Методы устройства искусственных оснований из грунтоцемента под фундаменты мелкого заложения
Ю. А. Киричек, Г. В. Комиссаров
Закрепление грунтов битумом, смолой и эмульсиями на их основе приводит к загрязнению грунтов и грунтовых вод. Экологически чистым компонентом для преобразования грунтов является цемент. Использование методов смешивания местных грунтов с вяжущим дало возможность получить фактически новый строительный материал – грунтоцемент. Грунтоцемент в строительстве применяется для повышения несущей способности основания под фундаментом, уменьшения деформативности слабых и структурно-неустойчивых грунтов, а также строительства фундаментов. Строительные свойства грунта можно улучшить путем формирования грунтоцементных колонн либо путем обработки всего массива грунта. Различные вяжущие (цемент, известь, доменный шлак или гипс) вводят, перемешивая в грунте с использованием специальных механизмов. После перемешивания вяжущее формирует с грунтом достаточно прочные грунтоцементные элементы (колонны, блоки, стены, геомембраны, сплошные плиты), которые значительно прочнее необработанного грунта. Свойства грунтоцемента зависят от многих факторов: количества вяжущего, времени отверждения, условий загрузки и процесса строительства. В данной статье рассмотрены и проанализированы методы и механизмы устройства грунтоцементных оснований под фундаменты мелкого заложения.
Исследования по укреплению грунтов цементом, а также строительство фундаментов из грунтоцемента ведут отечественные и зарубежные ученые: Ю. Л. Винников [1], Н. Л. Зоценко [3], А. Н. Токин [5] и др. Первый опыт применения грунтоцемента в фундаментостроении в СССР относится к середине 1950-х началу 1960-х годов. В современном строительстве в целях экономии средств актуальность использования грунтоцемента возрастает.
Цель статьи: анализ распространенных методов и механизмов устройства искусственных оснований из грунтоцемента под фундаменты мелкого заложения.
Грунтоцементные элементы выполняются двумя методами: методом влажного перемешивания грунта и методом сухого перемешивания грунта, выбор которых зависит от грунтовых условий и спецификации проекта. Метод влажного перемешивания дает возможность устройства грунтоцементных элементов на глубине более 30 м с использованием различных грунтов от слабых пластических глин до средней плотности песка и гравия с включениями булыжников. Метод сухого перемешивания используется в грунтах с достаточным содержанием влаги, чтобы обеспечить химическую реакцию сухого вяжущего с грунтом. Таким образом, сухой метод позволяет уменьшить содержание воды в грунте. Сухое вяжущее подается пневматически сжатым воздухом через форсунки с одновременным обеспечением его перемешивания со слабым грунтом. Существует комбинированный метод.
Устройство ленточных и свайных фундаментов из грунтоцемента рекомендуется для зданий не более трех этажей с несущими стенами III класса ответственности, а также для зданий II класса ответственности высотой до двух этажей включительно. Строительство ленточных грунтоцементных фундаментов запрещено в сейсмических и карстовых районах, а также на подрабатываемых территориях, вечномерзлых и не оттаявших после сезонного промерзания грунтах, заторфованных, сильнопучинистых и просадочных грунтах ІІ типа [2; 5]. Целесообразно применять грунтоцементные ленточные фундаменты в районах, бедных каменными материалами.
Для изготовления грунтоцемента используют различные технологии:
струйная цементация – используется энергия струи под высоким давлением до 70 МПа, которая одновременно разрушает и перемешивает грунт с цементным раствором непосредственно в месиве грунта;
буросмесительная цементация – грунт розпушивается в процессе прохождения скважины инструментом без его выемки или с частичной выемкой из скважины, а через полую штангу растворонасосом подается цементный раствор, который смешивается с грунтом.
струйно-смесительная цементация – одновременное механическое перемешивание и дополнительная гидромоторная разработка грунта, что приводит к повышению однородности грунтоцементного элемента [1].
При устройстве грунтоцементных элементов методом струйной цементации рабочим инструментом для образования сваи является струйный монитор, из форсунки которого выходит струя воды или цементной эмульсии под давлением до 70 МПа (рис. 1). Высоконапорная струя может резать практически любой грунт. Для увеличения радиуса резания и разрушающего действия струя может подаваться под защитой воздушного потока. Струйный монитор может использоваться как для бурения скважины путем размыва грунта водой, так и для образования грунтоцементной сваи путем подачи через форсунку цементной эмульсии при поднятии монитора вверх с одновременным его вращением.
Рис. 1. Рабочий инструмент для метода струйной цементации
Буросмесительная технология глубинного перемешивания грунта заключается в изготовлении грунтоцементных колонн при помощи буросмесительного инструмента, состоящего из полой штанги и специального рабочего органа (рис. 2).
