Укрепление грунтов под фундаментом здания

Укрепление грунтов – методы и результаты

При необходимости увеличения прочности и снижения деформативности грунтов в основаниях существующих и эксплуатируемых объектов нового строительства и реконструкции, а также при проведении реконструкции объекта и соответствующем увеличении нагрузок на фундаменты и соответственно на основание, производится усиление грунтов  – для улучшения их физико-механических характеристик.

При этом подобное изменение происходит как в результате увеличения сцепления частиц грунта между собой, так и вследствие принудительного изменения структуры грунта и повышения его плотности посредством механического уплотнения.

Существует немало способов закрепления оснований зданий и сооружений. Для этого в грунтовое основание под давлением нагнетаются различные виды вяжущих материалов в жидком, пастообразном состоянии, в виде порошка; на массив может оказываться воздействие электротоком, он будет подвергаться охлаждению или нагреву; грунт уплотняется, выполняются сваи и устраивается шпунтовое ограждение.

Определение конкретного способа укрепления грунтов основания производится на основе анализа состава, структуры и влажности грунта, изучения конструктивных особенностей фундамента и всего здания в целом, а также причин, вызвавших необходимость усиления.

В каких случаях необходимо укрепление грунтов

Улучшение физико-механических показателей грунтовых оснований – мероприятие сложное и весьма дорогостоящее. Поэтому усиление грунтов выполняется в тех случаях, когда необходимо решать следующие задачи:

• усиления конструкций фундаментов под существующими зданиями и сооружениями, в т.ч. при проведении их реконструкции;
  
  
• возведения объектов промышленного и гражданского назначения в условиях просадочных грунтов;
  
  
• восприятия новых статических и динамических нагрузок от строящихся и построенных рядом сооружений;
  
  
• устранения просадочности грунтовых оснований в случае их замачивания грунтовыми или поверхностными водами как природного, так и техногенного характера;
  
  
• устройства сухих котлованов в водонасыщенных грунтах;
  
  
• защиты конструкций фундаментов от воздействия вод природного и техногенного характера с повышенной агрессивностью по отношению к бетону;
  
  
• увеличения прочностных характеристик свай и опор большого диаметра.

При соответствующем технико-экономическом обосновании, доказывающем эффективность предложенных мероприятий, технологии закрепления основания могут использоваться и в других случаях.

Необходимость усиления грунтов определяется проектной или эксплуатирующей организацией в каждом конкретном случае:

• при новом строительстве по результатам анализа материалов инженерно-геологических изысканий, в которых можно обнаружить грунты, обладающие недостаточной прочностью или их перенасыщенные грунтовыми водами;
  
  
• при реконструкции и капитальном ремонте уже построенных и эксплуатируемых зданий, когда в ходе подготовки проекта при обследовании и оценке технического состояния объекта в надземной и подземной частях выявляются деформации всего сооружения или его отдельных конструкций.

В этих случаях проектная организация рассчитывает характеристики основания, необходимые для восприятия фактических нагрузок от здания или сооружения, а субподрядная организация, специализирующаяся на работах по закреплению грунтов, разрабатывает проект производства работ, результатом реализации которого будет создание грунтового основания с требуемыми физико-механическими показателями.

Как закрепляют грунтовое основание

Существует много возможностей, реализация которых позволит повысить прочность и снизить водопроницаемость грунтовых оснований, однако чаще всего используются следующие виды:

Закрепление с использованием этих технологий не мешает нормальной эксплуатации здания, где производятся работы, но его выполнение позволяет повысить прочностные характеристики грунтов до величины, требуемой реальными геологическими условиями или возросшей нагрузкой.

В зависимости от фактического состояния грунтов закрепление оснований зданий и сооружений может производиться с использованием различных методов, в частности:

при укреплении грунтов основания физико-химическими методами используются технологии:

• цементации, которая максимально эффективна при закреплении крупнообломочных скальных пород, песка, галечников, а также для ликвидации каверн, образовавшихся в грунте карстовыми явлениями. Для достижения грунтом необходимых показателей в него нагнетается раствор на цементной основе. Заполнение пустот в грунтовом массиве происходит под давлением, которое создает насос, прокачивая раствор через перфорированные трубы. После его твердения, грунтовый массив повышает прочность и резко уменьшает водопроницаемость. На долговечности грунта, обработанного таким методом, сказываются грунтовые воды, в частности их скорость течения;
  
