Досвід і перспективи підсилення основ вертикальними грунтоцементними елементами у міському будівництві

Відмінними ознаками сучасного будівництва на Полтавщині є:

переважно будуються багатоповерхові безкаркасні житлові будинки з цегляними несучими стінами (до 14 поверхів); з офісами, магазинами і паркінгами на першому поверсі і у підземних приміщеннях;

ці будівлі розміщуються на території існуючої забудови, як на вільних місцях у сучасних мікрорайонах, так і безпосередньо на майданчиках, що утворені знесенням старих будівель і споруд;

при стисненій забудові нові будівлі розташовуються безпосередньо біля існуючих, або з невеликими інтервалами між ними; коли не врахувати вплив новобудов на існуючі будівлі, як у період будівництва, так і при подальшої експлуатації, матимемо пошкодження останніх;

за останні 50 років інженерно-геологічні умови у межах міста значно погіршилися внаслідок техногенних чинників; на території міста, яка розташована на плато, за цей термін ґрунтові води у деяких районах піднялися на 7-9 м; це явище перетворило лесові ґрунти у слабкі і розташування на них сучасних будівель потребує використання пальових фундаментів довжиною до 12 м; у 70 роки минулого сторіччя при освоєнні під забудову заплави річки Ворскли було виконано неорганізований намив висотою до 6 м, під яким було заховано усі болота з шарами мулів, торфів і заторфованих ґрунтів, тому будівництво в умовах намиву теж потребує використання пальових фундаментів для їх прорізання;

особливістю території міста, яка розташована на лесовому плато, є наявність підземних порожнин антропогенного походження, тобто створених людиною у різні часи; це стародавні підземні ходи, утворені шляхом проходження до глибини 9 м як схованки людей і майна майже 1000 років тому; це більш пізні підземні споруди, утворені шляхом проходження до глибини 7 м як погреби для зберігання продуктів; це підвали знесених будинків глибиною до 4 м.

Найбільш поширені на Полтавщині збірні залізобетонні призматичні палі перерізом 300х300 і 350х350 мм і довжиною до 12 м. Занурення в ґрунт таких паль звичайно виконується динамічним методом - за допомогою дизельних молотів різної конструкції. Але будівництво в умовах існуючої забудови ставить перепону динамічному методу занурення паль з причини негативного впливу коливань на конструктивну цілісність існуючих поблизу будівель і споруд з однієї сторони і на самопочуття людини - з іншої.

В Україні і за її межами збірні палі поступово замінюються набивними (монолітними), які виготовляються за різними технологіями: буронабивні, струменеві, буро- ін'єкційні, у розкоченій порожнині тощо. Такі палі не викликають динамічних впливів і підвищених шумів, але порожнини, які для них необхідно утворювати, необхідно захищати від прориву рухливих ґрунтів (справжніх і несправжніх пливунів). Від їх прориву не захищає навіть обсадження свердловин. Надійним способом захисту у цьому випадку є проходження свердловини під захистом глинистого розчину з наступним підводним бетонуванням свердловини. Можна стверджувати що напрямок технічного прогресу у пальовому будівництві іде від використання збірних паль до монолітних (набивних).

На перехідному етапі між забивними збірними палями і набивними отримав достатньо широке впровадження метод статичного вдавлювання збірних паль за допомогою різних конструкцій поліспастів або гідравлічними пристроями. Особливістю цього методу є необхідність у противаговому пристрої, який повинен буди у 1,5 рази більшим ніж проектна несуча здатність палі. При зануренні паль у алювіальні відклади (коли там переважають піски) цей коефіцієнт повинен бути більшим ніж 3, але і ця умова у більшості випадків не вирішує проблему занурення паль на проектну відмітку. Між іншим, у пісках подібних ефект спостерігається і при зануренні паль динамічним методом.

