателя: емкостью 7 м3 (ALLU PF7) и сдвоенный контейнер (ALLU PF7+7). Сдвоенный контейнер обеспечивает непрерывность выполнения работ при опустошении одного из контейнеров, что приводит к снижению стоимости инвестиционных затрат, за счет сокращения выполнения работ. Во время использования полного контейнера, опустошенный может наполняться цементом или другими необходимыми добавками.

Питатель перемещаться вслед за экскаватором по обрабатываемому участку (рис. 47), так как установлен на самодвижущемся шасси, управляется дистанционно машинистом экскаватора.

Рис. 47. ALLU PF Presser Feeder

3. ALLU DAC (система сбора данных) — с помощью этой системы полностью обеспечивается измерение, управление и составления отчетов, контроль качества выполненных работ.

Комплексная система упрочнения грунтов ALLU в настоящее время имеет широкое распространение при реконструкции автомобильных и железных дорог, путепроводов, мостов. При этом работы выполняются без ограничения или с минимальным ограничением движения, а также без подготовки территории под строительство новых объектов.

В связи с возможностью смешивания различных материалов с помощью навесного оборудования ALLU Power Mix при закреплении грунтов применяются не только цемент, но и другие строительные материалы (глина, известь, песок и др.). Получение необходимых (заданных) свойств упрочненных грунтов (по водоупорности, коэффициенту фильтрации, физико-механическим характеристикам, стойкости к химической и биологической агрессии) часто достигается путем смешивания двух или трех компонентов строительных материалов.

Универсальность комплексной системы ALLU заключается в следующем:

• упрочнению подлежат практически все виды грунтов, начиная от глины и заканчивая торфяными отложениями;
• создаются прочные и ровные поверхности на болотистой и обводненной местности;
• упрочнение производится глубиной до 5 м, без применения химических реагентов, которые пагубно влияют на природнотехногенную систему;
• по сравнению с закреплением грунтов с помощью устройства свай или замене грунтовых пластов работы экономически эффективны;
• технологичность и простота выполнения работ, выполняемая машинистом экскаватора с помощью пульта дистанционного управления.
• Навесное оборудование ALLU Power Mix можно использовать при рытье траншей для прокладки кабеля, в том числе и под водой.

Технология закрепления грунтов комплексной системой ALLU является экологозащитной, так как можно упрочнять (стабилизировать) грунты на дне водоемов, высоких откосах и склонах, при выполнении берегоукрепительных работ, защите почвы от эрозии, грунтовых слоев от промерзания в условиях вечной мерзлоты, от грунтовых вод в целом, нейтрализации токсичных и закреплении жидких отходов.

Технология ALLU позволяет обрабатывать и изолировать загрязненный грунт способом герметизации загрязняющего вещества внутри грунта и предотвращать его просачивании на соседние территории.

Усиление фундаментов

Первичными причинами повреждений фундаментов являются:

• повреждение гидроизоляции при деформации фундаментов и стен; старение гидроизоляции, которое может привести к увлажнению стен с последующим промерзанием (рис. 48);
• некачественное устройство или отсутствие гидроизоляции;
• повреждение облицовки цоколя или применение в качестве облицовки неморозостойкого материала;
• поднятие уровня грунтовых вод (естественное или искусственное в результате подтопления) выше расчетного;
• разрушение отмостки или подсыпка грунта вокруг здания выше расположения горизонтальной гидроизоляции либо низкое расположение гидроизоляции (ниже на 10…14 см от отмостки) и отсутствие второй гидроизоляции по цоколю;
• воздействие на бетон мягкой (щелочной) или соленой воды (рис. 49);
• отсутствие перевязки в каменной кладке. недостаточная прочность кладки, перегрузка фундамента в связи с надстройкой и т. п. (рис. 50);
• морозное пучение вследствие неправильного конструирования и возведения фундамента (засыпка пазух смерзающимися грунтами, склонными к пучению, подтопление фундамента при поврежденной отмостке или поднятие уровня грунтовых вод) (рис. 51);
• неправильное соотношение размеров ступеней подошвы фундамента, недостаточная ширина фундамента, увеличение нагрузки на фундамент в связи с надстройкой, снижение несущей способности основания в связи с его увлажнением (рис. 52).

Рис. 48. Увлажнение стен с последующим промерзанием:а — от разрушения защитного покрытия цоколя; б — от разрушения гидроизоляции

Рис. 49. Выщелачивание бетонных конструкций фундамента либо кристаллизационное разрушение бетона

Рис. 50. Расслоение кладки фундамента

Рис. 51. Разрыв фундамента по высоте силами морозного пучения грунтов

Рис. 52. Трещины в плите фундамента или неравномерная его осадка: 1 — трещина; 2 — маяк

Для повышения несущей способности в зависимости от материалов и типа фундаментов используют перечисленные ниже традиционные технологии усиления.

