768
.pdfГарантированное восстановление эксплуатационной надежности деформируемых насыпей возможно путем замены верхних обводненных и разуплотненных слоев грунта, что реализуемо при полной остановке движения на длительный период. Такой подход практикуется за рубежом, где хорошо развита сеть железных и автомобильных дорог и на период ремонта можно перебрасывать движение на другие дороги или виды транспорта. В условиях слаборазвитой сети дорог Севера России такой подход непродуктивен, по крайней мере, в ближайшие годы.
Выход из сложившейся ситуации видится в активном внедрении современных методов упрочнения и армирования грунтов. Переход к массовому строительству высотных зданий с развитой подземной частью обусловил потребность широкого внедрения новых методов усиления оснований, укрепления стен глубоких котлованов, уплотнения насыпных техногенных грунтов, закрепления и осушения крутых склонов и откосов и т.д. Перечисленные проблемы успешно решаются с помощью активного внедрения инъекционных методов упрочнения грунтов, устройства анкерных и нагельных конструкций, армирования грунтов микросваями в пробуренных, пробитых или раскатанных скважинах, устройства закрытых дрен различной конструкции и т.д. [90]. Многие из этих методов могут и должны найти широкое применение при стабилизации деформаций земляного полотна. Более того, некоторые из них, в частности устройство буроинъекционных свай, стягивающих элементов, анкерных конструкций, уже нашли отражение в указаниях МПС еще в начале 90-х гг. прошлого века [91, 92], но на практике ни на железных, ни на автомобильных дорогах распространения не получили.
Анализ опыта, накопленного в геотехнике за последние годы, показывает, что во многих случаях там, где требуется уменьшить сжимаемость, повысить несущую способность грунтов, обеспечить устойчивость склонов и откосов, может оказаться целесообразным искусственное улучшение физико-механических свойств (закрепление, упрочнение, уплотнение, армирование) грунтов [94].
Упрочнение грунтов на площадках со сложными инженерногеологическими условиями позволяет существенно снизить затраты на строительство, предупредить возможное возникновение деформаций в несущих конструкциях от неравномерных осадок и, в конечном итоге, увеличить сроки эксплуатации.
91
Существующие способы улучшения свойств грунтов можно разделить на три группы: конструктивные, механические и физи-
ко-химические. Каждый из методов имеет свои области применения в зависимости от грунтовых условий, назначения и характеристики сооружения и поставленных задач. Выбор методов или их комбинаций зависит от характера напластований и свойств грунтов, интенсивности передаваемых на основание нагрузок, конструктивных особенностей сооружения и возможностей строительных организаций. Ниже представлена характеристика методов, наиболее подходящих и доступных, по нашему мнению, для стабилизации деформаций земляного полотна автомобильных дорог.
4.2. Конструктивные методы улучшения оснований
Конструктивные методы основаны на ограничении развития деформаций в зоне влияния сооружения в том или ином направлении. Общим достоинством конструктивных методов является возможность их применения при любых условиях, так как они не связаны с улучшением характеристик грунтов. К недостаткам следует отнести их значительную материалоемкость.
Шпунтовые ограждения применяют чаще всего при сооружении одиночных фундаментов (мостовых опор) и наличии в их основании структурно-неустойчивых грунтов. Однако они могут быть эффективными и при обеспечении устойчивости насыпей на слабых грунтах [57]. Шпунт забивается на всем протяжении потенциально опасного участка с обеих сторон насыпи с целью предотвращения выпирания слабого грунта из-под ее подошвы. При этом резко снижаются горизонтальные деформации слабого грунта, который сжимается в шпунтовой обойме, в основном в вертикальном направлении. В этом случае осадки сооружения могут быть значительными, но его устойчивость будет обеспечена. Забивают шпунт с таким расчетом, чтобы он прорезал слабую толщу с заглублением в прочные грунты (рис. 37).
Верх шпунтового ограждения не должен перемещаться в горизонтальном направлении, с целью чего устраивают горизонтальные анкерные связи.
Недостатком насыпей в шпунтовом ограждении является необходимость использования громоздкого оборудования, что ог-
92
раничивает его применение при реконструкции и ремонте земляного полотна действующей автомобильной дороги. Кроме того, подобная технология может быть эффективна только при малой высоте насыпи, небольшой мощности слабого грунта в основании и низкой интенсивности движения.
