ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕМЕНТАЦИИ ОКОЛОСВАЙНЫХ ГРУНТОВ

Аннотация. Технология цементации грунтов оказалась весьма плодотворной и в последнее десятилетие получила широкое распространение. Область применения цементации: укрепление слабых грунтов при строительстве горных выработок, тоннелей и коллекторов, ограждение котлованов в обводненных грунтах, усиление фундаментов при реконструкции и надстройки зданий, повышение устойчивости склонов и откосов и др. Технология цементации грунта является одной из самых эффективных технологий для устранения недостатков грунта. В данной статье приведены процесс цементирования, определение параметров цементирования и механизм усиления грунтов, окружающих буронабивную сваю. Подведены итоги развития исследований по улучшению физико-механических свойств околосвайных грунтов. Также проанализированы прочностные и деформационные свойства околосвайных грунтов.

Ключевые слова: укрепление грунтов, цементация грунтов, цементный раствор, буронабивная свая.

Введение

В 1864 году в Великобритании впервые использовали цементный раствор для гидроизоляции шахт. С тех пор технология цементации грунтов широко применяется для укрепления фундаментов и устранения нежелательных геологических явлений. В 1961 году в г. Маракайбо (Венесуэла), при строительстве фундамента моста впервые использовалась цементационная труба для укрепления свайного фундамента. Из-за постоянной необходимости закрепления грунтов при строительстве возникли новые способы закрепления грунтов, одним из них является цементирование грунта под подошвой и вокруг сваи. Кроме того, все глубже исследуется решения по оптимизации технологий цементирования, механизмов усиления несущей способности и улучшения деформационных свойств грунтов.

Технология повышения несущей способности буронабивных свай.

Процесс повышения несущей способности буронабивных свай.

Увеличение несущей способности буронабивной сваи заключается в нагнетании в буровые скважины определенного количества жидкого цементного раствора, который проникает в поры окружающего сваю грунта под определенным давлением, через цементационную трубу, встроенную в корпус сваи. При использовании этого способа сначала необходимо зацементировать грунт вокруг сваи, а затем под подошвой сваи. Если принят многослойный способ цементирования грунтов, то операции также должны выполняться сверху вниз, слой за слоем.

Определение параметров цементирования.

1. Количество цементного раствора.

Количество цементного раствора определяется диаметром и длиной сваи, характеристиками грунта вокруг сваи и требованиями по увеличению несущей способности. Для определения количества цементного раствора применяются следующие формулы [2].

Количество цементного раствора под подошвой сваи определяется по следующей формуле:

Количество цементного раствора вокруг сваи определяется по следующей формуле:

В этих формулах d - диаметр сваи; L - длина сваи; h - высота уровня цементного раствора, обволакивающего сваю во время операций цементирования грунта под подошвой сваи; t - толщина слоя цементного раствора, обволакивающего сваю (ее значение связано со свойствами грунта вокруг сваи и качеством цементируемой сваи). Диапазон значений обычно составляет от 5 до 20 мм. n₀ - естественная пористость околосвайного грунта. ξ - скорость цементации, и ее значение для кропнопесчаных и среднепесчаных грунтов составляет 0,3-0,7; для глинистых и скальных грунтов, и песчаного ила - 0,2-0,3. m₀ – количество поперечных сечений сваи. Значение m₀ составляет 1/4 от количества зон цементации.

2. Нагнетание раствора под давлением.

Давление, с которым нагнетается цементный раствор – это максимальное давление, при котором перемещения сваи минимальны. Значение давления связано с плотностью, прочностью и начальным напряжением слоя грунта, глубиной скважины, необходимой зоной цементирования, последовательностью цементирования и другими факторами. Некоторые из этих факторов трудно предсказать. Следовательно, они должны быть определены путем испытаний свай на месте. Давление тампонажного слоя в слоях грунта с хорошей способностью к цементации обычно ниже 4 МПа, в то время как давление в грунтовом слое с плохой способностью к цементации составляет от 4 до 8 МПа.

3. Концентрация жидкого цементного раствора.

Жидкий цементный раствор с различной концентрацией может вести себя по-разному. Цементная паста (с водоцементным отношением около 0,8:1) обладает сильной текучестью, которая подходит укрепления слабых грунтов под подошвой и вокруг сваи. Раствор средней концентрации (с водоцементным соотношением около 0,6:1) в основном играет роль заполнения и уплотнения грунта. Густая суспензия (с водоцементным соотношением около 0,4: 1) используется для обезвоживания уже введенного цементного раствора. Таким образом, цементный раствор можно вводить несколькими слоями, от тонкого до толстого слоя один за другим.