Для бутовых и кирпичных ленточных фундаментов можно увеличить опорную площадь следующими методами:

• устройство приливов из бетона;
• устройство приливов из бетона при одновременном заглублении фундамента;
• устройство железобетонных приливов;
• устройство железобетонных приливов;
• устройство и закрепление бутовой кладки железобетонной обоймой;
• устройство дополнительной кирпичной или бутовой кладки; установка железобетонных элементов с обжатием ими грунта основания;
• устройство подушки из бетона (с двух и одной стороны);
• устройство железобетонной подушки в зоне непромерзающего грунта.

Усиление бутовых и кирпичных ленточных фундаментов увеличением опорной площади

Технология выполнения работ	Схема выполнения работ
Устройство приливов из бетона
Устройство приливов из бетона при одновременном заглублении фундамента
Устройство железобетонных приливов
Устройство и закрепление бутовой кладки железобетонной обоймой
Устройство дополнительной кирпичной или бутовой кладки
Установка железобетонных элементов с обжатием ими грунта основания
Устройство подушки из бетона (с двух и одной стороны)
Устройство железобетонной подушки в зоне непромерзающего грунта

 

Усиление фундаментов производят участками длиной не более 2 м. Разработку грунта и усиление смежного участка следует выполнить не ранее, чем через 7 сут после окончания работ на предыдущем участке. Траншеи или котлованы устраивают захватками не более 2 м с одной, а затем (после работ по усилению) с другой стороны фундамента. При прочной кладке допускается одновременная отрывка траншей с обеих сторон соответствующего участка фундамента. Для понижения уровня грунтовых вод при производстве работ на расстоянии 3…4 м от фундаментов устраивают водосборные колодцы, из которых периодически откачивают воду.

При насыщении откачиваемой воды мелкими частицами грунта понижение уровня грунтовых вод рекомендуется проводить с помощью кольцевого дренажа. Траншею с наружной стороны здания разрабатывают экскаватором со срезкой недобора вручную. Внутри здания в стесненных условиях, траншеи отрывают вручную. Очищают поверхность фундамента металлическими щетками и пескоструйными аппаратами до максимального обнажения швов кладки. Перед укладкой бетона уплотняют грунт под уширяемой частью фундамента и втрамбовывают щебень. Укладку бетона в опалубку для устройства уширяемой части фундамента производить с послойным уплотнением вибратором. При укладке бетона в конструкцию бетонную смесь в опалубку опускать по лотку.

При производстве работ необходимо наблюдать за состоянием стен. В случае появления деформаций немедленно прекратить работы и принять необходимые меры по креплению стен. При обнаружении на участке работ подземных коммуникаций, не предусмотренных проектом, работы следует приостановить и вызвать представителей организации, эксплуатирующей эти коммуникации.

Для усиления сборных ленточных фундаментов используют следующие методы [прил. 7]:

• устройство продольных балок наращивания на ступенях;
• увеличение опорной площади устройством дополнительных подушек;
• увеличение опорной площади устройством железобетонной обоймы;
• устройство продольных балок со стойками на ступенях;
• увеличение ширины подошвы и закрепление стены фундамента
• устройством железобетонной обоймы;
• увеличение опорной площади частичным переносом нагрузки.

Усиление сборных ленточных фундаментов

Технология выполнения работ	Схема выполнения работ
Устройство продольных балок наращивания на ступенях
Увеличение опорной площади устройством дополнительных подушек
Увеличение опорной площади устройством железобетонной обоймы
Устройство продольных балок со стойками на ступенях
Устройство продольных балок со стойками на ступенях
Увеличение ширины подошвы и закрепление стены фундамента устройством железобетонной обоймы
Увеличение опорной площади частичным переносом нагрузки

Для усиления монолитных ленточных фундаментов используют следующие методы [прил. 8]:

• устройство продольных балок со стойками на ступенях;
• увеличение опорной площади устройством продольных балок на уровне подошвы;
• увеличение опорной площади сборными элементами;
• устройство продольных балок на ступенях совместно с железобетонной рубашкой;
• усиление плитной части устройством железобетонной обоймы;
• увеличение опорной части сборными элементами с обжатием грунта основания;
• увеличение ширины подошвы ленточного фундамента устройством приливов из бетона.

Усиление монолитных ленточных фундаментов

Технология выполнения работ	Схема выполнения работ
Устройство продольных балок со стойками на ступенях
Увеличение опорной площади устройством продольных балок на уровне подошвы
Увеличение опорной площади сборными элементами
Устройство продольных балок на ступенях совместно с железобетонной рубашкой
Усиление плитной части устройством железобетонной обоймы
Увеличение опорной части сборными элементами с обжатием грунта основания
Увеличение ширины подошвы ленточного фундамента устройством приливов из бетона

В МГСУ были проведены исследования, по результатам которых было установлено, что метод укрепления и увеличения опорной площади фундаментов можно эффективно использовать при недостаточной несущей способности грунтов основания и при появлении трещин в здании и фундаменте вследствие неравномерных осадок. Дополнительные части фундамента (банкеты) при этом могут быть односторонними (при внецентренном расположении нагрузки) и двусторонними (при центральной нагрузке).