Складності, які у певних умовах проявляються при зануренні паль, а також пошуки більш технологічних і економічних рішень при будівництві на слабких ґрунтах, сприяють розробленню нових конструктивних рішень фундаментів. Одним із таких рішень є підсилення товщі слабкого ґрунту різними способами (ущільненням, ін'єктуванням, електрохімічним обробленням тощо) з наступним влаштуванням на штучній основі стрічкових або плитних фундаментів.

В останні роки з розвитком технологій влаштування набивних паль отримав впровадження новий метод влаштування штучних основ шляхом армування слабких ґрунтів вертикальними жорсткими елементами. Ефект такого армування основ полягає у тому, що у певному об'ємі слабкого ґрунту частина його замінюється жорстким матеріалом з достатньо великим модулем деформації. Модуль деформації утвореної штучної основи визначається як середньовиважений. Він може регулюватися за рахунок зміни відстані між сусідніми елементами армування [1, 2, 3, 4, 5].

Вертикальні жорсткі елементи можуть бути виготовлені за допомогою таких відомих технологій як ґрунтонабивної, буронабивної, струменевої і навіть забиванням паль. Вони виконують роль елементів армування, коли між їх головами і фундаментом немає безпосереднього контакту. Їх, звичайно, розділяє подушка із щебеню товщиною рівною половині відстані між сусідніми елементами армування.

Одним із ефективних напрямків зниження вартості пальового фундаментобудування є використання у якості матеріалу ґрунтів, які залягають в основі будівель. Це досягається при використанні бурозмішувальної технології. За допомогою спеціального обладнання виконують розпушування ґрунту безпосередньо у масиві без його виймання. Одночасно у розпушений ґрунт нагнітається цементна суспензія та виконується перемішування й ущільнення ґрунтоцементної суміші. Після тужавіння суміші за всією товщиною слабкого шару утворюється міцний ґрунтоцементний матеріал, який не розмокає у водному середовищі. Такі елементи можливо утворювати і у водонасиченому ґрунті, тобто нижче рівня ґрунтових вод. Досліди, які було проведено у часі з визначення міцності ґрунтоцементу показали його зростання навіть через роки після виготовлення [6].

Метод влаштування стрічкових фундаментів на штучній основі, яка підсилена вертикальними елементами армування, було досліджено при будівництві багатоповерхового житлового будинку в нагорній частині м. Полтави. Будинок, який розглядається, має цегляні несучі стіни з максимальним навантаженням до 1400 кН на один погонний метр. За даними вишукувань інженерно-геологічні умови будівництва ускладнені тим, що ділянка забудови складена просадочними ґрунтами (перший тип ґрунтових умов за просадочністю). Крім того у межах плями будівлі вірогідно розташування порожнин, які мають значне заглиблення (до 7 м нижче поверхні Землі).

Армоцементні елементи, які виготовлялися за бурозмішувальною технологією, мають діаметр 200 мм і довжину нижче дна котловану – 5300 мм. Наявність армування в основі збільшує до необхідної величини її модуль деформації. Величина його залежить від відстані між елементами армування, яка у даному випадку коливалася від 600 до 800 мм.

Для перевірки ефективності армування основи у конкретних умовах будівельного майданчика були проведені дослідження стисливості основи шляхом випробовування ґрунтів штампом. Перевірка стисливість основи була проведена у природному і зволоженому станах грунту до та після його армування.

Розрахункову схему випробовувань прийнято відповідно до наведеної на рис. 1.

Рис. 1. Схема випробувань основи, яка армована вертикальними ґрунтоцементними

елементами, залізобетонним квадратним штампом.

При відстані між елементами 600 мм штамп розміром у плані 1200х1200 мм завантажує площу, яка армована 12 елементами.

Рис.2. Результати випробовувань основи штампом: 1- природна зволожена; 2- природна; 3- армованазволожена; 4- армована не зволожена.

