ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕРЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ, ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

высшего профессионального образования Новосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет (Сибстрин)

дорог. М.: Информ-
автодор, 2007.
Методические указания по оценке местной устойчивости откосов

и
выбору способов их укрепления в различных природных условиях.
М.: ВНИИтрансстрой, 1970.

Методические рекомендации по укреплению обочин земляного полотна с применением стабилизаторов грунтов. М.:, 2003.

Методические рекомендации по выбору конструкций укрепления конусов и откосов земляного полотна. М.: Союздорнии, 1981.

ОДН 218.3.039-2003 Укрепление обочин автомобильных дорог (взамен ВСН 39-79) Отраслевые дорожные нормы

Руководство по обеспечению устойчивости земляного полотна автомобильных дорог химическим способом. М.: 1980.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

в основании проектируемых зданий и сооружений;
для крепления откосов;
в качестве временного

мероприятия при проходке подземных выработок;
для устройства противофильтрационных завес;
для ремонта канализационных коллекторов.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

грунтов химическими смолами)

3.3. Укрепление грунтов методами глубинного смешивания с вяжущими
Осушение

грунтового массива (дренаж)
Биологические меры (посев трав, включая гидропосев)
Инъекционное закрепление грунтового массива

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

на основе силиката натрия.
Методом смолизации – нагнетание растворов на основе

карбамидных смол.
Методом цементации – нагнетание растворов на основе цемента.

Инъекционное закрепление грунтовых массивов

применяется для повышения несущей способности и устойчивости просадочных грунтов. Этот

метод может применяться в лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,2…2 м/сут. и в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,5…80 м/сут.

Способ силикатизации заключается в помещении в грунт силиката натрия (жидкого стекла) и хлористого кальция или ортофосфорной кислоты (двухрастворная силикатизация) или только силиката натрия (однорастворная силикатизация).
Эти растворы реагируют между собой или с содержащимися в грунте солями и образуют гель кремниевой кислоты. Основная реакция взаимодействия раствора силиката натрия с хлористым кальцием происходит по схеме (Б. А. Ржаницын, 1935):

Na2nSiO2 + CaCl2 + mH2O = n SiO2 (m – 1) H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

… 1,26 г/см3 сверху-вниз из расчета 140 … 180 л/м3,

а затем раствор хлористого кальция плотностью 1,07 … 1,09 г/см3 в том же количестве заходками снизу-вверх. Постоянный электрический ток пропускают во время заливки растворов и в течение нескольких суток в зависимости от проницаемости грунта. Расход электроэнергии составляет 20 … 30 кВт ⋅ ч/м3, катодами служат трубы или стальные стержни. Погружение электродов осуществляют отбойными молотками, а извлечение домкратами.

Для закрепления песков гравелистых, крупных и средней крупности с коэффициентом фильтрации kф=5…80 м/сут. используют двухрастворную силикатизацию на основе силиката натрия и хлористого кальция,
для закрепления песков средней крупности, мелких и пылеватых с kф = 0,5…20 м/сут. используют однорастворную силикатизацию на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты или ортофосфорной кислоты.
Радиус закрепления 0,3…0,6 м;
прочность закрепленных песков 2…4 МПа.

В просадочных грунтах с kф = 0,5 … 2 м/сут. используется силикатизация на основе силиката натрия. Преимуществами этого способа является мгновенный процесс закрепления и быстрое нарастание прочности во времени. При действии раствора силиката натрия на лессовые грунты происходит мгновенная обменная реакция между катионом кальция коллоидного поглощаемого компонента лессовых грунтов и катионом натрия силикатного раствора. В результате реакции образуется микрослой цементирующих известковисто-кремнеземистых новообразований и происходит прочное закрепление лессовых грунтов.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

смолизация на основе карбамидных смол и соляной кислоты. Смолизация грунтов

осуществляется путем нагнетания в грунт водных растворов или смесей из синтетических смол с отвердителем. Плотность раствора зависит от коэффициента фильтрации. Преимуществом смолизации перед однорастворной силикатизацией является возможность более прочного закрепления грунтов. При создании закрепленного массива инъекторы располагают рядами в шахматном порядке.