  
• струйной цементации, технология которой предполагает перемешивание под высоким давлением частиц грунта с раствором на цементной основе, закачанным в закрепляемый массив;
  
  
• глинизации, благодаря которой трещиноватые скальные породы приобретают высокую водонепроницаемость. Для реализации этого в грунт под давлением закачивается водно-глинистая суспензия, которая проходя сквозь отверстия в опущенной в заранее пробуренную скважину перфорированной трубе, заполняет пустоты между частицами и поры, благодаря чему исключается возможность проникновения воды в грунтовый массив;
  
  
• битумизации, которая используется в грунтах, где из-за высокой скорости течения грунтовых вод использовать стандартный метод цементации невозможно. Метод имеет две разновидности: горячей битумизации (эффективной в гравелистых и трещиноватых грунтах) и холодной битумизации (применимый в песчаных грунтах). В первом случае используется горячий битум, а во втором – мастики на битумной основе.

↑

химическое укрепление грунтов основания также выполняется несколькими способами, среди которых:

• силикатизация – может быть двухрастворной : когда в песчаные грунты с невысоким коэффициентом фильтрации при помощи компрессора, создающего необходимое давление, через перфорированные трубы поочередно поступают растворы хлористого кальция и жидкого стекла (силиката натрия). Эти химикаты при попадании в грунт образуют гели кремневой кислоты, которые позволяют грунтам повысить прочность до 6 МПа и свети к минимуму водопроницаемость. При необходимости закрепления массивов, состоящих из песчаных и просадочных грунтов, обладающих невысоким коэффициентом фильтрации, применяют метод однорастворной силикатизации, где для закрепления используются двух-, трехкомпонентные составы на основе жидкого стекла;
  
  
• электросиликатизация – сферой применения является закрепление грунтовых массивов, состоящих из мелкозернистых песков и супесей повышенной влажности, с низким коэффициентом фильтрации. При реализации этого метода на грунты, обработанные силикатными составами, воздействует постоянный электрический ток;
  
  
• газовая силикатизация – когда для отверждения жидкого стекла применяется углекислый газ. Такая технология укрепления грунтов используется при необходимости повышения прочностных характеристик грунтов с большим количеством органических примесей, а также песчаных и лессовых грунтов, с низким коэффициентом фильтрации. Этот способ позволяет получить быстрый результат, увеличивая прочность закрепленных грунтов до величины 2 МПа;
  
  
• смолизация –  в ходе нее производится корректировка характеристик песчаных и лессовых грунтов со средним коэффициентом фильтрации введением в них водных растворов полимерных смол. Управление процессом твердения производится посредством регулирования количества отвердителя. После смолизации прочность грунтов достигает значения 5 МПа, а кроме этого, они приобретают повышенную стойкость к воздействию влаги.

↑

термическое закрепление грунтов:

• используется в ситуации, когда требуется повысить несущую способность маловлажных глинистых грунтов, устранения у лессовых грунтов свойств просадочности и пучинистости, для фиксации откосов траншей, котлованов и грунтовых насыпей.

Для усиления грунтов основания посредством термического закрепления бурится скважина необходимой глубины и требуемого диаметра. В ее устье или глубине сжигается жидкое (дизтопливо, мазут, сжиженный газ), твердое (уголь) или газообразное топливо. Чтобы добиться повышенной эффективности процесса, в скважину под давлением от 15 до 50 кПа подается избыточное количество воздуха. Под воздействием огня непосредственно в скважине и от горячих газов, проходящих через поры в массиве грунта, происходит спекание отдельных частиц. Благодаря этому прочность на одноосное сжатие термообработанного грунта может достигнуть величины 1 кПа.

Если глубина скважины не позволяет обработать ее целиком, то первоначально термическому воздействию подвергается верхняя часть, поскольку это позволит создать участок, на котором происходит образование факела обжига, а далее обжиг производится по захваткам. Максимальная глубина усиления грунтов основания таким способом составляет 20 м, а расстояние между скважинами определяется в зависимости от конструкции фундаментов. Температура обжига зависит от цели термического воздействия и колеблется от 300°С при закреплении откосов и до 900°С при устройстве термогрунтовых свай, а его продолжительность варьируется от 5 до 10 суток. В состав нагревательной установка, с помощью которой производится термическое закрепление грунта входит возхдуходувка - генератор сжатого воздуха или компрессор с трехполостной форсункой, одна полость которой управляет расходом топлива, другая подмешивает к топливу воздух для образования факела, а третья охлаждает воздухом корпус.

