CC BY
163
СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА
УДК 624.15
Вагидов М.М., Зоценко Н.Л.
ГРУНТОЦЕМЕНТНЫЕ ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ
Vagidov M.M., Zotsenko N.L.
SOILCEMENT BASES AND FOUNDATIONS
В статье рассмотрен прогрессивный метод устройства оснований и фундаментов из грунтоцемента с помощью буросмесительной технологии. Предложен комплект оборудования для устройства таких фундаментов. Проанализированы условия формирования физико-механических характеристик грунтоцемента. Приведены примеры конструктивных решений оснований и фундаментов из грунтоцемента. Рассмотрены экономические аспекты использования грунтоцемента.
Ключевые слова:грунтоцемент, грунтоцементные сваи, армированные основания, модуль деформации, прочность на сжатие, водонепроницаемость, расход условного топлива.
In this paper is considered the progressive method of arrangement of bases and foundations from soil cement with the help of drill mixing technology. Suggested is the set of equipment for the arrangement of such foundations. Analyzed are the conditions of the formation of physical-mechanical soil cement characteristics. Are given the examples of constructive solutions of bases and foundations from the soil cement.Are considered the economical aspects of soil cement use.
Key words: soil cement, soil cement piles, reinforced bases, deformation module, durability on compression, water resistance, expense of conditional fuel
Современные условия строительства требуют новых участков для застройки. Эти территории очень часто имеют сложные инженерно-геологические условия: оползнеопасные склоны, просадочные и слабые грунты, сложные в сейсмическом отношении площадки и т.п. В таких условиях строители отдают предпочтение свайным фундаментам, устройство которых требует значительных затрат. Одним из эффективных направлений снижения стоимости свайного фундаментостроения является использование в качестве материала для возведения фундаментов грунтов, которые залегают в основании объектов строительства. Этого можно достичь использованием буросмесительной технологии. С помощью специального оборудования выполняется разрыхление грунта непосредственно в массиве без его извлечения. Одновременно в разрыхленный грунт нагнетается водоцементная суспензия и выполняется перемешивание грунтоцементной смеси. После твердения смеси по всей толщине слабого грунта образуется крепкий грунтоцементный материал, который не размокает в водной среде. Такие элементы можно устраивать и в водонасыщенном грунте, т.е. ниже уровня грунтовых вод [1,2,3,4,5].
Технология работ. Устройство цилиндрических грунтоцементных элементов в грунте проводится с помощью комплекта оборудования, в состав которого входят:
- буровой станок БМ-811м на шасси автомобиля «Урал» (рис.1), модернизированный тем, что шнеки заменены на буровые штанги диаметром 100 мм, имеющие внутренний канал для подачи цементного раствора. Рабочий орган для разрушения грунта имеет отверстия для распределения цементной суспензии по всему сечению скважины. Для соединения штанг с растворонасосом предусмотрен вертлюг;
■А-
- растворомешалка для изготовления водоцементной суспензии;
- растворонасос для нагнетания суспензии в скважину.
Цементную суспензию размешивают в растворомешалке и нагнетают с помощью рас-творонасоса через вертлюг в полые штанги и далее в разрыхленный грунт. Для приготовления цементной суспензии можно использовать любую растворомешалку, выпускаемую отечественной промышленностью, при условии обеспечения ею однородности раствора. Суспензию в скважину можно подавать с помощью строительного диафрагмового растворонасо-са или бурового плунжерного насоса, которые обеспечивают давление в 0,5-0,7 МПа.
Разрушение грунта, впрыскивание в него цементной суспензии и перемешивание смеси осуществляется с помощью смесительно-бурового долота, которое состоит из полого корпуса, имеющего не менее одного отверстия для подачи закрепляющего раствора, забурника и, как минимум, двух лопастей с режущими кромками. Каждая лопасть закреплена на полой оси, при этом геометрическая ось поворота каждой лопасти смещена относительно центра веса площади в сторону передней режущей кромки.