Фундаменты под столбы и колонны в большинстве случаев, как правило, усиливают по всему периметру подошвы. Поскольку банкеты и существующие фундаменты требуют жесткого соединения, их примыкание осуществляется посредством штраб или специальных стальных или железобетонных разгружающих балок, которые принимаются в соответствии с расчетом.

Рассмотрим основные приемы работ.

Исходя из гидрогеологических условий и материала усиливаемый фундамент разбивают на отдельные участки длиной 1,5…2,0 м. На участках усиления фундаментов создают траншею шириной 1,5…2,0 м на глубину его подошвы. Металлические и железобетонные разгружающиеся балки закрепляются в отверстиях и штрабах старого фундамента, тем самым обеспечивая совместную работу старых фундаментов и банкет. В результате достигается

развитие опорной площади, т. е. понижается давление на основание, и, как следствие, снижаются осадки здания. Сцепление бетона с бутовой (старой) кладкой фундаментов обусловлено неровной боковой поверхностью кладки, очищенной от грунта, промытой и продутой сжатым воздухом. Обжатие разрыхленных грунтов основания и включение его в работу осуществляется благодаря цементации под давлением или обжатию с помощью гидравлических домкратов.

Данный метод относительно прост, однако обладает серьезным недостатком, связанным с трудоемкостью исполнения работ, продолжительностью производства, значительным объемом земляных работ, а также определенными сложностями, которые касаются включения усиливаемых частей фундамента в работу конструкции — это требует специальных меры и соответствующих монтажных приспособлений.

Для усиления ленточных фундаментов передачей нагрузки на сваи используют следующие методы:

• передача нагрузки на набивные сваи;
• передача нагрузки на сваи из металлических труб;
• передача нагрузки на короткие забивные сваи;
• передача нагрузки на буроинъекционные сваи.

Усиление ленточных фундаментов передачей нагрузки на сваи

Технология выполнения работ	Схема выполнения работ
На набивные сваи
На сваи из металлических труб
На короткие забивные сваи
На буроинъекционные сваи
Усиление ленточных фундаментов передачей нагрузки на составные железобетонные сваи, погружаемые задавливанием

Буроинъекционные сваи устраивают с помощью малогабаритных станков вращательного бурения типа СБУ и СКВ наклонными или вертикальными скважинами непосредственно через стены и фундаменты усиливаемых объектов, при этом как внутри объекта, так и в его подвальной части. По сравнению с традиционными решениями благодаря этому существенно снижается стоимость и сокращается продолжительность работ.

Метод передачи нагрузки на буроинъекционные сваи в целях усиления фундаментов рациональнее всего использовать в тех случаях, когда грунты основания здания, подвергающегося реконструкции, имеют низкую несущую способность: часть или всю нагрузку от фундамента передают на расположенные глубже прочные слои грунта.

Бурение скважин для устройства буроинъекционных свай в зависимости от грунтовых условий может выполняться шнеком, колонковой трубой без крепления скважин, под защитой обсадных труб или глинистого раствора. Диаметр, как правило, составляет 100…250 мм.

Технологическая линия по бурению скважин работает по замкнутому циклу и включает: малогабаритные буровые станки (как уже отмечалось выше, это станки типа СБУ и СКВ), растворонасосы, приемные емкости и растворопроводы. По завершении процесса бурения разбуренный материал удаляется из скважины сжатым воздухом или промывкой. До проектной глубины скважину заполняют глинистым раствором, опуская секциями арматурный каркас. Длина секции ограничена высотой помещения и поэтому, как правило, составляет до 3 м. Между собой секции соединяются сваркой.

После установки арматурного каркаса или параллельно с его установкой в скважину опускают инъекционную трубу диаметром 25…30 м, через которую скважину заполняют цементно-песчаным раствором. Иногда заполнение скважины осуществляется непосредственно через буровой «став» — тогда арматурный каркас вставляется после заполнения скважины. Для заполнения скважины раствором используются насосы типа СО-49 и СО-45, заполнение проводится под давлением не выше 0,3 МПа. После заполнения скважины раствором инъекционную трубу извлекают, а скважину спрессовывают под создаваемым растворонасосом давлением (0,3…0,5 МПа).

Данный метод не лишен определенных недостатков. В частности, это сложности, возникающие при определении качества выполнения ствола сваи, а также недостаточная коррозийная стойкость и недостаточная надежность закрепления головы сваи в случае ветхого фундамента, работающей впоследствии как ростверк.

