18.3. УКРЕПЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗДАНИЙ

18.3.1. Цементация

Для укрепления песчаных, песчано-гравелистых и выветрелых скальных грунтов применяется цементация. Для существующих зданий надобность в укреплении таких грунтов возникает не часто. Известные случаи относятся к условиям, когда из указанных грунтов под влиянием длительной фильтрации постепенно выносились мелкие частицы, создавая разуплотненное основание [8].

Материалами для цементации служат цемент, вода и добавки в виде песка, супеси, каменной муки, глины, искусственных химических веществ. Цемент и вода — главные активные составляющие. Песок и каменная мука добавляются для экономии цемента, особенно в тех случаях, когда требуются большие количества цементирующего раствора. Супесь и суглинок снижают прочность получаемого после твердения камня, но повышают водоудерживающую способность раствора, — такие растворы мало подвержены расслоению. Особенно способствуют стабилизации раствора бентонитовые глины, которые придают раствору качества, благоприятные для закачивания раствора в поры и трещины грунта. Применение химических веществ связано с ускорением или замедлением схватывания цементного раствора. Так, добавка хлористого кальция или жидкого стекла в количестве 1—2 % уменьшает срок схватывания в 1,6—2 раза. Ускорители схватывания действуют только в густых растворах (В/Ц = 0,4). В жидких растворах (В/Ц = 5—10) действие ускорителей сказывается слабо, так как большая часть ускорителя остается в воде, которая удаляется. Действие ускорителей надо обязательно испытывать в лаборатории, без этого применение их недопустимо,

Оборудование для бурения скважин применяют то же самое, что и для силикатизации или смолизации грунтов. Верхнюю часть скважин, лежащую в нецементируемой зоне, бурят увеличенным диаметром и полностью залипают цементным раствором. После схватывания цемента скважину бурят вновь через цементный столб, который затем играет роль тампона, поскольку нагнетание производится с давлением в несколько атмосфер. Если необходимо зацементировать грунты, лежащие очень близко к поверхности, то следует предусмотреть укладку на поверхности в зоне скважин пригрузочного слоя бетона, который укладывают после бурения скважин и после того, как в скважины вставлены трубки для инъекции. Для цементации используют растворонасосы. Диаметр трубок-инъекторов составляет 25—100 мм. При небольшой глубине цементации, когда нагнетание ведется в один прием на всю зону цементации, применяют трубки малого диаметра. При глубине цементации более 6—8 м цементацию ведут нисходящими зонами. В этом случае нужно многократно бурить в каждом месте скважину, углубляя ее через ранее зацементированную часть скважины.

Радиусы закрепления грунта вокруг скважин, давление нагнетания, расход цементного раствора, прочность зацементированного грунта устанавливают в процессе опытных работ с учетом того, чтобы добиться получения требуемого закрепления с минимальными затратами материалов и труда.

При нагнетании растворов в грунт для укрепления оснований существующих зданий следует обращать внимание на соблюдение техники безопасности, поскольку нагнетание производится под большим давлением, при котором возможны разрывы соединений трубопроводов и шлангов. Кроме того, при нагнетании растворов (до их схватывания) могут создаваться дополнительные давления на ограждающие конструкции подвалов [1].

18.3.2. Дренаж и противофильтрационные завесы

Для укрепления основания или защиты его от ослабления на объектах, где в процессе эксплуатации происходит повышение уровня подземных вод, применяют дренаж.

Опыт эксплуатации крупных предприятий, особенно в металлургической и химической промышленности, показывает, что на промышленных площадках, как правило, уровень верхнего водоносного горизонта повышается, а так как глинистые грунты снижают свои прочностные и деформационные свойства при увлажнении, то возникают дополнительные осадки, крены и пр. Чтобы защитить здания и сооружения от развития недопустимых деформаций, в числе защитных мероприятий следует рассматривать и вариант дренажа промышленной площадки.

При выборе решения дренажа площадки эксплуатируемого объекта следует учитывать условия создания всех элементов этого дренажа. В первую очередь необходимо упорядочить все системы канализации (дождевой, производственной, бытовой) и системы водоснабжения, поскольку от этих систем часто зависит повышение уровня подземных вод.

Из применяемых систем дренажа, как правило, исключаются пластовый и горизонтальный трубчатый дренажи, устанавливаемые в открытых траншеях, так как для действующих объектов это обычно связано с нарушением многих сооружений, устройств, а также нормального режима работы объекта.