Рис. 37. Устройство земляного полотна в шпунтовом ограждении на слабых грунтах:
1 – шпунт; 2 – анкерные тяги; 3 – насыпь; 4 – слабый грунт; 5 – плотный грунт
Армирование грунтов. Одним из наиболее эффективных способов укрепления грунтов является их армирование, предложенное французским инженером А. Видалем. Главная особенность данного способа заключается в том, что такой грунт является техногенной геокомпозитной несущей конструкцией. Обычные дисперсные грунты практически не воспринимают растягивающие напряжения, поэтому для их восприятия в грунт укладывают одиночные стержни или каркасы, чаще всего из металла либо синтетических материалов.
Армирование грунта является одним из методов преобразования его свойств, когда в грунтовую среду вводятся элементы, обеспечивающие восприятие повышенных сжимающих и растягивающих напряжений.
Существует следующая классификация армирования грун-
та [94]:
–по текстурным признакам – анизотропное и изотропное;
–по виду армирующих элементов – набивными, буронабивными, забивными и грунтовыми сваями; буроинъекционными сваями; анкерами; металлическими стержнями и полосами; геотекстилем; полимерными пленками; волокнами, нитями, кордовой тканью;
93
–по характеру расположения армирующих элементов – вертикальное, горизонтальное, наклонное в одном, двух и более направлениях; ячеистыми структурами; объемно-дисперсное;
–по способу производства работ – забивкой, задавливанием
ивибропогружением, устройством скважин и инъектированием; заведением в скважины с последующей заливкой и инъекцией; расстилкой и раскладкой; с применением струйной технологии; замывом и засыпкой.
Сооружения из армированного грунта следует рассматривать как геокомпозитные конструкции с улучшенными свойствами за счет наличия армированных элементов.
Конструкции из армированного грунта известны достаточно давно [94]. Об использовании армогрунтовых конструкций в строительстве, в том числе в транспортном, написано много трудов, разработаны инструктивные документы, доказана их эффективность [95–99], однако до сих пор их применение в автодорожном строительстве не приобрело массового характера. В основном оно сводится к использованию геотекстильных материалов в качестве тех или иных конструктивных слоев и поверхностного укрепления склонов и откосов геосетками, георешетками и матрацами Рено. Поэтому использование армогрунтовых конструкций в настоящее время с полным основанием можно отнести к нетрадиционным методам.
Наиболее широко армогрунт применяют в устоях мостов, основании фундаментов различных сооружений, подпорных стенах, контрбанкетах, насыпях, дамбах и других сооружениях [94–97]. При надлежащей прочности на растяжение и хорошем сцеплении
сгрунтом армирующие элементы позволяют значительно повышать несущую способность оснований, устойчивость подпорных стенок, увеличивать крутизну и устойчивость откосов насыпей и выемок и др. (рис. 38).
Опыт строительства различных объектов из армогрунта выявил следующие преимущества таких конструкций по сравнению
страдиционными решениями:
–сокращение продолжительности строительства и трудоза-
трат;
–уменьшение потребности во временных и вспомогательных сооружениях;
94
–простота технологического процесса возведения конструк-
ций;
–минимальное нарушение геологического строения основа-
ния;
–высокая надежность и долговечность армоконструкций.
а) |
б) |
в) |
Рис. 38. Армогрунтовые конструкции:
а– армированная насыпь; б – нагельное крепление откосов;
в– армированный контрбанкет:
1– внутреннее армирование; 2 – откосное армирование; 3 – армирование основания; 4 – металлические нагели; 5 – поверхностное укрепление
(георешетки, плиты, торкретбетон); 6 – горизонтальное армирование; 7 – вертикальное армирование (бетонные микросваи)
Для строительства любого сооружения из армированного грунта требуется два вида материалов: грунт и арматурные элементы. Выбор применяемых материалов зависит от технических требований к сооружению, а также экономических аспектов строительства.
В принципе может быть использован любой свободный от органических примесей грунт, однако в связи с требованиями практической целесообразности его виды, как правило, бывают ограниченными. В общем случае местные грунты или отходы производства бывают экономически наиболее выгодными, хотя могут обладать при этом худшими свойствами.
Несвязные грунты более предпочтительны. Их преимуществом является тот факт, что они обеспечивают устойчивость, свободное дренирование, невосприимчивость к процессам промерзания и морозного пучения, относительное отсутствие коррозионной активности по отношению к армирующим элементам. Основной недостаток заключается в высокой стоимости, обусловленной тем, что они обычно являются привозными.
95
Основное преимущество связных грунтов состоит в их доступности. Ограничениями их применения могут быть проблемы длительной устойчивости, надежности, долговечности и коррозионной активности.
Материалом для армирующих элементов могут быть металлические стержни, листы или ячеистые конструкции, синтетические геоткани и георешетки, композитные элементы, железобетонные конструкции, изношенные покрышки и т.д.