Перспективен представляется способ укрепления фундаментов бетонными сваями в металлических трубах диаметром 130…220 мм, которые погружаются в грунтовую массу пневмопробойниками типа ИП-4602 и СО-134А. При таком способе можно осуществлять работы даже в стесненных условиях, так как задействуется малогабаритное оборудование. Что касается грунтовых условий, то здесь способ не имеет ограничений. При погружении труб в грунт энергия единичного удара у пневмопробойников незначительна: у ИП-4602 она составляет 250 Дж, у СО-134А — 500 Дж, что не оказывает негативного воздействия на состояние конструкций здания, фундаменты которого усиливаются.

Усиление ленточных фундаментов передачей нагрузки на составные железобетонные сваи, погружаемые задавливанием.

Установлено, что статические способы погружения свай или шпунта, иначе говоря вдавливание, обладают значительными преимуществами.

Благодаря отсутствию динамических и вибрационных воздействий в конструкциях реконструируемых сооружений исключаются осадки, трещины, разрушения и другие негативные последствия; в результате отпадает необходимость в усиленном армировании ствола сваи, особенно ее головной части. При вдавливании гарантируется высокая точность погружения и появляется возможность четко оценивать несущую способность каждой сваи.

Для усиления ленточных фундаментов инъекцированием и устройством защитных стенок используют следующие методы:

• закрепление бутовой кладки фундамента цементацией;
• закрепление бутовой кладки силикатнополизоцианитным раствором;
• закрепление бетонных (железобетонных) фундаментов имеющих трещины, синтетическими смолами;
• устранение разрыва ленточного фундамента;
• закрепление бутовой кладки подверженной расслоению торкретбетоном;
• закрепление стен подвала и фундамента устройством обоймы из фибробетона;
• закрепление фундаментов устройством защитных стенок;
• железобетонные рубашки, выполненные методом торкретирования, набрызгом или укладкой бетона в опалубку с последующей гидроизоляцией поверхности бетона;
• наращивание с приваркой дополнительной арматуры к обнажаемой арматуре основного фундамента или с помощью железобетонных металлических балок, пропускаемых через пробитые отверстия или опирающихся на железобетонные плиты усиления;
• с помощью свай, размещаемых за пределами контура существующего фундамента или в сочетание с наращиванием фундамента;
• подводкой под существующие фундаменты новых железобетонных элементов.

Усиление ленточных фундаментов передачей нагрузки на выносные сваи

Технология выполнения работ	Схема выполнения работ
Устройство выносных буронабивных или забивных свай с железобетонными балками
Устройство выносных забивных свай с металлическими балками
Устройство выносных забивных свай с металлическими балками
Устройство выносных буронабивных свай с опорным уширением и металлическими балками
Устройство выносных буронабивных свай с анкерами и металлическими балками
Устройство выносных буронабивных (забивных) свай с металлическими балками

Эффективным методом усиления фундамента является устройство под зданием фундаментной плиты.

Подводка под здание фундаментной плиты снижает давление на грунт основания. Этот способ усиления целесообразен, когда здание в период эксплуатации претерпевает большие неравномерные осадки, возникающие из-за неоднородности фундаментов, значительного различия в нагрузках на них, замачивания или промораживания. Устройство фундаментной плиты особенно целесообразно, если на глубине основания имеются насыпные грунты или когда осадка перегруженных фундаментов при эксплуатации интенсивно возрастает.

Перед устройством фундаментной плиты под нее укладывают щебеночную подготовку толщиной 15…20 см с уплотнением ее в грунт. Толщина фундаментной плиты составляет не менее 2,5 м при площади 50 × 100 м. Глубина заделки плиты в стены 30…40 см. Плита встраивается, как правило, выше подошвы фундаментов на 60…80 см. Армирование плит реализуется в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Второстепенные и главные балки армируются в соответствии со схемой нагрузки балки, шарнирно опертой на две опоры. Материал стены в местах заделки в плиту проверяют на местное смятие. Работы осуществляются захватками с чередованием, необходимым для схватывания бетона предыдущих захваток. При этом существенное внимание уделяется тщательности заполнения бетоном штраб и гнезд, выбранных в фундаменте. Для включения конструкции в работу предусматривается заплитная цементация.

Недостатками данного метода являются его значительная стоимость и трудоемкость работ. Высок процент немеханизированных работ.

Основные методы восстановления и усиления фундаментов эксплуатируемых зданий приведены в табл. 9.

