Оценка эффективности современных методов стабилизации грунтов оснований зданий и сооружений

"Научный аспект №5-2024" - Строительство и арх.

УДК 624.138

Научный руководитель – Челнокова Вера Михайловна – кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация строительства» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Корчагин Александр Сергеевич – магистрант факультета «Промышленное и гражданское строительство» Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Аннотация: Строительная индустрия развивается с каждым годом, поскольку потребность населения в жилых, административных и промышленных зданиях постоянно растет. Тем не менее даже в настоящее время при строительстве зданий и сооружений нередко встречаются ситуации, когда строящийся объект становится аварийным по критерию возникновения неравномерных осадок или крена ещё до момента его ввода в эксплуатацию.

В данной статье рассмотрены основные причины возникновения неравномерных деформаций зданий, описаны и проанализированы современные методы стабилизации грунтов основания с точки зрения эффективности, надежности и экономической целесообразности.

Ключевые слова: строительство, стесненные условия, стабилизация осадок, искусственное усиление грунтов, напорное инъектирование.

В быстро развивающихся городах и мегаполисах существует большое количество факторов, влияющих на несущую способность грунтов основания. Особенно сильно это влияние оказывается при новом строительстве или реконструкции зданий и сооружений в условиях стесненной городской застройки. Перед разработкой проектной документации для строительства необходимо произвести комплекс инженерных изысканий, которые включают геотехнические исследования строительной площадки, обследование состояния грунтов основания, исследования подземных вод и глубины залегания водоносных горизонтов, а также локальный мониторинг компонентов окружающей среды. На основе полученных данных принимаются решения о выборе оптимального типа фундамента, глубины его заложения, необходимости и целесообразности усиления существующих грунтов основания по их несущей способности.

Тем не менее с течением времени характеристики грунтов могут меняться ввиду воздействия различных факторов и причин как техногенного, так и природного характера. Среди них следует отметить следующие:

• некачественное проведение работ по уплотнению насыпных грунтов и обратной засыпки пазух котлована;
• уплотнение грунтов в процессе длительной эксплуатации за счет уменьшения их пористости;
• увеличение нагрузки на несущие слои при реконструкции самого здания или его окружающей застройки;
• проведение вблизи участка строительства работ по погружению свай или иных работ, оказывающих динамическое воздействие на грунты;
• сезонные колебания уровня грунтовых вод;
• размыв вышележащих слоев грунта;
• ошибки проектирования, в т.ч. выбор неверного типа фундамента для данных условий строительства.

Все вышеперечисленные факторы оказывают негативное влияние на состояние фундамента и иных подземных конструкций, способствуют их высокому износу, развитию деформаций здания, возникновению и раскрытию трещин в несущих конструкциях, перегородках и отделке; развитию неравномерных осадок, появлению крена здания вплоть до присвоения опасной аварийной категории технического состояния строящемуся объекту. Мероприятия по предотвращению и восстановлению уже появившихся повреждений, образованных вследствие недостаточной несущей способности основания, на стадии эксплуатации или высокой строительной готовности объекта могут быть очень дорогостоящими и поставить под сомнение экономическую целесообразность реализации всего проекта в целом. Именно поэтому вопрос своевременной диагностики и оперативного принятия решения по усилению грунтов основания, стабилизации неравномерной осадки и устранения крена здания является очень актуальным, особенно в городах с высокими темпами строительства.

Обследование зданий и сооружений производится специализированной компанией, которая состоит в саморегулируемой организации (СРО) и отвечает установленным квалификационным требованиям. Основными методами обследования грунтов основания существующих зданий являются: статическое и динамическое зондирование, штамповые испытания, геотехнический мониторинг. Данные мероприятия позволяют получить исчерпывающую информацию о реальном состоянии основания, его прочностных характеристиках, модуле деформации, неоднородности состава и напластования грунтов, их способности к противостоянию различным видам нагрузок.

Основными признаками ухудшения состояния грунтов основания являются:

1. Размыв грунтового основания вследствие нарушения наружного водоотвода, сезонного подъема уровня грунтовых вод или аварий систем водоснабжения и канализации.
2. Деформации всего здания в виде перекосов, кренов, трещин, или его отдельных конструкций, возникшие в процессе эксплуатации или от воздействия внешних факторов.
3. Осадка грунта на прилегающей к строительному объекту территории.

Вопрос выбора рационального метода усиления имеет большую значимость. Выбранная технология должна обеспечивать возможность проведения работ в условиях стесненной городской застройки, требовать минимальных затрат технических, материальных и финансовых ресурсов, а также гарантировать необходимые прочностные характеристики грунтам основания.

