Переработка грунта для возведения подземной части зданий (стр. 3 из 7)
Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и защиты проводимых в них строительных работ от поступления грунтовых вод в зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, мощности водоносных слоев существуют следующие способы закрепления грунта: замораживание, инъецирование в грунт растворов-отвердителей, устройство тиксотропных противофильтрационных экранов и завес, устройство шпунтовых ограждений.
В сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофильтрационные завесы с помощью естественного или искусственного замораживания грунтов. Естественное замораживание применяется в районах с низкими температурами. В летнее время вскрывают котлован до уровня грунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20-30 см. После этого послойно (10-15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.
При искусственном замораживании по периметру выемки устраивается временная водонепроницаемая ледяная стенка. Для этого в заранее пробуренные скважины погружают замораживающие колонки, состоящие из наружных замораживающих и внутренних питающих труб, соединенных трубопроводом, по которому подают специальную жидкость - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный в холодильной установке до -20-40 °С. В результате циркуляции рассола вокруг колонок начинают образовываться столбы замороженного грунта, которые, постепенно увеличиваясь в диаметре, соединяются в единую льдогрунтовую стенку.
В качестве хладоносителя может использоваться жидкий азот. Поступая в систему магистрального и распределительных трубопроводов и далее в замораживающие колонки, жидкий азот переходит в газообразное состояние - "кипит" при температуре - 196 °С. Газообразный азот выводится через газоотводящие трубопроводы для последующего сжижения. И хотя стоимость замораживания грунта с использованием азота возрастает по сравнению с использованием рассола, сроки создания защитной завесы сокращаются в несколько раз. Это существенное преимущество сказывается в аварийных ситуациях, например, при прорыве воды или плывунов в зону производства работ.
Способ замораживания имеет свои недостатки: временное сохранение эффекта завесы (на период работы замораживающей установки), длительный процесс наращивания и последующего оттаивания ледяной завесы повышение влажности грунта счет перемещения воды к охлажденным участкам грунта и др.
Ограждение выемок от поступления в них грунтовой воды может даваться путем инъецирования в грунт растворов-отвердителей. Проникая в поры и трещины грунта породы, они связывают зерна грунта и, твердея, превращают его в водонепроницаемый и неразмываемый монолит.
В зависимости от вида растворов существуют следующие основные инъекционные способы: цементация, битумизация, глинизация, силикатизация.
Цементацию применяют в крупнозернистых песках, гальке, гравии, трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации 80-200 м/сут. В грунт с помощью труб-инъекторов под давлением нагнетают водоцементные растворы.
При битумизации песчаных и трещиноватых скальных грунтов в качестве отвердителя используют расплавленный битум или холодную битумную эмульсию.
В качестве инъекционного материала при глинизации используют водную суспензию бентонитовых глин, которые содержат на менее 60% минерала монтмориллонита.
Силикатизацию или инъецирование, сначала водного раствора силиката натрия Na2SiO3, а затем хлористого кальция CaCl2 применяют при устройстве водонепроницаемой завесы песчаных и лессовых грунтах, имеющих коэффициент фильтрации 80 м/сут.
Растворы вступают в реакцию образуют гель кремниевой кислоты (nSiO2mH2O), который связывает частицы грунта и затвердевает.
Устройство тиксотропных противофильтрационных экранов толщиной 0,15-0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия.
В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпунтин или пустотелых свай (рис.7). Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотропную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать, т.е. поглощать воду в количестве, до 7 раз большем собственной массы, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.
Извлеченный элемент погружают в месте, расположенном от последнего погружения на расстоянии не более чем ширина стороны поперечного сечения погруженного элемента. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирована противофильтрационная завеса.
Погружение и извлечение пусто-образующих элементов можно выполнять с использованием вибрационного оборудования.
Щели в грунте для заполнения их противофильтрационными материалами можно устраивать с помощью машин с режущим рабочим органом (цепной рабочий орган, бар, канат и др.).