Рис. 2. Рабочий инструмент для буросмесительной технологии перемешивання грунта
Японские специалисты производят грунтоцементные массивы и стены по технологии «soil mixing wall». Особенностью этой технологии является использование нескольких буров перемешивания. Количество буров варьируется в диапазоне от двух до восьми, которые могут размещаться в один или два ряда. Направление вращения буров чередуется, таким образом обеспечивая качественное разрыхление грунта, перемешивание его с вяжущим, а также повышение устойчивости машины [3; 7]. Недавно разработан оригинальный метод влажного перемешивания грунта, который получил название «вертикальная режущая цепная пила». Цепь с режущими зубьями вращается вокруг центральной вертикальной фрезы, раствор одновременно вводится и перемешивается с разрушенным грунтом. Перемешивание происходит при горизонтальном перемещении, чтобы образовать непрерывную грунтоцементную стену. Этот метод используется при устройстве котлованов, станций метро, фундаментов «стена в грунте», а также может применяться при строительстве ленточных фундаментов [7].
Массовая стабилизация грунта является относительно новым методом улучшения строительных свойств слабых грунтов, которая может выполняться на глубину до 5 м (рис. 3). Процесс перемешивания отличается от других методов тем, что вяжущий материал подается в смеситель, в то время как миксер вращается и одновременно перемещается по вертикали и по горизонтали, чтобы обеспечить оптимальное перемешивание грунта [6].
Рис. 3. Рабочий инструмент для перемешивания массива грунта
При строительстве атомной электростанции в г. Козлодуй в Болгарии была устроена грунтоцементная подушка из лессового уплотненного грунта с переменными параметрами прочности и деформативности, что обеспечивалось дополнительным составом цемента, количество которого увеличивалось от подошвы к поверхности подушки от 2 до 6 % [4].
Грунтоцементная подушка может выступать в качестве альтернативы грунтовым (щебеночным, гравелисто-щебеночным, песчано-гравелистым) подушкам и армированию грунта отдельными грунтоцементными элементами (сваями). Возможно применение грунтоцемента в качестве оснований под полы логистических сооружений (складские комплексы). Расход цемента в обработанном массиве грунта меньше по сравнению с массивом, содержащим отдельные грунтоцементные элементы, а постоянное возрастание прочности грунтоцемента во времени и возможность изготовления на основе водонасыщенных, обводненных грунтов и грунтов со значительным содержанием органики делает его конкурентоспособным с другими вариантами искусственного основания, в частности грунтовыми подушками. Такое решение не требует выемки грунта и замещения его искусственным грунтом. Примером подобного использования грунтоцемента в заторфованных грунтах является строительство скоростной железнодорожной трассы Санкт-Петербург – Хельсинки, когда при сооружении трассы строители столкнулись с торфяным озером.
Вывод
Анализ современного использования грунтоцемента показывает определенные возможности его использования для фундаментов мелкого заложения. Вместе с тем многие вопросы обеспечения надежности таких фундаментов остаются открытыми.Использованная литература
Винников Ю. Л. Будівельні властивості ґрунтоцементу за наявності у його складі органічних речовин / Ю. Л. Винников, О. І. Ярмолюк // Строительство, материаловедение, машиностроение. Серия: Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно– гражданского, промышленного и транспортного назначения. – Д. : ПГАСА, 2010.– Вып. 56. – С. 97 – 103.
Временные рекомендации по технологии строительства цементогрунтовых ленточных фундаментов с применением шнекофрезерных грунтосмесительных машин: рекомендации / [разраб. под руков. А. Н. Токин] – К. : НИИСП, 1981. – 47 с.
Зоценко Н. Л. Грунтоцементные сваи, изготавливаемые буросмесительным методом / Н. Л. Зоценко // Зб. наук. пр. Полтавс. нац. тех. ун-ту. ім Юрія Кондратюка. Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. – Полтава : ПолтНТУ, 2013. – Вип. 3(38). – С. 110 – 122.
Корнієнко М. В. Особливості влаштування ґрунтових подушок в сучасних умовах / М. В. Корнієнко, В. П. Голуб, А. М. Ращенко, Є. Ф. Тимощук // Будівельні конструкції. – К. : ДП НДІБК, 2013. – Вип. 79. – С. 19 – 26.
Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из грунтоцемента для опытного строительства малоэтажных сельских зданий: рекомендации / [разраб. под руков. Б. А. Ржаницын] – М. : НИИОСП им. Герсеванова 1983. – 41 с.
Deep Soil Mixing (DSM). Improvement of weak soils by the DSM method [Электронный ресурс]: http://www.kellerholding.com.
Jorge E. Construction / Jorge E. – Washington: Highway Administration Design Manual, 2013. – Р. 113 – 128. – (Deep mixing for Embankment and Foundation Support).