Таблица 9. Классификация основных методов восстановления и усиления фундаментов эксплуатируемых зданий

Метод усиления	Область применения	Конструктивнотехнологическое решение
1. Цементация	Бутовые фундаменты с расслоениями, но при сохранившейся конфигурации	В кладку фундаментов с помощью инъекторов, заглубленных в фундамент, нагнетают цементный раствор
2. Усиление железобетонной обоймой	Бутовые фундаменты с расслоившейся кладкой, выпадающими камнями, нарушенной конфигурации	Фундаменты усиливаются монолитными железобетонными обоймами с отрывкой траншей с двух сторон фундамента
3. Уширение подошвы	Бутовые и бутобетонные фундаменты	С двух сторон предварительно вскрытого фундамента возводятся прикладываемые новые фундаменты, соединяемые с существующим фундаментом
4. Подводка и углубление	Каменные и бетонные фундаменты	Под вскрытым фундаментом участками выполняют подводку нового фундамента в виде столбов или сплошной стены
5. Пересадка фундаментов на выносные сваи	Передача нагрузки от реконструируемого здания на глубоко залегающие прочные грунты (при наличии высокого уровня грунтовых вод применяют выносные, а при низком уровне грунтовых вод подводимые сваи)	После возведения свай (забивных, вдавливанием, буронабивных, буроинъекционных) головы свай соединяют с усиливаемым фундаментом ростверком (для ленточных фундаментов в виде ж/б поясов, для столбчатых — в виде ж/б обойм)
6. Подведение свай под подошвы существующих фундаментов		Осуществляется подведение свай под подошвы существующих фундаментов
7. Переустройство столбчатых фундаментов в ленточные	Значительные неравномерные деформации оснований, изменения нагрузок на фундаменты, изменение статической схемы фундаментов и конструктивной схемы зданий	Между существующими фундаментами делают железобетонную плиту. Нижнюю часть стены подводят под подошвы существующих столбчатых фундаментов
8. Переустройство ленточных фундаментов в плитные		Переустройство производят подведением концов плит под ленточные фундаменты. Плиты между лентами объединяют обоймами и через каждые 3…4 м железобетонными перемычками

Усиление фундамента с уширением основания. Работы по усилению ленточного фундамента с увеличением площади подошвы выполняются в соответствии с настоящей технологической картой.

Усиление фундаментов выполняют до начала демонтажных и монтажных работ. К работам по усилению фундаментов приступать после тщательного осмотра кирпичных стен и уточнения проектных решений по их усилению или перекладке.

Примеры конструктивных решений по уширению подошвы фундамента показаны на рис. 53.

Рис. 53. Конструктивные решения по уширению подошвы фундаментов:а — устройство бетонных приливов: 1 — опорные балки — швеллер № 18; 2 — двухконсольные балки — двутавр № 16; 3 — существующие лежни; б — уширение основания бутовой кладкой или бетонированием: 4 — новая кладка (бетон); 5 — уплотненный грунт

Остановимся более подробно на приемах и средствах производства работ.

1. Работы по усилению фундаментов выполняют отдельными захватками протяженностью 1,5…2,0 м. Захватки следует назначать с таким расчетом, чтобы работы на смежных участках не производились.

Примечание. При прочной кладке старого фундамента допускается одновременная отрывка траншей на захватке с обеих сторон соответствующего участка фундамента.

2 Технологический процесс усиления фундаментов с уширением подошвы состоит из следующих операций:

• 2.1. Подготовительные работы: Разборка отмостки (тротуара) и полов в подвале (на первом этаже); установка на расстоянии 3…4 м от фундаментов водосборных колодцев для откачки грунтовых вод.
• 2.2. Отрывка траншей с откосами или креплением стенок. Траншеи внутри здания необходимо отрывать вручную. При общем объеме земляных работ более 10 м3 для отрывки траншеи с наружной стороны фундаментов применяют экскаватор типа Э-153, после чего зачищают дно транши и срезают недобор вручную. Отрывая грунт при помощи экскаватора, ни в коем случае нельзя разрушать кладку фундамента ударом ковша. Грунт, прилегающий непосредственно к стенке фундамента, удаляется исключительно вручную. Грунтовые воды откачивают в систему уличной или дворовой канализации по мере заполнения водосборных колодцев.
• 2.3. Тщательная очистка боковых поверхностей бутовой кладки от грунта пескоструйными аппаратами или металлическими щетками с максимальным раскрытием швов кладки.
• 2.4. Сверление отверстий электродрелями с победитовыми наконечниками в бутовой кладке на глубину 25…30 см и забивка анкеров в эти отверстия (при устройстве бетонных приливов).
• 2.5. Пробивка в существующих бутовых фундаментах при помощи отбойного молотка горизонтальных борозд для перевязки бутовой кладки с бетоном.
• 2.6. Уплотнение грунта в не обжатых зонах под местами уширения фундаментов насыпкой щебня с тщательным утрамбовыванием.
• 2.7. Устройство по щебеночному основанию бетонной подушки (по проекту).
• 2.8. Установка опалубки и арматуры (при устройстве железобетонных подушек).
• 2.9. Укладка бетона в опалубку с уплотнением вибратором. Бетонирование приливов производят до низа опорных швеллерных балок.
• 2.10. Пробивка отбойным молотком в кирпичных стенах отверстий размером 25 × 25 см и установка двух консольных двутавровых балок, установка опорных швеллерных балок, приварка нижних полок консольных балок к верхним полкам опорных швеллерных балок. Примечание. Работы, указанные в пп. 10, выполняют после получения бетоном у приливов 70%-й прочности (по истечении семи-восьми дней после укладки бетона).
• 2.11. Бетонирование верхних участков бетонных приливов (на высоту опорных балок) и отверстий в кирпичных стенах.
• 2.12. Разборка опалубки, обратная засыпка траншей, восстановление отмостки и полов.