Искусственное закрепление грунта представляет собой направленное воздействие на грунты основания с помощью различных технических и конструктивных мероприятий, направленных на повышение их несущей способности, а также снижение деформативности. В настоящее время усиление оснований существующих зданий производят путем глубинного уплотнения грунта, включением в основание элементов высокой жесткости (устройство свай в грунте, грунтовых подушек), а также электрохимическим, физико-химическим и термическим закреплением.

Все перечисленные методы являются достаточно эффективными, однако их реализация требует значительных финансовых вложений и времени. Область применения многих технологий ограничивается соблюдением специальных условий. Основным критерием при выборе рационального способа усиления основания для данных условий является проницаемость грунтов, основным показателем которой является коэффициент фильтрации.

При увеличении нагрузок на существующий фундамент во время реконструкции рациональным решением для усиления основания или подземных конструкций будет применение буроинъекционных или вдавливаемых свай. Метод также позволяет осуществить полную или частичную разгрузку существующего фундамента.

Электрохимический метод представляет собой воздействие на грунт постоянного электрического тока. Он применяется при необходимости закрепления водонасыщенных глинистых и илистых грунтов, которые не пропускают цементные растворы и обладают слишком высокой теплоемкостью для использования термического метода. В грунт погружаются электроды, подается электролит. Вода перемещается к отрицательному электроду (катоду), коллоидальные взвешенные грунтовые частицы переходят к положительному электроду (аноду). В результате явлений электроосмоса и электрофореза почва обезвоживается, после чего происходит процесс закрепления грунта. Основными недостатками электрохимического метода являются обратимость процесса и большое количество времени, необходимое для удаления воды из грунта. Обратимость заключается в том, что со временем удаленная вода возвращается в грунт, поэтому применение этого метода требует сочетания с иными технологическими и конструктивными решениями.

При строительстве на грунтах, имеющих просадочные или пучинистые свойства, рациональным решением будет применение термического способа усиления. Ликвидация негативных свойств основания осуществляется за счет направленного воздействия на грунт теплового потока, параметры которого определяются после проведения комплекса инженерно-геологических изысканий с уточнением основных характеристик слоев грунта. Обжиг при необходимой температуре позволяет образовать упрочненные массивы и конструкции с заданными характеристиками, гарантированными на весь срок эксплуатации объекта.

Физико-химический метод усиления основания является универсальным и включает в себя много специфических разновидностей, в том числе цементацию, битуминизацию, силикатизацию и другие. Инъецированию хорошо поддаются слабые, рыхлые, несвязные грунты с высоким коэффициентом фильтрации. Закрепление происходит нагнетанием под давлением маловязких химических растворов в толщу грунта через пробуренные отверстия (шпуры), где раствор вытесняет слабые грунты, перемешивается с рыхлыми включениями. Со временем получившаяся смесь набирают прочность и превращаются в камень, обеспечивая необходимую механическую прочность, водонепроницаемость и другие свойства.

В статье Каганович Н.А. «Усиление фундаментов методом струйной цементации грунтов» описываются преимущества применения метода струйной цементации. Автор статьи отмечает высокую скорость производства работ и предсказуемость результатов усиления основания, возможность укрепления практически всего диапазона грунтов – от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов, а также возможность производства работ этим методом в стесненных условиях – в подвальных помещениях и вблизи существующих зданий [2].

Инъецированием цементного раствора можно не только усилить основание, но и устранить неравномерность осадок или выровнять накренившееся здание. Необходимо строгое соблюдение пропорций при подаче цементного раствора и контроль пикового давления. При ненадлежащем контроле в ходе выполнения работ по усилению можно лишь усугубить ситуацию или добиться обратного эффекта. Применение этого метода в условиях стесненной городской застройки требует уделить особое внимание мониторингу за состоянием и деформациями самого объекта, а также близлежащих зданий и сооружений, поскольку раствор в грунтовом массиве идет по пути наименьшего сопротивления, что может привести к закачке раствора под соседние здания. В случае проведения работ в условиях плотной городской застройки целесообразно ограничить распространение подаваемого раствора путем создания монолитной стены в грунте или шпунтового ограждения, которое предотвратит воздействие применяемой технологии на прилегающую застройку.

Принципиальная схема усиления основания методом напорной инъекции цементного раствора представлена на рисунке 1.

В таблице 1 приведена сравнительная характеристика описанных методов усиления оснований существующих зданий и сооружений по основным технологическим критериям. В таблице 2 – сравнение по технико-экономическим критериям. 