Другим видом термического укрепления грунтов является их искусственное замораживание, которое позволяет на некоторое время закрепить слабые водонасыщенные грунты. Эта технология предполагает подачу хладагента в систему скважин, расположенных с расчетным шагом по участку, с последующим созданием высокопрочного и водонепроницаемого массива ледогрунта. В качестве хладагента может использоваться охлажденный до температуры -25ºС раствор кальция или натрия высокой концентрации (рассольный способ замораживания грунтов) или жидкий азот, испаряющийся при температуре – 196ºС (метод замораживания грунтов сжиженным газом).

↑

механические методы усиления грунтов основания предполагают уплотнение грунтов различными способами, в частности:

• поверхностным уплотнением, которое выполняется при помощи виброкатков, трамбовок, специальной грунтоуплотняющей техники. Подобные методы в большинстве своем позволяют уплотнить грунтовый слой толщиной 1,5 – 2,0 м, а использование тяжелой техники – до 10 м.
  
  
• устройством грунтовых и песчаных свай в просадочных грунтах. Для этого в грунтовый массив в шахматном порядке погружаются стальные трубы, грунт, находящийся внутри них заменяется песком, каждый слой которого при засыпке подвергается уплотнению. После этого трубы извлекаются.
  
  
• виброуплотнением, когда повышение плотности песчаных водонасыщенных грунтов происходит за счет погружения в них специальных грунтовых вибраторов.
  
  
• предварительным замачиванием массива, в котором преобладают просадочные грунты, что дает возможность заранее избавиться от этих особых свойств.

↑

использование конструктивных элементов здания в целях усиления грунтов основания, которые используются при соответствующем технико-экономическом обосновании. К ним можно отнести:

• грунтовые подушки, в ходе устройства которых слабые грунты заменяются на малосжимаемые – песок, щебень, песчано-щебеночная смесь;
  
  
• шпунтовое ограждение, препятствующее выпиранию грунта из-под фундамента при откопке глубоких котлованов рядом с существующим зданием. Стальной шпунт погружается на необходимую глубину с тем, чтобы войти в плотные слои грунта, пройдя через малопрочные;
  
  
• противофильтрационные завесы, выполняемые посредство закачивания суспензии, приготовленной на основе бентонитовых глин в скважины, предварительно пробуренные по периметру защищаемого котлована. В результате, после твердения раствора, образуется водонепроницаемый экран.

↑

укрепление грунтов при помощи геополимеров - современные технологии, позволяющие повысить прочность грунтового основания, к которым относятся:

• метод инъекционного укрепления грунтов геополимерами, позволяющий повысить прочностные показатели грунтов, расположенных под зданием, связывая между собой их частицы. При этом эксплуатация объекта продолжается своим чередом, поскольку метод не требует установки тяжелого и объемного оборудования, разборки конструктивных элементов здания. На подготовительном этапе выполняется динамическое зондирование грунтов, на основании которого определяется их состояние и принимается решение о количестве, расположении и глубине инъекционных скважин. После этого в намеченных точках рядом с фундаментами здания, требующими усиления, пробуриваются шпуры диаметром около 12 мм, куда вставляются и закрепляются инъекционные пакеры – пластиковые или металлические устройства с обратным клапаном, через которые под давлением подается геополимер. Расширяясь он заполняет пустоты и увеличивает плотность грунта до определенного уровня, по мере достижения которого геополимер своим твердением создает направленное вверх давление, позволяющее устранить просадку фундаментов. При помощи инъекционного укрепления грунтов с использованием геополимеров стабилизация грунтов займет намного меньше времени, чем применение традиционных методов. А еще этот способ не зависит от климатических условий при производстве работ и может использоваться для большинства видов грунтов. Кроме этого геополимерные составы экологически чисты и обладают отличными гидроизоляционными показателями. Использование геополимеров при инъекционном укреплении грунтов позволяет варьировать технологии в зависимости от задач, которые необходимо решать. Так для возвращения в проектное положение просевшего фундамента целесообразно использовать глубокопочвенное инъектирование, а выровнять плиту пола можно при помощи метода стабилизации основания. При необходимости стабилизации положения фундамента, расположенного на грунтах с низкой несущей способностью и их усиления используется технология геополимерных колонн. Применение способов инъекционного укрепления грунтов с использованием геополимеров позволяет в несколько раз снизить продолжительность работ по сравнению с традиционными методами при одинаковых результатах;
  