Рисунок 1. Общий вид буровой машины БМ-811м
Закрепление лопастей на полом корпусе с возможностью ограниченного поворота устраивается таким образом, что геометрическая ось поворота каждой лопасти смещена относительно центра веса площади поверхности лопасти в сторону передней режущей кромки. Это обеспечивает возможность изменения наклона лопастей при изменении направления давления грунта на лопасть при забуривании или поднимании приспособления, что, в свою очередь, позволяет извлекать устройство из скважины без изменения направления его вращения.
Смесительно-буровое долото включает полый корпус 1 (рис. 2), который имеет не менее одного отверстия 2 для подачи закрепляющего раствора, забурника 3 и, как минимум, две лопасти 4 с передними режущими кромками 5.
Каждая лопасть 4 закреплена на полом корпусе 1 с возможностью ограниченного поворота, причем геометрическая ось поворота О-О (рис. 2 (III) каждой лопасти 4 смещена относительно центра веса площади G поверхности лопасти 4 в сторону передней режущей кромки 5 на расстояние t, не равное нулю.
Таким образом, лопасти 4 изготовлены так, что геометрическая ось поворота О-О разделяет их на две неравные по площади части S1 и S2, при этом площадь передней части S1 лопасти 4 с режущей кромкой 5 меньше задней части S2.
Максимальный угол поворота лопастей 4 ограничен упорами 7 и находится в интервале
■А-
I I
III - лопасть (вид сверху)
Во время работы за лопастями создается свободное от грунта пространство, в которое под давлением подается закрепляющий раствор. Это позволяет увеличить диаметр грунто-цементного элемента, обеспечить равномерное перемешивание материала, уменьшить трение при резании, что снижает затраты энергии на выполнениеработ [6].
Характеристики грунтоцемента. При проектировании 16-ти этажного жилого дома были проведены лабораторные исследования призменной прочности грунтоцемента. Основание здания сложено кварцевыми мелкими песками средней плотности, водонасыщенными. Количество портландцемента М400 при изготовлении грунтоцементных свай составило 25% от веса скелета грунта.
Нормативное сопротивление грунтоцемента осевому сжатию определяли в соответствие с ГОСТ18105-86. Кубики для исследований размером 7х7х7 см были вырезаны из тела опытных свай, через 60 суток твердения грунтоцемента ниже уровня грунтовых вод. Определение прочности грунтоцемента состояло в определении минимальных усилий, разрушающих опытные образцы при статическом их нагружении с постоянной скоростью приложения нагрузки.
Таблица 1
Результаты статистической обработки экспериментальных данных при определениирас-_четного значения призменной прочности грунтоцемента _
№ п\п Отдельные значения, Я;,, МПа Среднее значение, н Я пр, МПа _ н Япр - л н _ 2 (Япр_ Я"щл ) Средне- квадратичное отклонение, о Коэффициент вариации,
1 6,36 5,97 0,39 0,1521 0,041 6,9
2 6,47 0,50 0,2500
3 6,1 0,13 0,0169
4 5,43 0,54 0,2916
5 6,14 0,17 0,0289
6 5,92 0,05 0,0025
7 5,52 0,45 0,2025
8 5,95 0,02 0,0004
9 6,1 0,13 0,0169
10 6,44 0,47 0,2209
11 5,25 0,72 0,5184
п=11 Х= 65,68 1=1,7011
■А-
В таблице 1 приведены данные отдельных определений призменной прочности грунто-цемента и результаты статистической обработки экспериментальных данных.
Всего было исследовано 11 образцов грунтоцемента. Средняя величина нормативного
н
значения призменной прочности грунтоцемента Япр = 5,97 Мпа. Показатель прочности
определения при доверительной вероятности 0,95 составил ра = 0,054, при этом коэффициент надежности уё = 1,06. Расчетное значение призменной прочности грунтоцемента составило Япр = 5,6 МПа. Для определения марки грунтоцемента по показателю осевого сжатия (призменной прочности) следует пользоваться таблица 2.