Рисунок 1. Технология усиления основания методом цементации

Таблица 1 – Сравнение методов усиления грунтов оснований по технологическим критериям

№	Критерии для сравнения	Усиление буроинъек-ционными сваями	Электрохимический метод	Термический метод	Физико-химический метод
1	Возможность применения в ограниченном пространстве (подвальные помещения)	+	+	+/- Огнеопасно	+
2	Возможность использования в условиях плотной городской застройки	+	+	+	+
3	Грунты, пригодные к усилению	Все	Глинистые и мелкопес-чаные	Просадочные, пучинистые и лессовые	Все

Таблица 2 – Сравнение методов усиления грунтов оснований по технико-экономическим критериям

№	Критерии для сравнения	Усиление буроинъекционными сваями	Электрохимический метод	Термический метод	Физико-химический метод
1	Трудоемкость применения метода	7/10	4/10	8/10	6/10
2	Прогнозирование результатов усиления	8/10	4/10	6/10	7/10
3	Требуемое количество людей (одно звено)	4 человека	3 человека	4 человека	4 человека
4	Удельная стоимость проведения работ по усилению	7/10	6/10	8/10	7/10
5	Специальные условия для применения метода	Отсутствуют	1. Достаточное кол-во воды в грунте. 2. Высокая плотность эл. тока. 3. Кф (коэф. фильтрации) грунта менее 0,01 м/сут.	1. Высокая мощность электрического тока. 2. Детальный анализ состояния грунтов, их свойств и характеристик	Отсутствуют

На основании таблицы 1 можно сделать вывод, что каждый из перечисленных методов усиления оснований имеет свои достоинства и недостатки. Электрохимический и термический методы требуют соблюдения особых условий и имеют ограничения по применению во многих типах грунтов. Важным критерием при выборе метода усиления является возможность прогнозирования результатов усиления. По этому показателю выигрывают физико-химический метод и метод усиления буроинъекционными сваями. При исчерпывающем количестве исходных данных о состоянии и сложении грунтов требуемые результаты усиления будут достигнуты с наибольшей вероятностью.

Каждый способ усиления является достаточно эффективным, однако для выбора рационального метода в данном конкретном случае необходимо обладать достаточным количеством информации о характеристиках и состоянии усиливаемых грунтов. Также необходимо определить истинные причины возникновения неравномерных осадок и(или) крена здания. Все необходимые данные для принятия целесообразного решения по усилению основания можно получить в процессе обследования технического состояния фундаментов здания, при проведении инженерно-геологических и инженерно-гидрологических изысканий, а также при проведении геотехнического мониторинга.

Современные методы позволяют оказывать эффективное воздействие на основания существующих зданий и сооружений, обеспечивать их необходимыми прочностными и деформационными характеристиками. Выбор метода усиления зависит от категории технического состояния обследуемого здания, проблематики, установленной специализированной организацией, гидрогеологических особенностей местности, наличия факторов стесненности, напластования грунтов и их характеристик. Каждый метод имеет свои достоинства, недостатки и ограничения по применению, однако наиболее универсальным является метод инъецирования цементного раствора в грунт.

Список литературы

1. Панкина М.В., Янгуразов Ю.Р., Шадрин И.В. Причины неравномерных осадок фундаментов // Вестник ПГУАС: строительство, наука и образование. 2023. № 1 (16). С. 53-58.
2. Каганович Н.А. Усиление фундаментов методом струйной цементации грунтов // Сборник: Наука сегодня: теоретические и практические аспекты. Материалы международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2018. С. 45-47.
3. Сагыбекова А.О., Абиев Б.А., Белов А.Г., Ахметжанова К.М., Нурахова А.К. Инъекционные способы усиления грунтов оснований зданий и сооружений в городских условиях // Вестник Казахского гуманитарно-юридического инновационного университета. 2019. № 4 (44). С. 217-222.
4. Филь О.А., Шаповалов С.И., Касимов А.О. Организация строительства в стесненных условиях жилого дома // Инженерный вестник Дона. 2019. №1 (52). С. 150.
5. Фурсов, С.Г. Особенности структуры песчаных и глинистых грунтов, укрепленных цементом / С.Г. Фурсов // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2009. - № 3. - С. 27-29.
6. Кахаров З.В. Укрепления основания фундаментов методом закрепления грунтов инъекцией растворов // Глобус: технические науки. 2019. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ukrepleniya-osnovaniya-fundamentov-metodom-zakrepleniya-gruntov-inektsiey-rastvorov (дата обращения: 15.03.2024).