  
• устройство геополимерных колонн – способ, при котором в пробуренные под просевшим фундаментом скважины на глубину до 6 м погружается пакер, который располагается внутри емкости из кевлара – высокопрочного полимерного волокна. После достижения проектной отметки в емкость под давлением подается геополимер – высокопрочный композитный материал на основе природных минералов и полимерных составов, который при твердении расширяется, уплотняя окружающий его грунт. При этом 90% прочности он набирает за 15 минут;
  
  
• устройство стены по периметру фундамента, для чего необходимо его полностью отрыть.

Однако инъекционное укрепление грунтов производится не только с использованием геополимеров: физико-химические и химические методы также выполняются посредством инъектирования минеральных и полимерных составов в грунтовый массив, поэтому важно понимать основные принципы этих технологий, а также знать номенклатуру оснастки и оборудования, необходимых при выполнении работ такого вида.

↑

Преимущества технологии инъектирования грунтов

Среди различных методов укрепления грунтов фундаментов технология инъектирования с использованием геополимеров становится приоритетной благодаря своим преимуществам, к которым можно отнести:

• возможность производства работ в стесненных условиях;
  
  
• возможность локализации зоны производства работ;
  
  
• отсутствие необходимости выполнения работ по выемке грунтов;
  
  
• возможность выполнения усиления без нарушения режима эксплуатации здания;
  
  
• независимость работ от климатических условий;
  
  
• отсутствие факторов, загрязняющих окружающую среду, низкий уровень вибрации и шума;
  
  
• высокие прочностные показатели и долговечность полученного основания;
  
  
• экологическая чистота используемых при инъектировании материалов;
  
  
• минимальное количество образующихся отходов.

Эта технология способна создать основание нормальной прочности вместо замоченных и просевших грунтов под существующим зданием.

Основные принципы технологии инъектирования грунтов

При использовании химических и физико-химических методов укрепления грунтов работы могут выполняться по одной из трех схем:

• инъектирование грунтов с поверхности земли. При этом узел приготовления растворов может либо перемещаться по мере движения фронта работ, либо оставаться в первоначальной точке, подавая инъекционный раствор к месту закрепления по системе труб;
  
  
• закрепление грунтов из забоя с закреплением и проходкой, выполняемыми поочередно, при расположении бурильного и инъекционного оборудования в подземной выработке;
  
  
• закрепление грунтов из забоя, при расположении в подземной выработке бурового оборудования и на поверхности земли смесительного и насосного.

При использовании такой технологии необходимо обеспечивать ритмичное расположение инъекционных скважин, которые должны располагаться таким образом, чтобы создать сплошное усиление грунтов основания объекта и оконтурить его. Расстояние между ними рассчитывается с учетом характеристик грунта и показателей инъекционного раствора. Диаметры скважин определяются исходя из технических характеристик бурильных станков и машин. Для погружения в грунт перфорированных труб – инъекторов может использоваться как забивка или задавливание, так и погружение в предварительно пробуренную скважину. В этом случае метод зависит от показателей грунта, глубины инъектирования, характеристик бурильных машин и наличия окружающей застройки.

По-другому реализуется технология укрепления грунтов фундаментов инъектированием с использованием геополимеров. Этот метод чаще всего применяется для восстановления прочностных характеристик грунтов, расположенных под существующим зданием, находящимся в недопустимом состоянии из-за просадки фундаментов. В этом случае рядом с существующими фундаментами пробуриваются шпуры диаметром 12 – 16 мм, низ которых должен располагаться глубже отметки подошвы фундамента.

В шпуры опускаются трубки, верх которых закрывается полимерными или металлическими пакерами, через которые геополимер под давлением, создаваемым насосами, подается в грунт. Для исключения возможности пролива состава на поверхность, в пакерах имеется обратный клапан. Подача состава производится порциями, каждая из которых заполняет поры грунта на своем уровне и затвердевая, повышает давление в основании.