При закреплении лессовых грунтов силикатизацией применяются следующие конструктивные схемы:
1) сплошных массивов из закрепленного грунта под отдельные фундаменты или под все сооружение в целом, по этой схеме предусматривается вынос закрепления за контуры фундамента;
2) армирование грунтов основания в деформируемой зоне отдельными элементами из закрепленного грунта, при котором непосредственно под подошвой фундамента остаются участки незакрепленного грунта;
3) комбинированная схема, предусматривающая сплошное закрепление на некоторую глубину непосредственно под подошвой и армирование элементами из закрепленного грунта нижележащей просадочной толщи.

3.2. Инъекционное закрепление грунтов способом смолизации

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

или трещиноватый скальный) посредством системы пробуренных в грунте скважин. При этом соотношение

цемента и воды должно быть в пределах 0,1—2. Добавка сульфитно-спиртовой барды повышает подвижность цементно-песчаных и цементных растворов. Содержание барды в растворе должно быть в пределах 0,01—0,25%. Добавка хлористого кальция ускоряет схватывание растворов и увеличивает первоначальную прочность цементного камня. Содержание хлористого кальция должно быть в пределах 1—5%. После цементации значительно увеличиваются прочность и водонепроницаемость грунта.

3.2. Инъекционное закрепление грунтов способом вяжущими на основе цемента или химических компонентов

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

химических компонентов
Выполнение работ по цементационному заполнению пустот и цементации грунтового

массива

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

химических компонентов
Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

смолизация), радиуса закрепления, прочности закрепленного грунта.

2. Определение размеров закрепленного массива и

количества инъектируемого раствора. Глубина закрепления для грунтов II типа по просадочности – на всю просадочную толщу, для I типа – на верхнюю часть (в пределах hsl,p).

3. Определение размеров подошвы фундамента по нормативным значениям характеристик закрепленного грунта и в зависимости от схемы закрепления, проверка давления под подошвой.
4. Расчет осадки.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов

с вяжущими при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог в

целях:

повышения несущей способности слабых оснований зданий, сооружений, дорожных насыпей и исключения замены слабых грунтов на привозные;
полного исключения или существенного ускорения процессов консолидации грунтов слабых оснований;
- повышения общей устойчивости откосов выемок;
- укрепления оснований и засыпки подпорных стенок;
обеспечения стабильности объектов на вновь осваиваемых территориях под здания ПГС

Укрепление грунтов методом глубинного смешивания

слабых грунтов путем смешивания грунта с сухим или влажным минеральным

(или неорганическим) вяжущим материалом для увеличения устойчивости оснований и ликвидации или уменьшения осадок насыпей, осуществляемый посредством сплошного укрепления объема грунта в основании насыпи по всей его ширине («укрепление в массиве») или посредством формирования свайных полей из укрепленного грунта в сочетании с «укреплением в массиве» («комбинированное укрепление»).
вяжущий материал (вещество): Активная добавка, вступающая в химическую реакцию с грунтом и/или грунтовыми водами и образующее с грунтом новые структурные связи.
вяжущее вещество цементного типа: Цемент, известь, гипс, кремнеземная пыль и иные материалы, используемые для химического укрепления грунтов.
смесь вяжущих материалов: Смесь двух и более вяжущих материалов.
дозировка вяжущего: масса вяжущего, кг/м3 грунта.
сухое смешивание: введение в грунт вяжущего в сухом состоянии.
влажное смешивание: введение в грунт вяжущего в составе водного раствора.

глубинным смешиванием
- путем сплошного укрепления всего объема слабого грунта, залегающего

в основании насыпи на полную мощность («укрепление в массиве» - рис. 1а);
- путем сплошного укрепления объема слабого грунта в основании насыпи по всей ее ширине на неполную мощность (рис. 1б) – «укрепление в массиве на неполную мощность»;
- путем устройства в слабом основании насыпи свайного поля из свай, формируемых из укрепленного слабого грунта;
- путем сочетания последних двух методов (рис. 1в).