Таблица 2
Нормативное сопротивление грунтоцемента, МПа, при проектной марке по прочности
на осевое сжатие
Осевое сжатие (приз-менная прочность) Значение сопротивления грунтоцемента Нормативное сопротивление, МПа при проектной марке грунтоцемента по прочности на осевое сжатие
50 75 100 150 200
Нормативное сопротивление грунтоцемента сжатию н Я , МПа 4 6 8 12 16
Научные данные свидетельствуют о том, что механические характеристики грунтоце-мента, который изготавливается непосредственно в массиве грунта, зависят от литологии грунтов, содержания цемента, водоцементного отношения грунтоцементной смеси, показателя воды рН, содержания водорастворимых солей, гидрофобных добавок и пр. [1]. Накопленный опыт показывает, что физико-химические характеристики лессовых грунтов, а именно незначительное содержание глинистых частиц, щелочная реакция среды, малое количество легкорастворимых солей, легкая диспергация при водонасыщении за счет водорастворимых связей между частицами - все эти особенности грунтов способствуют использованию их при изготовлении грунтоцемента.
Таблица 3
Физико-механические характеристики грунтоцемента в зависимости от содержания це-
мента при сроке твердения 90 суток
Содержание цемента /, % Влажность Ж, % Плотность скелета Ра, т/м3 Призменная прочность Ян МПа Модуль деформации Е, МПа
5 29,2 (0,10)* 1,36 (0,09) 1,027 (0,11) 134,7 (0,14)
10 29,3 (0,11) 1,36 (0,1) 2 (0,1) 255,7 (0,13)
15 29,34 (0,12) 1,365 (0,11) 3,7 (0,12) 350 (0,14)
20 29,6 (0,08) 1,363 (0,09) 5 (0,12) 487,5 (0,13)
25 28,9 (0,10) 1,37 (0,09) 6,2 (0,07) 500 (0,17)
30 29,6 (0,08) 1,355 (0,09) 7,7 (0,12) 560 (0,14)
35 29,4 (0,10) 1,36 (0,09) 10 (0,09) 700 (0,14)
40 29 (0,09) 1,365 (0,08) 11 (0,13) 751 (0,14)
45 29,1 (0,07) 1,37 (0,08) 12,5 (0,15) 830 (0,15)
50 29 (0,09) 1,38 (0,10) 13,8 (0,16) 942 (0,18)
(0,10)* - коэффициент вариации V
■А-
Механические характеристики грунтоцемента, а именно, призменная прочность и модуль деформации, обеспечиваются наличием кристаллизационных связей, которые образовались в процессе твердения материала. На скорость твердения грунтоцемента наибольшее влияние оказывает температура среды. Модуль деформации зависит от плотности грунтоцемента. Экспериментально доказано, что при одинаковой призменной прочности модуль деформации больший для образцом с большей плотностью.
На строительной площадке в пределах лессового плато грунтоцемент изготавливался из лессовидного суглинка. В лабораторных условиях физико-механические характеристики грунтоцемента исследовались в зависимости от содержания портландцемента М400.
Испытания образцов проводили на осевое сжатие, по результатам которого устанавливали призменную прочность Ян, МПа и модуль деформации Е, МПа. Серии образцов исследовались в 6-8 кратной повторности для сроков твердения 10, 28, 90, 365, 730 суток. В таблице 3 приведены данные эксперимента для срока твердения образцов 90 суток в воде.
Соответствующие корреляционные уравнения:
Я = 0,0676/ + 1,912 МПа (1)
Коэффициент корреляции г = 0,96.
Е = 7,96/ + 179,6 МПа (2)
Коэффициент корреляции г = 0,97.
Многими исследователями экспериментально установлен факт длительного твердения грунтоцемента во влажных условиях. На рис. 3 приведены графики увеличения призменной прочности грунтоцемента во времени.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 Срок схватывания Т, сут.