3. Бетонную смесь завозят в автосамосвалах со спуском по лотку в опалубку (при укладке бетона в конструкции фундаментов по наружному контуру здания).

При производстве работ внутри здания бетон подается и перемещается с помощью специальных лотков, питателей, легких транспортеров.

Укладываемая в опалубку бетонная смесь уплотняется посредством внутренних вибраторов с гибким валом.

4. В зимнее время бетонные работы выполняют с выдерживанием бетона по способу термоса, обеспечивая температуру укладываемой бетонной смеси не ниже 25 °С.

5. При производстве работ необходим постоянный контроль состояния кирпичных стен с немедленным прекращением работ при возникновении деформаций и принятием соответствующих мер по укреплению стен.

6. Работы по усилению участков фундамента выполняют звеньями в составе трех человек: двух землекопов и одного плотника. Звенья выполняют весь комплекс работ.

Производство бетонных работ в жаркую и сухую погоду осуществляется следующим образом:

1. При производстве бетонных работ при температуре воздуха выше 25 °С и относительной влажности менее 50 % должны применяться быстротвердеющие портландцементы, марка которых должна превышать марочную прочность бетона не менее чем в полтора раза. Для бетонов класса В22,5 и выше допускается применять цементы, марка которых превышает марочную прочность бетона менее, чем в полтора раза при условии применения пластифицированных портландцементов или введения пластифицирующих добавок. Не допускается применение пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемента марки ниже М400 и глиноземистого цемента для бетонирования надземных конструкций, за исключением случаев, предусмотренных проектом.
2. Температура бетонной смеси при бетонировании конструкций с модулем поверхности более 3 не должна превышать 30…35 °С.
3. Уход за свежеуложенным бетоном следует начинать сразу после окончания укладки бетонной смеси и осуществлять до достижения 70%-й проектной прочности, а при соответствующем обосновании — до 50 %. Уход должен заключаться в обеспечении влажного состояния поверхности путем устройства влагоемкого покрытия и его увлажнения, выдерживания открытых поверхностей бетона под слоем воды, непрерывного распыления влаги над поверхностью конструкций. При этом периодический полив водой открытых поверхностей твердеющих бетонных и железобетонных конструкций не допускается.
4. Контрольные бетонные образцы должны выдерживаться совместно с конструкциями в аналогичных условиях.

Производство бетонных работ при отрицательных температурах воздуха проводится в соответствии со следующими принципами:

1. Возведение бетонных и железобетонных конструкций при среднесуточной температуре наружного воздуха ниже 5 °С и минимальной суточной температуре ниже 0 °С должно осуществляться с проведением мероприятий, обеспечивающих твердение бетона и получение в заданные сроки прочности, морозостойкости, водонепроницаемости и других свойств, указанных в проекте.
2. Приготовление бетонной смеси следует производить в обогреваемых бетоносмесительных установках, применяя подогретую воду, оттаянные или подогретые заполнители, обеспечивающие получение бетонной смеси с температурой не ниже требуемой по расчету.

Методы подводки новых фундаментов используются в тех случаях, когда требуется разработать грунт ниже подошвы существующего фундамента или заменить существующий фундамент.

В строительной практике возможны следующие варианты этого метода:

Передача нагрузки от здания на временные опоры. При больших нагрузках в качестве поддерживающих конструкций используются горизонтальные балки, как правило, из металлического проката. Нагрузку на балки обычно передают посредством домкратов, реже — клиньев. Особое внимание уделяется устройству надежных опор под выносные балки. Для массивных сооружений вместо опор из брусьев иногда используют опоры из бетона либо сваи.

Пересадка фундамента на сваи. В этом случае через существующий фундамент бурят наклонные скважины диаметром 10…20 см, которые впоследствии заполняют бетонной смесью и утрамбовывают. Возможно вдавливание свай отдельными звеньями: тогда существующий фундамент используется как упор для домкрата.

Подводка под ленточные фундаменты столбов шириной 1…2 м осуществляется в определенной последовательности. Это необходимо для того, чтобы добиться минимального ослабления фундаментов в период производства работ. В подведенных столбах под подошвой существующего фундамента оставляются ниши для установки гидравлического домкрата. После этого под подошвой нового фундамента обжигается грунт и сам фундамент с целью снижения вероятности возможных деформаций. Далее полости, т. е. ниши для домкрата, заполняются бетоном.

