Методы усиления слабых грунтов в основании фундаментов многоэтажных зданий

"Научный аспект №6-2024" - Строительство и арх.

УДК 624.138.1

Гордиенко Евгений Петрович – студент архитектурно-строительного факультета Кубанского государственного аграрного университета имени И. Т. Трубилина.

Аннотация: В условиях высокого спроса на недвижимость экономически оправданным становится разработка и строительство все более сложных проектов. При этом обостряется дефицит участков с хорошими условиями под застройку, что является дополнительным фактором, усложняющим задачу для проектировщиков и строителей.

Инженерно-геологические условия большей части территории России являются сложными по тем или иным причинам. Часто встречаются участки с лессовыми, слабыми водонасыщенными песчаными и глинистыми грунтами, неравномерностью залегания слоев грунта и высокой фоновой сейсмичностью, поэтому задача усиления слабых грунтов в основании фундаментов многоэтажных зданий становится крайне актуальной. В данной статье рассмотрены методы усиления слабых грунтов, их преимущества и недостатки для разных типов грунтов с учетом особенностей объектов.

Ключевые слова: усиление грунтов, армирование грунта, струйная цементация, грунтовые анкера.

Факторы, приводящие к необходимости повышения прочности оснований фундаментов уже построенных зданий и сооружений, могут быть разнообразными.  Перечислим самые распространенные:

• ошибки в учете свойств грунта площадки строительства на стадии проектирования;
• низкое качество строительно-монтажных работ на этапе возведения здания;
• увеличение нагрузок на грунты основания при изменении проектных решений в процессе строительства или при реконструкции;
• ведение строительных и взрывных работ вблизи здания;
• изменение параметров грунта под действием динамических нагрузок;
• аварийные ситуации

Существуют различные способы усиления слабых грунтов. Выбор конкретного метода необходимо совершать исходя из особенностей объекта и экономического обоснования.

 Разделим методы усиления грунта на 3 категории по принципу выполнения.

Физико-химические методы усиления слабых грунтов

Эта группа методов предполагает улучшение характеристик грунта путем химического или технологического воздействия на его химический состав и структуру. К физико-химическим методам относятся:

• Термическое закрепление грунтов – метод усиления грунтов путем термического воздействия на них. Распространенным является термическая обработка продуктами горения топлива, сжигаемого у устья скважины или непосредственно в толще грунта. Так же к термическому закреплению относится метод, при котором грунт замораживается при помощи хладагента. Метод может быть использован для усиления лессовидных и пылевато-глинистых грунтов.
• Силикатизация – суть способа заключается в химическом воздействии на грунтовый массив. В грунтовый массив с невысоким коэффициентом фильтрации поочередно поступают растворы хлористого кальция и силиката натрия. Эти химикаты при попадании в грунт образуют гели кремневой кислоты, которые позволяют грунтам значительно улучшить прочность, уменьшить просадочность, а так же сильно снизить фильтрацию. В зависимости от используемых компонентов различают однорастворную и двухрастворную силикатизацию.
• Цементация (традиционная) – метод усиления, при котором в грунт через перфорированные трубы под давлением, создаваемым специальным оборудованием, нагнетается раствор на цементной основе. В результате усиления этим методом грунтовый массив повышает прочность и резко уменьшает водопроницаемость. Метод цементации эффективен при усилении скальных пород, песка, и других грунтов с наличием пустотных структур.
• Струйная цементация (jet grouting).

Суть технологии сводится к разрушению структуры грунта и перемешиванию его с цементным раствором для дальнейшего образования грунтобетона путем их размыва и перемешивания высоконапорной струей подаваемой в скважину через специальную форсунку. В результате твердения смеси образуются грунтобетонные сваи диаметром до 2,5 м.

Технология является крайне распространенной из-за ряда значительных преимуществ.

Ключевые преимущества технологии jet grouting:

• возможность производить усиление в стесненных условиях;
• возможность осуществлять усиление под существующими конструкциями фундаментов;
• возможность устройства jet свай в обводненных грунтах;
• минимизация динамических нагрузок на грунтовый массив и окружающую застройку в процессе реализации проекта усиления;

Однако технология требует сложного специализированного оборудования, значительного расчета и не применима к некоторым типам грунтов.

Механические методы усиления слабых грунтов

Вторая группа методов предполагает улучшение характеристик грунтов в основаниях в результате уплотнения, которое производится механическим воздействием на массив грунта. К этой категории методов относятся:

• Метод уплотнения грунта пригрузкой – метод, использующийся для начала консолидационной осадки и упрочнения грунта до момента строительства здания. Эффективен при усилении грунта для малоэтажных зданий и сооружений, позволяя уменьшить итоговую осадку фундамента за счет уже произошедшей частичной осадки.
• Метод виброуплотнения – вибрационное воздействие на массив грунта, уплотняющее его в следствии разрушения внутренних связей и снижению пустотности и просадочности.
• Метод трамбования – заключается в поочередной отсыпке и уплотнении слоев грунта при помощи механизированных трамбовок. Процесс трамбования производят до тех пор, пока поверхность грунта при каждом последующем цикле не будет иметь постоянную осадку.
• Метод уплотнения взрывами – метод, при котором уплотнение достигается за счет ударного воздействия в результате взрывных работ.