Рисунок 3. Зависимость прочности на сжатие RH, МПа грунтоцемента от времени тверденияпри при разном содержании цемента: 1-5 %; 2 - 10 %; 3-15 %; 4-20 %; 5 - 25%; 6 - 30%; 7 - 35%
Через два года прочность грунтоцемента увеличивается не менее, чем в два раза по сравнению с 28 суточным сроком. При твердении грунтоцемента в воздушно-сухих условиях прочность его за два года уменьшается вдвое. Этот эффект объясняется процессом карбонизации Са(НО)2 при контакте с СО2 воздуха с одной стороны и прекращением твердения смеси из-за отсутствия воды, которая необходима при гидратации цемента. На основании приведенных данных можно сделать вывод о целесообразности использования грунтоцемента только в подземных конструкциях при достаточно высоком уровне грунтовых вод.
Корреляционные уравнения механических характеристик грунтоцемента при содержании цемента 25 %:
RH = 1,81Т + 2,5 МПа (3)
Коэффициент корреляции r = 0,971.
Е = 63,03Т +400,5 МПа (4)
■А-
Коэффициент корреляции г = 0,975.
Специалисты материаловеды неоднократно отмечали, что грунтоцемент, несмотря на его высокую пористость, обладает аномально высокой водонепроницаемостью. Однако, по нашим сведениям отсутствуют экспериментальные подтверждения этого утверждения. Для изучения водонепроницаемости грунтоцемента в лабораторных условиях были изготовлены образцы из лессового суглинка числом пластичности 1р = 10 при содержании портландцемента М400 - 20% от массы сухого грунта, водоцементное отношение смеси В/Ц = 1,4. Плотность скелета грунтоцемента р& = 1,36 т/м3. После 28 суток твердения грунтоцемента во влажных условиях образцы-цилиндры диаметром 150 мм исследовались по методу «мокрого пятна» на водонепроницаемость на приборе, который приведен на рис. 4а. После установки образцов в гнезда прибора к ним прикладывалось давление водой. Водонепроницаемость серии образцов оценивалась максимальным давлением воды, при котором на четырех из шести образцов не наблюдалось просачивание воды. Это давление составило 1,4 МПа, что соответствует марке по водонепроницаемости W14.
Рисунок 4. Приборы для исследования грунтоцемента на водонепроницаемость: а) методом «мокрого пятна»; б) ВВ-2 типа «Агама» ускоренным методом
Параллельно водонепроницаемость образцов грунтоцемента определялась экспресс-методом с помощью прибора ВВ-2 типа «Агама» (рис. 4б). Прибор используется для ускоренного определения водонепроницаемости бетона. Метод базируется на существовании экспериментальной зависимости между воздухопроницаемости верхних слоев бетона и его водонепроницаемости.
Таблица 4
Время продавливания воды сквозь образец грунтоцемента
№ п\п Отдельные значения, 1, с. Среднее значение Средне-квадратичное отклонение, о Коэффициент вариации, V,%
1 380 509 129 16641 88,9 17,5
2 420 89 7921
3 534 15 225
4 548 39 1521
5 560 51 2601
6 612 103 10609
п=6 X = 3054 X =39518
По результатам эксперимента установлена марка грунтоцемента по водонепроницаемости W14. Коэффициент вариации при этом составил V = 17,5% , что соответствует общим представлениям о неоднородности свойств грунтов. Отметим, что такая высокая водонепро-
■А-
ницаемость грунтоцемента была достигнута при обычном технологическом цикле его изготовления, без внесения добавок и дополнительного уплотнения.
Следует отметить, что значение водонепроницаемости грунтоцемента W14, определенное методами «мокрого пятна» и ускоренным методом ВВ-2, совпало, что свидетельствует о достоверности полученных экспериментальных данных.
Высокая водонепроницаемость грунтоцемента открывает широкие возможности для его использования при возведении специальных сооружений, которые предназначены для длительного хранения токсичных жидкостей в емкостях, которые заглублены ниже поверхности Земли.