Через определенное время последние порции твердеющего геополимера, расширяясь, смогут подпереть просевший фундамент и возвратить его в проектное положение. Таким способом можно выполнить укрепление грунтов фундамента и поднять его на величину до 20 см.

Материалы и оборудование, необходимые для инъектирования грунтов

Материалы, необходимые для инъектирования грунтовых оснований с целью повышения их прочностных характеристик и восстановления первоначальных физико-механических показателей, подбираются индивидуально, в зависимости от многих факторов – состава и состояния грунта, глубины и диаметра скважин и шпуров, вида насосного оборудования и растворных станций. Наряду с традиционными растворами, состав которых описан неоднократно, укрепление грунтов фундаментов производится с использованием современных полимерных материалов:

• полиуретановых смол низкой вязкости, способных заполнять поры и трещины любых размеров, образующих при реакции с водой плотную водонепроницаемую полужесткую пену с закрытой мелкопористой структурой, объем которой в 40 раз больше исходного;
  
  
• акрилатных гелей, обладающих очень низкой вязкостью и минимальным временем гелеобразования. При взаимодействии с водой гель в 1,5 раза увеличивается в объеме, заполняя поры и трещины грунта;
  
  
• на основе тонкодисперсных микроцементов, которые благодаря микроскопическому размеру частиц свободно проникают в трещины и поры грунтов, повышая их прочность, водонепроницаемость и долговечность.

Это не исчерпывающий перечень, поскольку новые материалы, повышающие характеристики грунтовых оснований, появляются на рынке регулярно.

При разработке проекта производства работ по укреплению грунтовых оснований важен рациональный выбор оборудования, поскольку от этого во многом зависит экономичность предложенного способа увеличения несущей способности основания.

Основным видом оборудования, от которого зависит качество работ по усилению грунтов способом инъектирования, являются насосы. В этих целях используются:

• поршневые насосы, небольшие, простые в устройстве и ремонтопригодные. Могут использоваться для работы с составами, обладающими высокой вязкостью – минеральными, полимерными, на основе микроцементов;
  
  
• мембранные насосы, используемые при необходимости равномерного нагнетания составов средней или низкой вязкости;
  
  
• пневматические насосы высокой производительности, работающие от компрессора и предназначенные для равномерной подачи полимерных и минеральных составов.

Подача растворов на основе цемента в скважину производится при помощи инъектора, который для закрепления грунтов на глубину до 5м погружается при помощи отбойного молотка, состоящего из следующих элементов:

• наконечника – перфорированной трубы с острым наконечником;
  
  
• штанг – отрезков трубы диаметром от 25 до 74 мм, длиной до 1,5 м, которые наращиваются по мере погружения инъектора;
  
  
• оголовка - стакана, способного воспринять ударные нагрузки при погружении инъектора в грунт.

Важным элементом технологии усиления грунтов основания методом инъектирования является пластиковый или металлический пакер  – устройство, через которое в перфорированную трубку подаются составы для инъектирования. С целью исключения возможности аварийного выброса инъектирующего раствора, пакер оборудуется обратным клапаном. Номенклатура оборудования, необходимого для работы станции приготовления раствора, определяется в зависимости от рецептуры инъектирующей смеси и особенностей технологии производства работ.

Почему именно «Прайм»?

Если у строительно-монтажных компаний, ведущих работы на территории Москвы и Московской области, возникает необходимость в усилении грунтов на земельном участке, отведенном под новое строительство, под фундаментами здания, подлежащего реконструкции или просевшего из-за изменившихся грунтовых условий, многие генподрядные организации обращаются к нам – в ООО «Прайм».

Это обусловлено:

• семилетним периодом нашей деятельности, в течение которого не было получено ни одной обоснованной рекламации;
  
  
• имеющимся у нас опытом работ по этому профилю;
  
  
• штатом специалистов, знающих особенности технологии инъектирования грунтов различными современными материалами;
  
  
• наличием специальной техники и оборудования.

Регулярное повышение квалификации сотрудников нашей компании позволяет ООО «Прайм» быть в курсе новых разработок в строительной сфере и в короткие сроки осваивать передовые технологии. Все это обеспечивает выполнение усиление грунтов в сжатые сроки и с высоким качеством, а также дает результат, предусмотренный проектными материалами.