Преимуществами механических методов уплотнения грунтов является низкая стоимость, технологическая простота производства работ по усилению.

Значительными недостатками методов является малопригодность для использования в условиях плотной застройки в следствии значительных динамических нагрузок, невозможность производства работ непосредственно сквозь существующие конструкции фундаментов для усиления грунтов под существующей застройкой.

Конструктивные методы усиления слабых грунтов

Третья группа методов предполагает использование готовых элементов и конструкций из различных материалов, вместо воздействия на структуру грунтов. Этот подход отличается от других методов, которые включают изменение свойств и характеристик грунта и требуют значительного расчета и прогнозирования. Благодаря простоте реализации и точности результатов, методы армирования грунта являются наиболее популярными. Эта группа методов включает в себя замену грунта, устройство грунтовых подушек и армирование грунта.

• Замена грунта – метод, представляющий собой создание специального слоя грунта с более подходящими прочностными и деформационными характеристиками под фундаментом. Этот слой действует как буфер, перераспределяя нагрузки от здания по более широкой площади грунта, снижая давление на слабые слои и уменьшая деформации основания. Метод может применяться в случае, когда усиление слоя грунта будет являться менее экономически целесообразным, нежели его полная замена грунтом с требуемыми характеристиками.
• Устройство грунтовых подушек – метод, который позволяет перераспределить напряжения от фундамента здания в массиве, изменяющее область деформаций в подстилающем слоя слабого грунта, что приводит к уменьшению расчетных деформации оснований.
• Армирование оснований – крайне распространенный метод, предполагающий устройство конструкций, которые изменяют поведение грунтового массива, повышая его прочность и снижая риски развития аварийных ситуаций, таких как оползни, потеря устойчивости откосов, выпор грунта и т.п.

Конструктивные методы усиления грунта являются самыми распространенными, их зачастую используют для линейно протяженных объектов – в дорожном строительстве, для стабилизации склонов и т.д.

Преимуществами конструктивных методов является гораздо более низкая стоимость для объектов с большим объемом работ, широкий выбор технических решений на рынке и развитыми технологиями для таких типов технических решений для усиления грунтов.

 Некоторые технические решения по усилению грунтов можно отнести к смешанным, использующие преимущества нескольких подходов.

Так, например, технология MINIJET – грунтовые сваи со стержневым армированием представляет собой комбинацию из двух принципов усиления грунтов.

Вместе с бурением скважин для усиления грунта методом струйной цементации в скважину вводится анкерная тяга для армирования грунтоцементной сваи, что дополнительно улучшает прочностные и деформационные свойства основания.

Все перечисленные методы усиления грунтов позволяют решить актуальную проблему строительства многоэтажных зданий на участках со сложными грунтовыми условиями.

Список литературы

1. Патент РФ на изобретение №2256748. Свайный фундамент и способ возведения свайного фундамента / Шадунц К.Ш., Мариничев М.Б. // Бюл. изобр., 2005. – № 20.
2. Шадунц К. Ш. Особенности деформаций днищ резервуаров / К. Ш. Шадунц, М. Б. Мариничев, В. В. Угринов // Промышленное и гражданское строительство. – 2004. – № 3. – С. 28-29. – EDN PLFVSJ.
3. Мариничев М. Б. Особенности учета инженерно-геологического строения оснований пойменных территорий в сейсмических районах при выборе технических решений фундаментов высотных зданий // Вестник ПНИПУ. – 2018. – № 01 (9) – С. 103−
4. Ляшенко П.А. Учёт взаимодействия бетонных свай в основании фундамента / Ляшенко П.А., Денисенко В.В., Мариничев М.Б. // Строительство: новые технологии − новое оборудование, 2020, № 6. С. 27-33.
5. Ляшенко П. А. Сопротивление основания буронабивной висячей сваи внешней нагрузке / Ляшенко П. А., Денисенко В. В., Мариничев М. Б. // Строительство и реконструкция. – 2020. – № 5(91). – С. 22−31.
6. Патент РФ на изобретение №2303106. Способ возведения плитного фундамента повышенной жесткости / Шадунц К.Ш., Мариничев М.Б., Демченко В.А. // Бюл. изобр., 2007. – № 20.
7. Эффективные технологии устройства оснований фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах /  Е.А. Филимонов, А.А. Устинов  //   Вестник МГСУ, 2011, No 5, 297-300.
8. Струйная цементация грунтов / А.Г. Малинин //  Пермь: Пресстайм, 2007г.
9. Мариничев, М. Б. Компенсация неравномерной сжимаемости основания жесткостью фундамента (на примере грунтовых условий г. Краснодара и края) : дис. … канд. техн. наук / 05.23.02 ; КубГАУ (Краснодар). - Волгоград : ВолгГАСУ, 2004, – 166 с.