Инженерная практика показывает, что при использовании густой суспензии с водоцементным соотношением 0,5-0,55; может быть достигнут лучший эффект цементирования.

4. Укрепляемый слой грунта.

Жидкий цементный раствор неодинаково проникает в разных слоях грунта. Таким образом, выбор толщины слоя цементного раствора оказывает существенное влияние на повышение несущей способности околосвайного грунта после цементации. Чем крупнее частицы грунта, тем лучше цементный раствор проникает в него. В слоях мелкодисперсного грунта, цементный раствор распределяется неравномерно. Если слой грунта под подошвой сваи — крупный песок, то диффузионный радиус цементного раствора может превышать диаметр сваи более чем в 3,5 раза. Сравнительный анализ большого количества результатов испытаний свай на статические нагрузки показывает, что несущая способность грунта под подошвой сваи будет увеличиваться, если частицы грунта будут становиться больше. Крупнопесчаный слой грунта является наиболее идеальным для укрепления.

Изменение несущей способности околосвайного грунта после цементирования.

После процесса цементирования несущая способность грунта может быть увеличена на 20-150% в зависимости от вида грунта, типов цементации, соотношения длины и диаметра сваи и технологии строительства.

Концы обычных буронабивных свай часто подвержены сдвигу, а кривые осадки таких свай имеют очевидные точки перегиба.

Буронабивная свая после закрепления грунта нарушает слой почвы на свайном конце и образует сваю большей прочности. Обычно это проявляется в локальном разрушении при сдвиге. Нагрузка уменьшается, и величина осадки также уменьшается.

Несущая способность грунта на конце и вокруг сваи увеличивается в разной степени. После того, как цементный раствор, окружающий сваю, затвердевает, образуется жесткая оболочка, плотно скрепленная с телом сваи. Результаты испытаний укрепленной сваи показывают, что предельная прочность на сдвиг при относительном проскальзывании между цементным слоем вокруг сваи и телом сваи составляет 780 кПа, что примерно в 10 раз больше сопротивления скального грунта. Кроме того, зона разрушения при сдвиге, возникающем между сваей и грунтом неизбежно образуется за пределами окружающего сваи цементного слоя, что означает, что цементирование оказывает «эффект расширения диаметра» на сваю.

Цементирование оказывает очевидное влияние на прочностные характеристики свай. При воздействии нагрузки на верхнюю часть неукрепленной сваи осевое усилие и поперечное сопротивление будут направлены сверху-вниз. После того, как смещение головы сваи достигнет определенного значения, возникнет сопротивление, тоже направленное сверху-вниз. Однако, под воздействием давления на подошву укрепленной сваи, усилия предварительного напряжения в свае действуют снизу-вверх. Кроме того, грунт под подошвой и вокруг сваи заблаговременно перестает деформироваться.

Сопротивление в полной мере влияет на прочность грунта, значительно повышает несущую способность и позволяет уменьшить величину осадки [4].

Заключение

Цементный раствор может повысить прочность грунта благодаря проникновению и уплотнению. Под действием нагрузки упругость грунта будет увеличиваться, в то время как пластичность будет уменьшаться.

Технология цементации вносит очевидные изменения в характеристики буронабивных свай. Из-за «эффекта расширения диаметра» и образующего при цементировании, сопротивление трению грунта, окружающего сваю, и сопротивление грунта под подошвой сваи значительно увеличивается.

Список литературы:

1. Безрук В. М., Гурячков Н. Л., Луканина Т. М. Укрепленные грунты: учеб. пособие. – М.: Транспорт, 1982. – 230 с.
2. Бройд И. И. Струйная геотехнология: учеб. пособие для вузов. – М.: АСВ, 2004. – 448 с.
3. Далматов Б. И., Лапшин Ф. К., Россихин Ю. В. Проектирование свайных фундаментов в условиях слабых грунтов. – Л.: Стройиздат, 1975.
4. Закрепление и уплотнение грунтов в строительстве: тез. докладов на IX Всесоюзном науч.-техн. совещ. – М.: Стройиздат, 1978. – 368 с.
5. Купчикова Н. В. Устройство и расчет конструкций свайных фундаментов с упрочнением грунта под нижним концом сваи путем подачи твердеющих составов // Проблемы обеспечения прочности, надежности и долговечности эксплуатируемых зданий и сооружений в жилой и производственной сферах: сб. трудов науч.-практ. конф. / АИСИ. – Астрахань, 2003.
6. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83): утв. приказом НИИОСП им. Н. М. Герсеванова. – М.: Стройиздат, 1986.