Конструктивные решения оснований и фундаментов из грунтоцемента. Многочисленные исследования показывают, что грунтоцемент, полученный с применением буросме-сительной технологии, можно использовать как материал для изготовления конструкций подземной части зданий и сооружений.
1. Грунтоцементные сваи, которые изготавливаются по буросмесительной технологии (рис. 5а). Кроме явных экономических преимуществ, следует отметить высокую технологичность их изготовления в неустойчивых грунтах. Если для устройства набивных бетонных свай необходима обсадка скважины или прохождение ее под глинистым раствором, то при буросмесительной технологии грунтоцемент сам надежно удерживает стенки скважины даже в илах и плывунах. Грунтоцементные сваи можно армировать непосредственно после изготовления грунтоцемента путем погружения каркаса вибрированием или отдельными стержнями через направляющий кондуктор. Высокая водонепроницаемость грунтоцемента обеспечит нормальные условия длительной роботы в нем арматуры.
2. Подготовка искусственного основания путем армирования его вертикальными элементами, выполненными в виде грунтоцементных цилиндров различных диаметров и длин (рис. 5б). Величина модуля деформации искусственного основания регулируется объемом грунтоцемента в слабом грунте, иными словами, она зависит от расстояния между армирующими элементами. Обычно между подошвой фундамента и торцами армирующих элементов устраивается распределительная подушка из щебня.
3. Защита существующих зданий и сооружений от влияния новостроек выполняется путем строительства разделительных стенок между основаниями этих объектов. На рисунке 5в приведена схема разделительной стенки из грунтоцемента. Обычно она устраивается из одного ряда пересекающихся грунтоцементных элементов, которые следует опирать на надежный слой основания. Преимущество грунтоцементной стенки не только в экономии материала и технологичности изготовления, а еще и в том, что площадь ее опирания на надежный грунт значительно больше, чем у металлического шпунта. А именно от этого зависит дополнительная осадка существующего сооружения от влияния новостройки.
4. Сооружения, предназначенные для длительного хранения токсичных веществ в объемах, которые располагаются ниже поверхности Земли. На рисунке 5г показана схема захоронения бытовых отходов в оврагах. Для исключения контакта отходов с грунтовыми водами вокруг оврага устраивается водонепроницаемая завеса из рядов пересекающихся грун-тоцементных элементов, которые заводятся в водоупор. Поток грунтовых вод обходит преграду, при этом баражный эффект в пределах фронта сооружения до 100 м не превышает 0,20,5 м, что не может существенно изменить их режим.
5. Обеспечение устойчивости откосов глубоких котлованов особенно актуально в стесненных городских условиях застройки. На рисунке 5д показана схема армирования откосов котлована рядами вертикальных грунтоцементных элементов не пересекающихся между собой. Система рядов грунтоцементных элементов рассматривается как массивная жесткая подпорная стенка. По такой расчетной схеме определяется количество рядов элементов и расстояние между ними в ряду. Применяется как альтернатива сплошной подпорной стенки из буронабивных свай. Предложение имеет преимущество не только за счет применения грунтоцемента, а еще и за счет жесткости всей конструкции. Имеется опыт применения при глубине котлована до 20 м.
а) в качестве свайного фундамента; б) для усиления основания фундамента; в) в качестве разделительной стенки; г) при засыпке оврагов отходами; д) для укрепления стенок котлована; е) для закрепления склонов:1 - фундамент здания; 2 - грунтоцементная свая; 3 - щебневая подушка; 4 - грунтоцементный элемент; 5 - отходы; 6 - рекультивационный слой;
7 - поверхность скольжения
6. Повышение устойчивости оползнеопасного склонапутем армирования его вертикальными грунтоцементными элементами (рис. 5е). Установлено, что при цементации грунтов, в результате соединения частиц и агрегатов грунта цементом, возникает искусственное структурное сцепление. Грунтоцементные элементы, устроенные по буросмесительной технологии, вместе с незакрепленным грунтом образуют единый массив грунта с улучшенными механическими характеристиками. Во избежание развития оползневых деформаций, а следовательно и появления оползневого давления, следует выполнять улучшение свойств грунта, то есть увеличивать его механические характеристики, при помощи цементации по буросмесительной технологии. Закрепление грунтов может использоваться в качестве вспомогательного мероприятия, а иногда и альтернативы наиболее распространенным методам стабилизации и предупреждения оползней - сооружению разных типов удерживающих сооружений, таких как подпорные стенки, контрбанкеты и тому подобное.