Польові випробовування ґрунтів штампами виконані відповідно до ДСТУ Б В.2.1.-7-2000 (ГОСТ 20276-99) Ґрунти. Польові випробовування. Для створення вертикального стискуючого навантаження на штамп була використана вантажна платформа з бетонними фундаментними блоками загальною вагою 800 кН. Вона слугувала упором для гідравлічного домкрата. Навантаження штампу ступенями по 62-92 кН проведено гідравлічним домкратом ДГ - 100. Тиск у домкраті створювали за допомогою насосної станції НС - 600 Для виміру осідання штампу на реперній системі з стального прокату використано чотири прогиноміри конструкції Аістова с ціною поділки 0,01 мм.На рис.2 наведені графіки залежності осідання штампу від навантаження для чотирьох різних станів основи житлового будинку, які були визначені вище.

У ДСТУ Б В.2.1.-7-2000 передбачена максимальна величина штампа А = 5000 см². Нами з причини, що була вказана вище, використаний штамп площею А = 14400 см². Тому при підрахунках модуля деформації необхідно було врахувати масштабний ефект при випробовуваннях. Чим більший штамп, тим менше значення модуля деформації Е. Тому,щоб привести модуль деформації до стандартного штампа, слід використати масштабний коефіцієнт, який при р = 0,2-0,3 МПа складає m=1,4 [7]. Розрахунковий опір ґрунту на цьому етапі досліджень визначався як перше критичне напруження σ1 (абсолютно безпечне з точки зору міцності основи), яке визначено за точкою відхилення графіка від прямої.

З урахуванням задекларованих положень модуль деформації і розрахунковий опір основи за результатами випробовувань штампами cклали для:

природної основи Е = 9,5 МПа; = 0,260 МПа;

для зволоженої основи Е = 5 МПа; = 0,145 МПа;

для армованої основи Е = 15,6 МПа. = 0,385 МПа;

для зволоженої армованої основи Е = 14,5 МПа; = 0,370 МПа.

Таким чином, за даними штампових випробовувань для неармованої основи при зволоженні ґрунту до ступенявологості Sr>0,8 модуль деформації зменшився практично у два рази. Після армування основи, складеної ґрунтами першого типу за просадочністю, модуль деформації зменшився внаслідок

зволоження всього на 7,5%, що знаходиться у межах точності визначення характеристик ґрунту. Внаслідок армування основи вертикальними ґрунтоцементними елементами модуль деформації ґрунту в заданому стані (при водонасиченні до Sr >0,8) збільшився у 3 рази, а розрахунковий опір - більше ніж удвічі.

При проведенні інженерно-геологічних вишукувань на майданчику будівництва житлового будинку було встановлено вірогідність наявності підземних порожнин у межах плями будівлі на глибині до 7 м нижче поверхні Землі (до рівня ґрунтової води).

Звичайно у таких умовах використовуються пальові фундаменти з прорізанням товщі, яка містить порожнини, але при подальшому аналізу цього рішення у конкретних умовах просадочної товщі ґрунтів було визначені такі його недоліки:

так як положення і глибина порожнин не визначені, розміщення і умови роботи обладнання для занурення паль не гарантують умови його нормальної експлуатації і можуть привести до аварії;

при попаданні у порожнини палі звичайно відхиляються від вертикалі, чим значно погіршуються їх експлуатаційні якості;

наявність порожнини під будівлею, навіть прорізаної палями, не гарантують умов нормальної експлуатації підвалу, технічного підпілля і тим більше паркингу, коли вони передбачені;

найбільша небезпека наявності підземних порожнин в основі, яка складена просадочними ґрунтами під будівлею, навіть прорізаних палями, полягає у тому, що у них може проникати вода із різних мереж, а також атмосферна. У розгалуженнях підземних порожнин вода рухається і може утворювати нові порожнини, які можуть бути набагато більші і глибші ніж ті, що є зараз. Ще явище має назву «псевдокарст у лесових ґрунтах» і є багато прикладів його проявлення у Полтаві: провалля на вул. Фрунзе і Володарського від дії каналізаційного колектору, провалювання будинків по вул. Паризької Комуни, Панаса Мирного тощо. У межах плями 14-ти поверхової секції маємо таке утворення. Воно викликано скиданням каналізації по старовинній підземній протоці.