В современной практике также стал активно применяться способ усиления существующих фундаментов посредством буроинъекционных свай. Такие сваи представляют собой разновидность набивных свай, но, в отличие от последних, характеризуются большим относительным заглублением (l / d = 80…120 мм), меньшим диаметром (120…250 мм). Кроме того, в качестве материала ствола в таких сваях используется буроцементный раствор. Отличительной чертой также является способ их изготовления — инъекция раствора в скважину.

К преимуществам буроинъекционных свай относятся широкие возможности их изготовления в любых грунтовых условиях и на любых строительных площадках. Для их устройства бурят скважины диаметром 150…250 мм в пределах существующих фундаментов. Затем в эти скважины устанавливаются металлические направляющие патрубки (кондукторы), выполняющие функцию предотвращения выпора твердеющей смеси из скважины на поверхность при опрессовке. Далее скважина заполняется цементным раствором, после чего устанавливается кондуктор. По истечении 2 сут с момента установи кондуктора осуществляют бурение скважины до проектной отметки. Далее забой очищают, промывая его свежим глинистым раствором, и через трубу инъектор заполняют цементно-песчаным раствором. Вытесненный глинистый раствор собирается в приемный бункер и откачивается. После заполнения скважины раствором производится опрессовка дополнительным объемом раствора от растворонасоса под давлением 0,3…0,4 МПа.

Нарушение гидроизоляции (полное или хотя бы частичное) может стать причиной потери прочности фундаментов. Поэтому при ремонтных и восстановительных работах следует восстанавливать ее с помощью как традиционных, так и инновационных технологий.

Гидрофобизация конструкций

Современные разработки специалистов-химиков в области полимеров обеспечивают продление долговечности кирпичной кладки без применения оштукатуривания и окраски. С этой целью при реконструкционных работах и капитальном ремонте сооружений и зданий используют кремнийорганические гидрофобизирующие жидкости.

Рассмотрим некоторые гидрофобизаторы, имеющие наибольшее распространение.

Одним из популярных гидрофобизаторов является концентрат метилсиликоната калия, известный под торговым названием «Аквастоп». Его отличают простота изготовления (он без труда растворяется в обычной водопроводной воде, не требуя подогрева) и высокая степень надежность в условиях сурового климата.

Сущность защитного эффекта «Аквастопа» заключается в химических процессах адсорбции, карбонизации и конденсации, происходящих в слабощелочной среде и сопровождающихся образованием на молекулярном уровне на стенках капилляров гидрофобной защиты, благодаря чему обеспечивается защита от проникновения влаги в конструкцию, которую необходимо защитить.

Как показывает практика, гидрофобизатор «Аквастоп» эффективен для всех видов обожженного кирпича и камня, для оштукатуренных поверхностей, а также всех видов бетона, кроме конструкций, которые на протяжении продолжительного времени эксплуатировались в воде (это фундаменты и затопляемые цоколи зданий). Водоотталкивающий эффект «Аквастопа» сохраняется более пяти лет и не влияет на внешний вид, не изменяет фактуру поверхности здания, практически не нарушает паро- и воздухопроницаемость защищаемых конструкций. Характерно, что в гидрофобизированной конструкции исключена вероятность концентрации влаги, что, в свою очередь, улучшает гидрофизические свойства и повышает морозостойкость поверхностного слоя.

Следует обратить внимание на то, что поверхностную гидрофобизацию бетонной, оштукатуренной, кирпичной или каменной поверхности разрешается выполнять только в сухую погоду при температуре воздуха не ниже 5 °С.

Гидрофобизационный процесс включает несколько основных этапов:

• подготовка поверхности (очистка от грязи, старой краски, плесени, масляных пятен) посредством механической обработки и промывки;
• приготовление раствора (растворение гидрофобизатора в воде);
• пропитка полученным гидрофобизирующим раствором защищаемой поверхности.

Если температура наружного воздуха составляет примерно 18 °С, то гидрофобизирующий эффект будет заметен уже через два-три часа. Между тем при пониженных температурах он проявляется медленнее. В течение первых 12 сут эффект гидрофобизации возрастает.

При работе с гидрофобизаторами особое внимание необходимо уделять подготовке поверхности, для промывки которой используются специальные гидроструйные машины.

Исходя из высоты здания очистку и гидрофобизацию ведут с двухместных люлек, с вышки самоподъемной ВС-500-15; при высоте стен до 23 м — с телескопической вышки, менее 15 м — с передвижных сборно-разборных унифицированных подмостей из алюминиевых сплавов. Смывают грязь теми же машинами, которыми наносят раствор, в частности это может быть безвоздушный агрегат типа 7000Н. При набольших объемах целесообразнее применять обычные щетинные кисти и валики.