Вертикальный дренаж не требует много места для его размещения и отличается маневренностью, т.е. возможностью сгущать скважины по мере надобности. Для повышения эффективности работы водопонизительных скважин, оборудованных погружными насосами в слабопроницаемых (глинистых) грунтах, рекомендуется предусматривать вакуумирование грунтов. Для этого в системе водопонизительных скважин следует устанавливать вакуумные насосы (табл. 18.1). На рис. 18.1 дана принципиальная схема вакуумной скважины.

ТАБЛИЦА 18.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ ПО ПОДАЧЕ ВОЗДУХА

Системы вертикального дренажа рекомендуется сопоставлять с системами лучевых горизонтальных водозаборов, состоящих из вертикальной выработки (колодца) и скважин, выполненных из этого колодца горизонтально или с небольшим уклоном в сторону колодца. В ВИОГЕМе разработана конструкция установки лучевого бурения УЛБ-130. Установка состоит из трех основных агрегатов: бурового станка, маслостанции, пульта управления. Буровой станок включает в себя подвижную буровую платформу, перемещающуюся на величину рабочего хода гидроцилиндром подачи. На платформе смонтированы два вращателя — вращатель рабочих труб с гидроцилиндром и вращатель шнеков. Оба вращателя могут работать независимо друг от друга. Буровой станок и маслостанция монтируются в колодце на расстрелах. Маслостанция, включающая электромотор мощностью 30 кВт с пятью насосами, монтируется на поверхности у колодца. Минимальный диаметр шахтного колодца 2,5 м; длина лучевых скважин 130 м; диаметр бурения 200 мм; угол наклона скважины от горизонтали ±10°. Проходимые породы — обводненные неустойчивые мелкие пески и грунты средней крепости (до VII категории по буримости).

В грунтах, обладающих временной устойчивостью (например, глинистые пески), лучевые скважины могут выполняться и другими станками, имеющими вращатель только рабочего органа, с установкой фильтровых труб после бурения.

На застроенных территориях, сложенных глинистыми грунтами, для снижения уровня подземных вод рекомендуется применение дренажных завес, которые выполняются в виде ряда пересекающихся вертикальных скважин, заполняемых хорошо фильтрующим материалом, например песком. Подземная вода, собираемая дренажной завесой, откачивается насосом, устанавливаемым либо в колодце, либо в скважине, к которым вода фильтрует вдоль завесы.

Применение водопонижения, особенно в глинистых и пылеватых песчаных грунтах, влечет за собой уплотнение и осадку осушаемой толщи грунтов. Это явление следует учитывать при проектировании дренажа существующих объектов, так как оно может увеличить деформации зданий и сооружений.

Расчет дополнительной осадки здания или территории рекомендуется выполнять методом послойного суммирования с учетом того, что каждый метр понижения уровня подземных вод соответствует увеличению нагрузки на грунт на 9,8 кН/м². К определенному в каждом расчетном слое давлению в грунте от сооружения (СНиП 2.03.01-83, прил. 2) следует добавлять дополнительное давление, образовавшееся за счет понижения уровня подземных вод. Нижняя граница сжимаемой толщи основания в этом случае должна определяться исходя из того, на какую глубину распространится увеличение давления на грунт в результате водопонижения.

Таким образом, дренаж площадки, понижающий свободный уровень подземных вод, приводит к двойному действию на грунт основания: увеличивает нагрузку на грунты и не только отводит гравитационную воду, но и создает благоприятные условия для отжатия поровой воды, что приводит к уплотнению пылеватых песков и глинистых грунтов текучей, текучепластичной и мягкопластичной консистенции и тем самым увеличивает осадку сооружения. Результаты второго действия сказываются иногда длительное время [5, 9].

Для исключения подъема уровня подземных вод и предотвращения ослабления оснований применяют противофильтрационные завесы, с помощью которых защищаемую территорию отделяют от источника обводнения.

Применение противофильтрационных завес рекомендуется рассматривать в комбинации с дренажем, что может дать экономию за счет снижения затрат на строительство и эксплуатацию дренажа и уменьшить «проскок» воды к защищаемому объекту.

Устройство завес осуществляется как специальным оборудованием, так и общестроительным, например экскаватором-драглайном, который разрабатывает траншею, заполняемую вслед за этим глинистым грунтом (подробнее о проектировании завес сказано в гл. 16).