За сумісним рішенням замовника - «Полтаватрансбуд» і генерального проектувальника ДПІ «Міськбудпроект» м. Полтава вирішено розглянути як варіант у конкретних інженерно-геологічних і техногенних умовах проект основ і фундаментів будівлі – стрічковий фундамент на основі армованій монолітними ґрунтоцементними елементами. Армоцементні елементи, які виготовляються за бурозмішувальною технологією, розташовуються за схемою, що була розглянута вище.

Відповідно до проекту елементи армування ґрунту практично розповсюджені по усій плямі секції за вказаною сіткою. Ознакою наявності порожнини, чи пухкого ґрунту обвалу за довжиною елементів, є підвищені витрати цементного розчину при їх влаштуванні. Відповідно до фрагмента виконавчої схеми (рис.3), при виготовленні елементів армування таке явище проявилося у точках, де елементи позначені затемненням. Таким чином у межах плями секції була встановлена область розповсюдження порожнин, яка окреслена на рис.3.

Рис.3. Фрагмент виконавчої схеми заповнення підземної порожнини:

○ - проектні ГЦ елементи; • - ГЦ у контурі порожнини; ∅ - контрольні ГЦ елементи

Викривання порожнин виконували шляхом буріння свердловин діаметром 750 мм. Всього пробурені 17 свердловин з відстанню між ними у 1000 мм. Місця їх розташування показані на рис.3.

Результати викривання свердловин показані на розрізі І-І рис.4. Як видно із розрізу частина порожнин заповнена ґрунтом. При бурінні було важко визначитися насипний він чи природного складу. Для подальшого аналізу було прийнято, що він увесь насипний. За цими даними порожнини являють собою розгалужену систему ходів максимальним перерізом: висота - 1200 мм; ширина – 1300 мм. Склепіння ходів розташовано на глибині 2300 мм нижче дна котловану. Значна частина ходів засипана повністю або частково глинистим ґрунтом.

Рис. 4. Розріз за лінією 1 -1

Для заповнення порожнин крізь викривні свердловини було прийнято цементно-піщаний розчин М25. У свердловини текучий розчин подавався під невеликим додатковим тиском, який створювався за рахунок положення його рівня на 300-400 мм вище склепіння порожнин. Усього у викривні свердловини діаметром 750 мм було закачано 24 м³ цементно- піщаного розчину М25.

Після закачування розчину у викривні свердловини вони заповнювалися глинистим ґрунтом пошарово з ущільненням ручними трамбівками до щільності скелету ґрунту ρd = 1,6 г/см³. Модуль деформації цього ґрунту склав Е = 8 МПа.

По центру кожної викривної свердловини після їх заповнення ущільненим ґрунтом влаштовані за проектною технологією ґрунтоцементні елементи армування на проектну глибину, тобто довжиною 5300 мм. При їх бурінні через тиждень після закачування розчину умови проходження розчину свердловиною практично не відрізнялися від проходження ґрунту природного складу. На основі цих спостережень було визначено, що модуль деформації розчину у порожнинах через тиждень після укладання складає Е =10 МПа, для терміну його тужавіння через 90 діб ця величина була прийнятою не більшою ніж Е = 20 МПа.

У якості контролю за заповненням порожнин були розглянуті:

результати повторного влаштування елементів армування по границі і у межах виділеної ділянки території небезпечної з точки зору наявності підземних порожнин;

влаштування нових елементів армування основи у межах небезпечної ділянки у тих місцях, де вони не були передбачені проектом.