Противофильтрационный экран может быть устроен с помощью оборудования, которое разработано шведской фирмой "Алимак" (рис.8). В массиве грунта бурится скважина глубиной до 10 м и диаметром 0,5 м. В момент, когда бур начинает извлекаться из скважины, через его полный вал под давлением подается цемент и перемешивается с разрыхленным грунтом. В грунте образуется цементно-грунтовая свая, Затем на расстоянии, меньшем диаметра сваи, бурится новая скважина, в которой также устраивается цементная колонна. Между двумя колоннами снова бурят скважину, при этом частично захватывая материал двух соседних свай. В результате образуется стенка из сомкнутого ряда свай, обладающая противофильтрационными свойствами. Оборудование позволяет устраивать не только вертикальные, но и наклонные сваи (до 15° во всех направлениях).
В последние годы в практике зарубежного строительства получил распространение вертикальный дренаж, устраиваемый с помощью дренирующих свай и дренирующих стен (рис.9). Конструкции и технология устройства дренирующей сваи показаны на рис.10. Вначале производят бурение скважины диаметром около 90 см и глубиной до 6 м в обсадной трубе (рис.10, а). В готовую скважину помещают арматурный каркас, внутри которого закреплена труба, в нижней части имеющая ряд отверстий для поступления в нее грунтовой воды. В полость между обсадной и внутренней дренажной трубами опускают бетонолитную трубу и далее ведут бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). В основание сваи подают фильтр-бетон и одновременно начинают подъем обсадной трубы. Затем бетонируют сваю обычным бетоном.
Рис.7. Устройство тиксотропного противофильтрационного экрана
1 - свая, извлекаемая из грунта; 2 - свая, погружаемая в грунт; 3 - противофильтрационный экран; 4 - трубы для подачи суспензии, приваренные к сваям
Рис.8. Оборудование для устройства цементно-грунтовых свай "Алимак"
а - общий вид установки; б - схема устройства скважин; 1 - базовый трактор; 2 - емкость с цементом; 3 - рукав для подачи цемента; 4 - рама бура; 5 - привод вращения бура; 6 - бур; 7 - полый вал бура; 8 - отверстие для подачи цемента; 9 - цементно-грунтовая свая
Рис.9. Виды дренирующих свай и стен
а - отдельно стоящие сваи-опоры; б - стена из дренирующих свай; в - двухсторонняя дренирующая стена: г - односторонняя дренирующая стена: 1 - сваи-опоры; 2 - фильтр-бетон: 3 - дно котлована; 4 - сваи, 5 - стена
При возведении подземной части зданий и сооружений большие требования предъявляются откосам и стенкам выемок. Необходимость их крепления, а также конструкции крепления зависят от гидрогеологических условий и конструкции подземной части возводимого сооружения.
Вертикальные стенки в грунтах естественной влажности при отсутствии грунтовых вод допускаются без крепления: при глубине выемок в песчаных и крупнообломочных грунтах не более 1 м, в супесях - 1,25 суглинках и глинах - 1,5 м, в особо плотных грунтах - 2 м.
При больших глубинах для превращения обвалов и оползней стенок выемок устраивают откосы, метры которых определяются и регламентируются СНиПом. Необходимость устройства откосов ведет к значительному увеличению габаритов земляного сооружения и соответственно объемов разработки грунта, повышению материальных и трудовых затрат.
Для уменьшения объемов земляных работ, а также в случаях, разработка выемок с откосам возможна из-за стесненности площадки или наличия грунтовых вод, устраивают выемки с вертикальными стенками.
Временная крепь может быть выполнена в виде деревянного или металлического шпунта, металлических, железобетонных (забивных) или бетонных (буронабивных) свай, между которыми устанавливают затяжку из досок, железобетонных плит или наносят покрытие из торкрет-бетона, деревянных щитов с опорными стойками, щитов с распорными рамами и других конструкций.