Своеобразным аналогом армогрунта является нагельное укрепление, применяемое при устройстве откосов выемок. Один из вариантов нагельного крепления устраивают путем бурения горизонтальных скважин с небольшим наклоном и закладки в них металлических стержней круглого сечения с последующим заполнением скважины раствором. Длина нагелей, как правило, составляет 5–8 м. Нагели объединяют на поверхности откоса одевающей сеткой из торкретбетона [100].
Недостатком армирования можно считать то, что большинство вариантов армирования относится к новому строительству, при реконструкции или усилении грунтовых сооружений применение гибких армирующих элементов труднореализуемо или вообще невозможно.
4.3. Механические методы уплотнения грунтов
Механические методы улучшения оснований состоят в уплотнении грунтов с доведением их свойств до значений, гарантирующих устойчивость и допустимую осадку возводимых сооружений. Для уплотнения слабых глинистых, рыхлых песчаных, насыпных и просадочных грунтов применяются описанные ниже методы.
1.Поверхностное уплотнение – в пределах деформируемой зоны основания или ее части; уплотняющее воздействие прикладывается с поверхности грунта. Этот метод наиболее эффективен при отсыпке насыпей под строящуюся автомобильную дорогу. При стабилизации деформаций существующего земляного полотна он имеет ограниченное применение.
2.Глубинное уплотнение – в пределах всей толщи рыхлых грунтов основания; уплотняющее воздействие прикладывается по всей глубине массива или по ее части.
Глубинное уплотнение грунтов при надлежащем качестве работ позволяет эффективно обеспечить высокую плотность и ма-
96
лую деформативность мощных толщ слабых грунтов. Его производят на всю глубину слабого слоя или активной зоны, влияющей на осадку сооружений. Методы глубинного уплотнения для сыпучих и связных грунтов имеют различия, обусловленные разной способностью реагировать на динамические воздействия.
Глубинное уплотнение грунтовыми или щебеночными сваями.
Сущность этого способа заключается в устройстве на определенном расстоянии друг от друга скважин, которые затем заполняют грунтом с уплотнением. Для образования скважин применяют способы, при которых грунт не извлекается на поверхность, а вытесняется в окружающий массив, в результате чего происходит его уплотнение. Сами скважины, заполненные трамбованным грунтом, еще больше повышают несущую способность основания.
К эффективным и нетрадиционным методам глубинного уплотнения грунтов следует отнести технологии, в которых используются пневмопробойники и раскатчики скважин. Эти машины просты, надежны, очень эффективны, обладают малой энергоемкостью, мобильностью, что позволяет вести работы в стесненных условиях. Возможность проходки скважин разного диаметра и длины с различным пространственным расположением обеспечивает эффективность технологии глубинного уплотнения грунта и позволяет оптимизировать этот процесс в зависимости от поставленной задачи, инженерно-геологических условий и условий производства работ.
Технология глубинного уплотнения грунтов пневмопробойни-
ками заключается в следующем [101–104]. Пневмопробойник со стартового устройства запускается в работу и погружается в грунт на нужную глубину (до 20 м), образуя скважину диаметром, равным диаметру снаряда (рис. 39). При этом вокруг скважины происходит радиальное уплотнение грунта. Реверсивным ходом пневмопробойник возвращается назад к устью скважины и извлекается из нее. Образовавшаяся скважина заполняется инертным материалом (местный грунт, песок, щебень, цементнопесчаная смесь, тощий бетон и т.д.), и проходка пневмопробойника повторяется. При этом заполнитель втрамбовывается в стенки скважины, вызывая дополнительное радиальное уплотнение грунта. Обычно делают не более трех проходок. Большее ко-
97
личество проходок малоэффективно. После конечной проходки полость скважины заполняют местным грунтом или тощим бетоном с трамбованием. Радиус уплотненной зоны грунта с плотностью на ее внешней границе d = 1,6…1,65 т/м3 составляет при этом 3–4 диаметра пневмопробойника [101]; за пределами этой зоны плотность грунта постепенно снижается, на расстоянии 6–7 диаметров снаряда равна природной. Точность проходки скважин очень велика, отклонение от оси из-за неоднородности грунта при глубине скважины 5–7 м не превышает нескольких сантиметров.