Вважається, що коли повторна чи додаткова свердловина при влаштуванні елементу армування приймає проектну кількість цементного розчину – 30 літрів, це означає що ні порожнин, ні пухкого ґрунту у цьому місті немає. Коли витрати цементу досягають до 60 літрів це означає, що проходили пухкий ґрунт, який може насичуватися розчином так як і розпушений ґрунт у свердловині. Коли витрати цементу досягають витрат більших ніж 60 літрів це означає наявність невеликих порожніх об’ємів у основі, заповнення яких означається стабілізацією рівня розчину у свердловині при влаштуванні елементу армування.

Дані витрат розчину при влаштуванні повторних і додаткових елементів армування обов'язково заносилися до журналу робіт

Перевірочні розрахунки нерівномірності осідань фундаментів у зоні заповнення свердловин і в проектних умовах показали результати у межах нормативних умов.

Викладений матеріал впровадження методу армування основи, яка складена просадочними ґрунтами, вертикальними елементами, що виконані за бурозмішувальною технологією, при будівництві багатоповерхового житлового будинку, дозволяє зробити такі основні висновки:

Спосіб підсилення слабкої основи армуванням вертикальними жорсткими елементами, що виготовляються за бурозмішувальною технологією, регламентовано п.6.3 ДБН В.3.1-1-2002 [1].

Використання вказаного способу закріплення основи у ґрунтових умовах першого типу за просадочністю показало, що армування ґрунту практично нейтралізувало просадочні властивості ґрунту. При цьому стисливість основи зменшилася у 3 рази, а розрахунковий опір її підвищився удвічі. Це дозволило використати стрічкові залізобетонні фундаменти при будівництві 14-ти поверхового житлового будинку з цегляними несучими стінами.

При армуванні основи бурозмішувальним способомперевірена можливість точного визначення положення заглиблених порожнин, або ослаблених включень, у її товщі. Ознакою наявності таких утворень є підвищена кількість витрат цементної суспензії проти проектної. З іншої сторони проектні витрати суспензії свідчать про відсутність у товщі основи порожнин і послаблень, що нерідко зустрічаються при будівництві у межах стародавньої забудови. Цей принцип покладено в основу контролю за якістю тампонування підземних порожнин і послаблень у межах плями будівлі.

Впровадження запропонованого способу будівництва основ і фундаментів проводиться на підставі економічного порівняння кількох конкурентно спроможних варіантів. З використанням наявного обладнання при довжині ґрунтоцементного елемента до 8 м за робочу зміну у лесових суглинках можливо влаштувати до 400 п.м, а у піщаних - до 500 п.м ґрунтоцементу. Таким чином закріплення основи під одну секцію багатоповерхового житлового будинку триває 3-5 змін. Що торкається вартості робіт, то вона залежить від конкретних умов, але у розглянутих прикладах м. Полтави (плато і Левада) вона менше рішення на призматичних палях.

1. ДБН В.3.1-1-2002. Ремонт і підсилення несучих і огороджувальних конструкцій і основ промислових будинків та споруд. - К.: Держбуд.- 2003.- 82 с.

2. P.S. Seco e Pinto. Ground improvement - New developments.- .- Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July.- 2006.- p.p. 3-36.

3. Кuokkanen M. Mass and Column for a Stabilization of Peat and Clay for a Road Embankment in Sodertalje, Sweden.- Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July.- 2006.- p.p. 123-132.

4. Степура И.В., Шокарев В.С., Трегуб А.С., Павлов А.В., Павленко В.П. Армирование лессовых грунтов оснований зданий и сооружений – Международная конференция по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. - Пермь, Россия, ПГТУ. – 2004.- С. 213-21.

5. Соколович В.Е., Мотузов Я.Я., Котов А.И. (НИИОСП). Закрепление илов цементами. В сб. Строительство на слабых водонасыщенных грунтах . – Одесса: Госстрой СССР. – 1975.- С. 267-267.

6. Токин А.Н. Фундаменты из цеметогрунта. - М.: Стройиздат, 1984. – 184 с.

7. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Стройиздат, 1963. - С. 635.