При следах биопоражений на обрабатываемой поверхности их следует ликвидировать, а затем, с целью предотвращения их повторного появления, в обязательном порядке обработать специальными дезинфекционными составами.

Приготовленный гидрофобизирующий раствор заливается в емкость распылителя и наносится на предварительно подготовленную поверхность, до тех пор пока происходит процесс впитывание.

К числу новейших разработок следует отнести ремонтногидроизолирующие составы серии «Битрон». Они представляют собой гидроизолирующие материалы проникающего действия. Их можно эффективно использовать и для кирпичных, и для бетонных конструкций. Существуют также составы «Битрон», разработанные на основе быстротвердеющих безусадочных цементов, микрофибры, полимерных материалов как отечественного, так и зарубежного производства, а также на основе наноматериалов.

Активные компоненты составов «Битрон» проникают в поры бетона и кирпича, ем самым обеспечивая высокие показатели водонепроницаемости и морозостойкости. Заполненные нерастворимыми кристаллами поры, капилляры и микротрещины не пропускают воду. Важно, что при этом бетон сохраняет паропроницаемость.

Отличительной особенностью данной защиты от таких типов защит, как обмазочная, рулонная или мембранная, является то, что она не подвержена поверхностным повреждениям.

На рис. 54 представлена схема применения гидроизолирующего материала типа «Битрон», обладающего проникающим действием. Они используются как на начальной стадии строительства (гидроизоляция фундаментов), так и при реконструкции, ремонте и восстановлении водонепроницаемости строительных конструкций.

Рис. 54. Схема применения составов «Битрон»

Гидрофобизацию фундаментов и стен можно выполнять также жидкой резиной, которую можно наносить не только напылением, но и другими способами. Она является аналогом любого рулонного или мембранного покрытия предназначенного для гидроизоляционных работ. Слой битумно-полимерной жидкой резины толщиной 2 мм соответствует четырем слоям рулонной кровли, а эксплуатация допускается даже в диапазоне температур –45…+98 °С.

Вертикальная изоляция начинается с обычной подготовки плоскости: выравнивание, заделка трещин, сметание грязи. На подготовленные стенки фундамента кистью наносится праймер, сглаживающий неровности и повышающий сцепление разнородных материалов. После достаточного высыхания грунтовки по вертикальным поверхностям фундамента распределяется жидкая резина 2 мм. Гидроизоляционный вертикальный слой необходимо защитить от механического воздействия грунта, поэтому после нанесения жидкой резины с соблюдением технологического перерыва необходимо выполнить штукатурные работы.

Если работы выполнялись с наружной части, то кроме штукатурных работ рекомендуется утепление пенополистиролом, который еще раз покрывается жидкой резиной. Как видно, количество технологических операций по гидрофобизации фундаментов с наружной стороны намного больше, чем при применении других инновационных материалов. Поэтому жидкую резину используют преимущественно для гидроизоляции вертикальных и горизонтальных поверхностей фундаментов, чтобы образовался монолитный толстый, бесшовный слой гидроизоляции (рис. 55).

Рис. 55. Схема нанесения жидкой резины на основание: 1 — бетонное основание, цементно-песчаная плита, вертикальная часть основания может быть из кирпичной кладки, изношенное покрытие; 2 — скос (не менее 200 мм); 3 — огрунтовка (неполимеризованная мастика, для выравнивания поверхности); 4 — покрытие из жидкой резины

Работы выполняются двумя рабочими, и при использовании отечественного оборудования (марок RХ-27, RХ-28, RХ-30) для распыления жидкой резины сменная производительность составляет до 1500 м2. Универсальность распылителей RХ-27, RХ-28, RХ-30 заключается в том, что можно использовать материалы различных фирм-производителей: «ТехноНИКОЛЬ», «Растро», «Стрим», «Ликвид Раббер Раша», Daclar.

Еще один гидрофобизатор, широко представленный на рынке соответствующих материалов, — «Аквасол». Это водный раствор силиконового гидрофобизатора с функциональными добавками.

«Аквасол» используют для пропитки бетонных полов и кирпичных или каменных стен. Благодаря высокой проникающей способности данный гидрофобизатор способствует значительному повышению показателей влагостойкости и морозостойкости минеральных оснований (бетона, штукатурки, керамического и силикатного кирпича, композитной фасадной плитки, стилизованной под кирпич и камень, газобетона, газосиликатных блоков, природного и искусственного камня), улучшает коррозионную стойкость конструкций из железобетона, придает поверхности водоотталкивающие свойства. «Аквасол» может успешно использоваться как для наружных, так и для и внутренних работ в качестве самостоятельной защиты защищаемого материала от влаги и ее разрушающего воздействия.

Кроме того, «Аквасол» помогает удалять с обрабатываемой поверхности водорастворимые загрязнения, не изменяя при этом внешний вид материала и не влияя на его паропроницаемость.