Во всех рассмотренных случаях при составлении проекта необходимо проводить расчеты не только по грунтам, но и по материалу. При этом, в каждом случае необходимы определения механических характеристик грунтоцемента, который изготовлен из конкретных грунтов. Необходимо также учитывать еще и тот факт, что толща основания сложена обычно несколькими слоями различных по литологии грунтов. Всем этим грунтоцемент отличается от бетона, который изготовляется по заданному проектировщиком рецепту.
Снизить стоимость строительства возможно путем использования грунтов в качестве материала для возведения фундаментов. Получаемый при этом материал грунтоцемент -смесь грунта и цемента - имеет достаточно высокую прочность, низкую деформативность, аномально высокую водонепроницаемость. Из отдельных машин, которые выпускаются в России, создан комплект оборудования для изготовления грунтоцемента по буросмеситель-ной технологии. Рассмотрены отдельные примеры применения грунтоцемента в строительстве.
■А-
Библиографический список.
1. Токин А.Н. Фундаменты из цементогрунта. - М.: Стройиздат, 1984. - 184 с.
2. Соколович В.Е., Мотузов Я.Я., Котов А.И. (НИИОСП). Закрепление илов цементами. // Строительство на слабых водонасыщенных грунтах . - Одесса: Госстрой СССР. -1975.- С. 267-267.
3. Степура И.В., Шокарев В.С., Трегуб А.С., Павлов А.В., Павленко В.П. Армирование лессовых грунтов оснований зданий и сооружений - Материалы Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. -Пермь: ПГТУ. -2004.- С. 213-21.
4. Мотузов Я.Я., Горлов В.С., Бобровский Я.М. и др. Применение оснований из ило-цементных свай. //Расчет и проектирование свай и свайных фундаментов. Труды II Всесоюзной конференции «Современные проблемы свайного фундаментостроения в СССР. - Пермь: Пермский политехнический институт,1990. - С. 135-136.
5. Ланько С.В. Современные технологии перемешивания грунтов. //Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции-СПб: Санкт-Петербургский госуд. архит.-строит. ун-т., 2010. - С. 168-174.
6. Крысан В.И. Струйное и смесительно-струйное закрепление грунтов // Сборник научных трудов ПГАСА, 2004, -Вып.30.- С. 132-136.
7. Саурин А.Н., Корпач А.И., Редькина Ю.В. Результаты преобразования свойств слабого основания силосной емкости на 30 тысяч тонн шлаковыми НРС. //Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции- СПб: Санкт-Петербургский госуд. архит.-строит. ун-т., 2010. - С. 124-126.
8. Нуждин Л.В., Теслицкий В.В., Нуждин М.Л., Юрьев М.В. Расчет вертикально армированного грунтового основания плитного фундамента. //Актуальные вопросы геотехники при решении сложных задач нового строительства и реконструкции - СПб: Санкт-Петербургский госуд. архит.-строит. ун-т., 2010. - С. 143-147.
9. P.S. Seco e Pinto. Ground improvement - New developments. - Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July. - 2006.- p.p. 3-36.
10. Kuokkanen M. Mass and Column for a Stabilization of Peat and Clay for a Road Embankment in Sodertalje, Sweden. - Proceedings of the 17 th. EYGEC, V. Sravits - Nossan (ed.), Zagreb: Croatia, 20-22 July.- 2006.- p.p. 123-132.
