Особливості армування грунтів вертикальними грунтоцементними елементами

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 спорудження 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 у плані за рахунок зміни відстані між сусідніми елементами армування, а за глибиною - довжиною елементів 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 (піску) 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 багатоповерхових житлових будинку в нагорній частині м. Полтави. Будинки, який розглядаються, мають цегляні несучі стіни з навантаженням від 400 до 1400 кН на один погонний метр. За даними вишукувань інженерно-геологічні умови будівництва у м. Полтаві ускладнені тим, що ділянка забудови складена просадочними ґрунтами (перший тип ґрунтових умов за просадочністю). Крім того у межах плям будівель нерідко зустрічаються рештки стародавніх порожнин, які мають значне заглиблення (до 9 м нижче поверхні Землі).

Армоцементні елементи, які виготовлялися за бурозмішувальною технологією, мають діаметр 200-300 мм і довжину нижче дна котловану від 2,0 до 9,0 м.

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 армованого грунту до Sr >0,8.

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

Рис. 1. Схема випробувань армованої основи залізобетонним квадратним штампом.

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

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.

На рис.2 наведені графіки залежності осідання штампу від навантаження. Модуль деформації було визначено за формулою

ДСТУ Б В.2.1.-7-2000 з урахуванням масштабного коефіцієнту, який врахував розміри штампа [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 лінійної частини графіка від прямої.

Модуль деформації і розрахунковий опір основи за результатами випробовувань штампами cклали для:

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

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

Як було сказано вище, при проектуванні стрічкових фундаментів на армованій основі її модуль деформації визначається, як середньовиважений у межах стисливої товщі. При цьому модуль деформації ґрунту у заданому стані визначається за даними інженерно-геологічних досліджень, а модуль деформації ґрунтоцементу - за даними випробовувань зразків на одноосьове стиснення. За даними штампових випробовувань шляхом вирішення зворотної задачі відкривається можливість перевірити модуль деформації ґрунто-цементних елементів. Розрахунки виконаємо у межах стисливої товщі основи під квадратним штампом зі стороною b = 1,2 м, яка складає Н = 2,4 м. Для водонасичених ґрунтів шарів 2 і 3 модуль деформації за даними інженерно-геологічних досліджень склав відповідно - Е = 5 МПа і Е = 4 МПа. При врахуванні значення модуля деформації зволоженої армованої основи за схемою, яка наведена на рис. 1, отриманого за даними штампових випробовувань (див. вище), маємо модуль деформації ґрунтоцементу елементів армування Е = 150 МПа.

Рис.2. Залежність осідання штампу на армованій основі від навантаження: 1- зволоженій, 2 - природної вологості

Модуль деформації ґрунтоцементу за даними літературних джерел змінюється у широкому діапазоні до Е =16000 МПа [6]. Величина модуля деформації залежить від від міцності при стиску та фізичних властивостей ґрунтоцементу. На відміну від цементних бетонів, у яких значення модуля деформації має доволі чітку залежність від міцності на стиск, в ґрунтоцементу на величину модуля деформації має великий вплив щільність матеріалу. При рівній міцності на стиск більш високий модуль деформації буде мати матеріал з великою щільністю. У зв’язку з вищевикладеним в наш час не представляється можливим дати об’ємну таблицю з нормативними значеннями модуля пружності в залежності від міцності. В практиці будівництва фундаментів з використанням ґрунтоцементу в кожному конкретному випадку необхідно визначати модуль деформації матеріалу експериментально у відповідності з діючими інструкціями по визначенню модуля деформації для закріплених ґрунтів.

При проведенні інженерно-геологічних вишукувань у межах плями будівлі  було встановлено наявність підземних порожнин на глибині до 7 м нижче поверхні Землі.

Відповідно до проекту елементи армування ґрунту практично розповсюджені по усій плямі секції за прийнятою сіткою. Ознакою наявності порожнини, чи пухкого ґрунту обвалу за довжиною елементів, є підвищені витрати цементного розчину при їх влаштуванні. Таким чином у межах плями секції була встановлена область розповсюдження порожнин. У межах цієї області викривання порожнин виконували шляхом буріння свердловин діаметром 750 мм. 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.

Для заповнення порожнин крізь викривні свердловини використано 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. 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.

Як контрольні заходи 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.

Вважалося, 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.

При проектуванні безкаркасної 6-ти поверхової будівлі різниця у навантаженнях на несучі стіни склала до 500 кН. При складанні проекту основ і фундаментів виникли певні складності при дотриманні умов нерівномірних деформацій основи. Навіть було розглянуто варіант розміщення усієї будівлі на суцільній залізобетонній плиті. Паралельно було розглянуті стрічкові фундаменти на штучній основі, яка армована вертикальними жорсткими елементами, що виконуються за бурозмішувальною технологією. На рис.3 показано поперечний розріз будівлі за несучими повздовжніми стінами. Розміри стрічкових фундаментів визначено з умови, що розрахунковий опір ґрунту за підошвою фундаменту R = 0,3 МПа.

Рис.3. Розрахункові схеми для розрахунку осідань основи житлової будівлі

Регулювання модуля деформації ґрунтів у межах стисливої товщі виконується за рахунок довжини елементів армування при однаковій відстані між ними у плані = 0,7 м. Основа фундаментів за трьома осями складається із трьох шарів ґрунтів з модулем деформації у заданому стані: шар 2 - суглинок лесовий середній, Е = 3,5 МПа; шар 3 - суглинок лесовий легкий, Е = 6,0 МПа; шар 4 - суглинок лесовий середній, Е = 11,0 МПа. Внаслідок армування за визначеною схемою модуль деформації ґрунтів у заданому стані збільшився до: шар 2 - Е = 13,0 МПа; шар 3 - Е = 15 МПа.

Розрахунки осідання основи проведені за методикою проф. І.О.Розенфельда:

• вісь А, стислива товща Н = 11,0 м; середній модуль деформації = 9,5; осідання S = 5,5 см;

• вісь В, стислива товща Н = 15,4 м; середній модуль деформації = 14,0; осідання S = 6,8 см;

• вісь Е, стислива товща Н = 8,8 м; середній модуль деформації = 14,0; осідання S = 5,7 см.

Нерівномірне осідання склало між осями А і В та В і Е відповідно склало:

Таким чином, нерівномірне армування основи за її глибиною дозволило вирівняти осідання сусідніх стрічкових фундаментів житлової будівлі. При таких умовах вдалося задовольнити умови розрахунку фундаментів за другим граничним станом відповідно до вимог СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений.

Викладений матеріал впровадження методу армування основи вертикальними елементами, що виконані за бурозмішувальною технологією, при сучасному будівництві дозволяє зробити такі основні висновки:

• Впровадження спосібу підсилення слабкої основи армуванням вертикальними жорсткими елементами, що виготовляються за бурозмішувальною технологією, слід проводити на підставі п.6.3 ДБН В.3.1-1-2002 [1].

• Ефективність використання вказаного способу закріплення основи у ґрунтових умовах першого типу за просадочністю підтверджена тим, 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 багатоповерхових житлових будинків з цегляними несучими стінами взамін пальових і плитних. При цьому кошторисна вартість влаштування фундаментів зменшилася на 20-40%, а термін їх будівництва скоротився удвічі.

• При армуванні основи бурозмішувальним способом перевірена 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.

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