– прочный грунт;
4 – сваи из укрепленного грунта
Рис. 1

– Способы укрепления слабых грунтов глубинным смешиванием:
а – укрепление всего объема на полную мощность («укрепление в массиве»); б – укрепление объема не на полную мощность; в – укрепление объема не на полную мощность совместно с грунтовыми сваями из укрепленного грунта

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

при мощности слабого основания 2 м и выше и технически

обеспечивается при мощности слабого основания до 7 м.
Укрепление слабых грунтов оснований технически реализуется одним из следующих способов:
- сухим способом – обеспечением подачи под давлением сухой смеси, содержащей вяжущие материалы с одновременным обеспечением их смешивания со слабым грунтом;
- влажным способом – обеспечением подачи под давлением водного раствора, содержащего вяжущие материалы с одновременным обеспечением их смешивания со слабым грунтом.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

дорожной насыпи, как во время отсыпки насыпи, так и в

период ее эксплуатации. В целях обеспечения устойчивости основании, исключения или максимально возможного сокращения конечной величины осадки консолидации и времени ее нарастания, этот принцип конструктивно и технологически реализуется тремя основными способами: сплошным глубинным укреплением грунтов всей слабой толщи («укрепление в массиве»), «укреплением в массиве на неполную мощность слабой толщи», устройством свай из укрепленного грунта в комбинации с «укреплением в массиве».

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

оснований насыпей;
- возможность регулирования глубины и степени укрепления слабых грунтов;
-

увеличение темпов строительства.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

положений:
- «укрепление в массиве» на полную мощность (рис. 1а) применяют,

когда мощность слабого грунта не превышает 5 м, и толща, по технико-экономическим соображениям, может быть полностью, до плотных слоев минерального дна болота, укреплена вяжущими материалами;
- «укрепление в массиве» на неполную мощность (рис. 1б) применяют, когда слабые грунты, оставшиеся не укрепленными, не относятся к основаниям III типа, и их процесс консолидации под весом насыпи может завершиться в период строительства;
- «укрепление в массиве» в сочетании со сваями из укрепляемых грунтов (рис. 1в) применяют, когда слабые грунты, оставшиеся не укрепленными, имеют значительную мощность, и их устойчивость, и требуемая скорость консолидации могут быть обеспечены с помощью свай из укрепленных грунтов (вариант комбинированной конструкции).

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

толщи с устройством свай из укрепленного грунта (рис. 1в) принимается:
-

массив грунта над сваями рассматривается как полужесткий ростверк – однородный блок укрепленного грунта с механическими характеристиками СУГ, уг и ЕУГ;
- массив основания, укрепленный грунтовыми сваями, рассматривается как композиционный материал «грунтоцементная свая-грунт». Значения характеристик параметров механических свойств укрепленного сваями массива определяются путем осреднения значений механических свойств свай и грунта

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

общая нагрузка на слабое основание по подошве массива укрепленного грунта;

q1 – нагрузка на сваи; q2 – нагрузка на неукрепленный грунт в межсвайном пространстве, а – относительная площадь

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

применяют, как правило, метод КЦПС, учитывая при этом, что величину

сцепления (быстрый сдвиг) свай Ссв рекомендуется принимать в пределах 150 кПа независимо от возможных более высоких значений, полученных при проведении лабораторных или полевых испытаний. В этом случае при отсутствии экспериментальных данных для выполнения предварительной оценки общей устойчивости могут быть приняты следующие расчетные параметры сцепления Ср св и угла внутреннего трения φр.св:

Ссв ,

φр.св = 30 °
где  - коэффициент, зависящий от

расположения свай относительно предполагаемой кривой скольжения, =0 для пассивной зоны, 0,1 – для зоны прямого сдвига и 0,3 – для активной зоны – расположение зон – по рисунку 3.

