В практике строительства сооружений различного назначения иногда бывает экономически целесообразным не прорезать фундаментами значительную толщу слабых грунтов, а использовать последние в качестве оснований, предварительно укрепив их тем или иным способом с целью повышения несущей способности. Грунты укрепляют как для повышения их прочности, так и для уменьшения сжимаемости и просадочности.
Методы искусственного укрепления грунтов находят достаточно широкое применение в промышленно-гражданском строительстве. В мостостроении их применяют редко, преимущественно при усилении фундаментов существующих сооружений. Используемые в практике фундаментостроения многообразные способы искусственного повышения несущей способности грунтов можно свести к следующим основным методам: уплотнение грунтов; закрепление грунтов; замена слабых грунтов.
В настоящее время достаточно хорошо освоены и широко применяются механическое уплотнение, цементация и силикатизация грунтов, в меньшем объеме — обжиг и электрическое закрепление грунтов и пока редко — смолизация.
Уплотнение грунтов
Уплотнение грунтов представляет собой механический процесс сближения частиц грунта, в результате которого уменьшается его пористость по сравнению с естественной и, как следствие этого, повышается его несущая способность. Различают способы поверхностного (на глубину до 2,5 м) и глубинного (на глубину 12 м и более) уплотнения грунтов. Поверхностное уплотнение производят укаткой, трамбованием или вибрацией. Для осуществления глубинного уплотнения используют воздействие вибрации, взрывов, применяют грунтовые и песчаные сваи, бумажные дрены и т. п.
Укатку и трамбование рекомендуется вести при влажности грунтов, близкой к оптимальной, т. е. при той, при которой достигается наибольший эффект уплотнения. Оптимальная влажность для песка мелкого и средней крупности составляет 10—15%; для песка пылеватого — 14—23%; для супесей — 9—15%; для суглинков принимается на 1%, а для глин на 2% ниже влажности на границе раскатывания. Увлажнение грунта с целью доведения его влажности до оптимальной осуществляют поливочной машиной или из шлангов.
Грунт укатывают тяжелыми катками различных конструкций, которые широко применяют в дорожном строительстве для уплотнения насыпей. За один проход катка грунт уплотняется на глубину до 20 см, а при многократном проходе — до 60 см. Методом укатки целесообразно уплотнять супеси, суглинки и глины на значительных по площади территориях.
Для уплотнения грунтовых оснований фундаментов сооружений разного назначения, включая мосты, катки не используют. В этих случаях более целесообразно применение трамбовок различных конструкций, в том числе свободно падающих, дизельных, пневматических и вибрационного действия.
Наиболее простыми и достаточно эффективными являются тяжелые трамбовки, сбрасываемые с высоты 3—4 м на уплотняемый грунт посредством кранов, оснащенных фрикционными лебедками. Такие трамбовки массой до 3,5 т делают из чугуна или желзобетонав форме усеченного конуса с основанием диаметром 1—2 м.
Тяжелыми трамбовками можно хорошо уплотнять насыпные, рыхлые песчаные и сильно сжимаемые глинистые и лессовые грунты. При трамбовании грунт уплотняется на глубину до 2,5 м (рис. 5.1), что обеспечивает повышение несущей способности основания до 30%. Подвергнутый трамбованию лессовый грунт, как правило, теряет просадочные свойства в пределах зоны уплотнения и осадка его значительно уменьшается. Одной тяжелой трамбовкой в течение смены можно уплотнить 100— 150 м2 площади основания. Существенным недостатком использования тяжелых трамбовок является быстрая изнашиваемость тросов, лебедок и кранов.
Более совершенным способом поверхностного уплотнения несвязных грунтов является вибрационный. В практике возведения сооружений применяют виброплощадки и виброкатки массой от 1,6 до 20 т. Вынуждающая сила вибраторов 100—220 кН при частоте колебаний 600— 3000 мин-1. Подобными механизмами за 1ч можно уплотнять грунт на площади 50—300 м2 на глубину 1—2 м.
Для глубинного уплотнения рыхлых песков, содержащих не более 20% пылеватых и глинистых частиц, наиболее эффективно использование гидровиброуплотнения.
В зависимости от гранулометрического состава пористость уплотняемого песка может быть снижена с 50 до 26%. При этом по мере уплотнения поверхность грунта понижается на 10—20% толщины слоя, что необходимо учитывать при назначении отметки верха уплотняемого массива.
Для глубинного уплотнения песчаных грунтов в пределах суши применяют гидровибратор в виде толстостенной стальной трубы диаметром 15—20 см, в нижней части которой установлен вибратор. В трубе сделаны отверстия для подачи напорной воды под давлением 0,3—0,6 МПа в уплотняемую зону грунта в процессе работы вибратора.
В зависимости от конструкции вибраторы могут уплотнять грунт в радиусе до 2 м и на глубину до 12 м с производительностью от 200 до 600 м3 грунта за 1 ч.
Сущность уплотнения основания грунтовыми сваями заключается в устройстве в его, пределах скважин, заполняемых грунтом с последующим уплотнением. Скважины устраивают путем вытеснения грунта природного сложения из объема, занимаемого каждой из них, что позволяет существенно уплотнить находящийся между ними грунт. Благодаря увеличению плотности грунтов в сваях и в междусвайном пространстве несущая способность оснований из связных грунтов повышается до 40%, а из несвязных — в 1,5—2 раза. При этом уменьшается их сжимаемость и снижается степень фильтрации воды. Этим способом можно уплотнять рыхлые пески, макропористые грунты, а также суглинки и илы, находящиеся в мягкопластичном состоянии.
Расстояния между сваями принимают исходя из требуемой степени уплотнения грунта, его физико-механических свойств, а также реальных возможностей применяемого технологического оборудования.
В связных грунтах, способных держать вертикальные стенки, скважины пробивают инвентарным сердечником или взрывным способом. Заполняют их уплотненным глинистым грунтом, а в макропористых грунтах — теми же грунтами, но укладываемыми с трамбованием и увлажнением.
Для уплотнения водонасыщенных рыхлых песчаных грунтов, мелких и пылеватых песков, в том числе с прослойками суглинков и глин, применяют песчаные сваи. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления грунтовых свай.