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 39. Технологическая схема глубинного уплотнения грунтов
сприменением пневмопробойника:
а– первичная пробивка скважины; б, в – повторные проходки скважины;
г– стадия завершенных работ:
1– пневмопробойник с расширителем; 2 – воздушный шланг; 3 – тренога
слебедкой; 4, 5 – заполнитель первой и повторной засыпки;
6 – тощий литой бетон
Особенно эффективно применение пневмопробойников в тех местах, куда доступ обычным машинам и механизмам затруднен: тоннелях и водопропускных трубах, на откосах земляного полотна автомобильных и железных дорог, конуса и сопряжения на подходах к мостам и т.д. Производительность процесса определяется скоростью проходки скважин, количеством проходок, продолжительностью операций по заполнению скважин материалами и извлечению пневмопробойника из скважины.
98
Препятствием для применения пневмопробойника являются сухие слабоуплотняемые песчаные и переувлажненные глинистые грунты. В таких грунтах силы сцепления с ними корпуса пневмопробойника недостаточно для реализации эффекта его самодвижения в грунте. Валуны, остатки строительного мусора или другие преграды, находящиеся в грунте и сопоставимые по размерам с диаметром пневмопробойника, могут явиться причиной его отклонения от заданного направления, замедления движения или полной его остановки. Еще одним препятствием для широкого использования пневмопробойников на застроенных территориях являются довольно значительные динамические воздействия.
От перечисленных недостатков свободны раскатчики скважин. Термин «раскатчик скважин» используется для обозначения рабочего органа, который деформирует грунт катящимися по боковой поверхности скважины катками.
Использование раскатчиков скважин имеет ряд преимуществ по сравнению с пневмопробойниками, основными из которых яв-
ляются [105, 106]:
–отсутствие шума и вибрационных воздействий на близкорасположенные здания и сооружения;
–высокие скорости проходки, достигающие в некоторых грунтах 1 м/мин;
–низкая энергоемкость процесса;
–высокая точность направления проходки.
Диаметр уплотненной зоны вокруг скважины, полученной при раскатке скважин, и степень уплотнения грунта в ее пределах заметно выше, чем при использовании пневмопробойника.
До настоящего времени использование раскатчиков скважин в России и за рубежом для упрочнения и армирования в грунтах носит единичный характер. Информации в литературе о проектных решениях, технологиях и полученных результатах крайне мало. Наибольшую известность благодаря многолетним работам
ООО «Основание» (г. Липецк) получили набивные сваи в скважинах, изготовленных с использованием раскатывающих органов жесткой конструкции [107]. Но и они продолжают до сих пор оставаться для проектировщиков и строителей нетиповым видом свай.
Реальная же сфера применения раскатчиков, так же как и пневмопробойников, в строительстве гораздо шире. Они с успе-
99
хом могут использоваться для устройства закрытых дрен, прокладки коммуникаций под насыпями, укрепления склонов и откосов, устройства анкерных и шпунтовых конструкций и т.д. [106].
Известковые сваи. Для глубинного уплотнения сильнозаторфованных и глинистых грунтов иногда применяют известковые сваи [108]. Пробитые в таких грунтах скважины заполняются негашеной комовой известью послойно с трамбованием, как и при устройстве грунтовых свай. Дополнительное уплотнение грунтов при этом способе осуществляется также за счет того, что известь в процессе взаимодействия с водой увеличивается в объеме на 60–80 %. Кроме того, при гашении извести происходит выделение большого количества тепла (температура достигает 120– 160 оС), что ведет к снижению влажности уплотняемого грунта. Под воздействием выделяемой теплоты и возникающих физикохимических процессов между известью и грунтом грунт вокруг сваи дополнительно упрочняется.
Сами известковые сваи после взаимодействия с водой быстро упрочняются. Прочность на одноосное сжатие составляет
1,0–2,5 МПа.
Недостатком известковых свай по сравнению с песчаными являются их практически полная водонепроницаемость и неспособность дренирования основания после гашения.
Уплотнение грунтов разрядно-импульсными технологиями
(РИТ) заключается в следующем [109, 110]. В скважине диаметром 130–300 мм, заполненной твердеющим раствором, производятся серии высоковольтных электрических разрядов с расчетным шагом по высоте забоя. После каждого разряда образуется полость, которая заполняется пластичной бетонной смесью, поступающей по бетонолитной трубе. В результате электрических разрядов происходят расширение скважины, цементация окружающего грунта, уплотнение основания под пятой и по боковой поверхности сваи и уплотнение ранее уложенного бетона
(рис. 40).
Опишем последовательность работ по уплотнению грунтов разрядно-импульсной технологией.
Бурится скважина необходимой глубины без крепления или с креплением стенок в зависимости от гидрогеологических условий площадки. В скважину опускается электродная система с бетоно-
100