слабое основание может укрепляться сваями, объединенными (рисунок 5) в виде:

блоков, одиночных свай, стенок и фигурных стенок.

Рис. 5 – Схема расположения свай из укрепленного грунта в плане:
а) сваи-блоки; б) одиночные сваи; в) сваи-стенки;
г) фигурные сваи-стенки

зависимости:

q1≤0,9ult

(10)

где q1 – нагрузка на сваю (по рисунку 2);
ult – предел прочности сваи.

ult=2С+3РZ (11)
где РZ – горизонтальное напряжение от бокового отжатия грунта

фундаментов и также состоит из трех основных этапов:
бурение инъекционных скважин;
оснащение скважин

перфорированными металлическими трубами;
нагнетание скрепляющих растворов.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

допускается оставлять в закрепленном массиве забивные инъекторы или трубы манжетно-тампонных

инъекторов в качестве арматуры. 
Непосредственно нагнетаемые в грунты рабочие растворы и смеси не должны содержать взвешенных механических примесей, затрудняющих инъекцию и закрепление грунтов в целом.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

не допуская в дальнейшем перемешивания, или применяют соответствующие фильтры, а

нагнетание гелеобразующих смесей производят только через фильтры. Нагнетание реагентов в грунты во всех случаях силикатизации и смолизации, а также при цементации крупнообломочных грунтов и гравелистых песков производится под пригрузкой, в качестве которой используются залегающие над областью инъекции грунты, само сооружение или специально уложенные бетонные плиты, которые по весу и прочностным свойствам не должны в процессе нагнетания в грунты реагентов подвергаться разрушению с выходами реагентов на поверхность или в сооружение.
Величины предельно допустимых давлений и расходов при нагнетании реагентов во всех случаях силикатизации и смолизации, а также при цементации крупнообломочных грунтов и гравелистых песков определяются на стадии проектирования на основании данных инженерно-геологических исследований.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

кинетической энергии струи цементного раствора, направляемой на разрушение и перемешивание

грунта в массиве без создания в нем избыточного давления. На первом этапе специально оборудованной под JET GROUTING буровой установкой бурится пилотная скважина диаметром 73-90 мм. Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с предварительной промывкой водным раствором под давлением до 50 атм., подаваемым непосредственно на режущий инструмент (буровую шарошку). На следующем этапе насосом высокого давления подается водоцементный раствор под давлением 450-500 атм (!). Этим высоким давлением перекрывается канал орошения и открываются 2 отверстия, в которых установлены сопла диаметром 0,8-3,0 мм. Медленно вращая (10-25 об./мин.) и медленно поднимая буровую колонну, происходит разрезание и перемешивание грунта высокой кинетической энергией струи, извергаемой из сопел. Изготовленные по этой технологии сваи могут армироваться.

технология): используются 2 компонента: вода и цемент. Технология проста и

требует лишь насоса высокого давления для перекачки цементного раствора. Диаметры свай, произведенные с помощью JET1, находятся в диапазоне от 0,5 до 0,8 м.
JET2 (двухструйная технология): необходим буровой инструмент с 2 независимыми каналами для подачи водоцементного раствора как в JET1, и - воздушной струи под давлением 0,6-1,2 МПа. При этом воздушная струя создает в грунте дополнительную кавитацию, что способствует лучшему перемешиванию раствора и разрушенного грунта. Диаметр свай может быть 0,8-1,5 м.
JET3 (трехструйная технология): необходим буровой инструмент с тремя независимыми каналами. В грунт подается дополнительно струя воды под давлением 200-300 атм. и происходит сложение трех кинетических энергий. В этом случае диаметр свай может быть от 1,2 до 2,5 м.

закрепление грунтов повышает механическую прочность, устойчивость, уменьшает сжимаемость и водопроницаемость

дисперсных грунтов. Закрепление грунтов также эффективно при заполнении пустот и каверн в закарстованных грунтовых массивах.