Способы закрепления оснований фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях

Закрепление грунтов – группа гидрологических, почвенных и агроклиматических методов, направленных на обеспечение фиксации положения объема грунта в условиях его естественного залегания путем искусственного преобразования. Так при возведении объектов капитального строительства в горных районах необходимо учитывать возникновение селевых процессов, на которые влияют природные и антропогенные факторы.

Селевые потоки, как и другие природные явления, носят разрушительный характер. Внезапность и частота проявлений, тесная парагенетическая связь с другими негативными природными процессами, слабая возможность прогноза – всё это делает сели серьёзным препятствием для безопасной эксплуатации и дальнейшего освоения горных территорий [4, с.1]. Именно поэтому изучение количественных методов селевых процессов является значимым и необходимым условием развития в изучении строительства, эксплуатации и защите зданий и сооружений в районах подверженных селевым процессам.

Основные способы защиты объектов капитального строительства и их территории:

Активные способы защиты:

• закрепление горных пород и массивов;
• предотвращение факторов или уменьшение их влияния на возникновение
• изменение угла водосборов логов с предотвращением или уменьшением влияния факторов, необходимых для ее возникновения;

Пассивные способы защиты:

• использование селепроводов (специальные инженерные сооружения);
• разделение потоков на более мелкие;
• отвод селей в специально подготовленные места;
• установка ограждающие конструкций для улавливания и сбора частей селевых потоков.

Традиционно активные методы защиты требует более основательных затрат, чем использование пассивных способов защиты.

Одним из ключевых и самых распространенных методов пассивной защиты – строительство бассейнов для улавливания горных пород или установка сетчатых ограждающих конструкций.

Современные технологии предоставляю возможность использование гибкого барьера для защиты от селей, состоящую из следующего комплекта: стойки, панели, оттяжки, тормоза и метизы. Все элементы металлические с цинковым покрытием. Данный барьер можно использовать на любых скальных породах, руслах, созданных сходами селевых потоков со сложной морфологией за короткий промежуток времени, чаще всего его используют на обрушающихся склонах. Геометрия конструкции предполагает длительное воздействие расчетной, панели имеют высокий коэффициент поглощения импульса от попадающих в нее потоков. Один барьер способен удержать до 3000 м³ материалов селевых процессов, также возможно повторное использование в рамках расчетного времени, после очистки.

В практике используется защитные насыпи, как для удержания селевого потока, так и разделения его на более мелкие. Насыпи монтируют из материалов: «Террамеш», «Зеленый террамеш» и габионов [5, с.251]. В качестве тела насыпи используют дренирующие и местные грунты. Так как установка таких насыпей возможна только на горизонтальной плоскости и требуется наполнитель тела насыпи, то обычно их устанавливают в зоне аккумуляции сели. Главное преимущество насыпей перед гибкими барьерами заключается в том, что улавливаемый объем регламентируется пространством для аккумуляции сели, кроме того, насыпи более дешевые и простые в эксплуатации и обслуживании.

При использовании пассивных методов защиты необходимо спрогнозировать объем селевых потоков и их параметры, после каждого схода сели, необходимо провести обследование защитных сооружений, провести очистку и ремонт. Можно сделать вывод, что ограждающие конструкции как способ закрепления от селевых потоков является самым лучшим высококачественным из-за своей высокой надежности, простым в монтаже, и экономически целесообразным.

Природным осложнением геологии строительства может стать наличие просадочного слоя в массиве грунта. Опасные геологические процессы наносят существенный урон народному хозяйству. Наибольшие потери приходятся на территории городов с развитой инфраструктурой и объектами строительства [2, с.291]. Закрепление грунта в таких условиях наиболее часто осуществляется за счет химических процессов. Одним из способов является силикатизация грунтов.

Наиболее простым способом в данном случае является повышение несущей способности сваи с помощью инъецирования раствора в грунт методом однорастворной силикатизации [1, с.1].

Однорастворная силикатизация основана на введении в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов, с вязкостью, близкой к вязкости воды и с заранее заданным замедленным временем гелеобразования.

В лессовый грунт вводится раствор силиката натрия с удельным весом 1,05-1,17 без отвердителя, поскольку сам грунт в данном случае является активной средой. В результате взаимодействия силиката натрия с поглощающим комплексом и карбонатными солями лессового грунта в порах грунта образуется нерастворимая твердая фаза гидроокиси кальция и адсорбированная на нем кремнекислота SiO₂. Образовавшийся таким образом микрослой цементирующих новообразований обеспечивает прочность закрепленному грунту порядка 6-20 кг/см² и водонепроницаемость.

Однорастворная силикатизация широко применяется в районах распространения макропористых лессовых грунтов с целью устранения их просадочных свойств. Важную роль в сложном процессе силикатизации играет минералогический состав и структура лессовых пород. В то же время на процесс влияют удельная поверхность смесей и их поглотительная способность. Существует не только химическое поглощение, но и физическое, физико-химическое и механическое. Эти виды поглощения при силикатизации не контролируются и, таким образом, о возможностях силикатизации судят лишь по одной форме – химическому поглощению.

С уменьшением пористости в агрегативно-зернистых структурах коэффициент фильтрационной активности падает до 1,8-2,5 при одновременном нарастании прочности. В связи с этим основная часть раствора силиката натрия размещается в макропорах лессовых пород, не оказывая существенного влияния на их прочность. На создание цементационных связей идет лишь небольшая часть раствора. Таким образом, коэффициент фильтрационной активности может служить показателем механического поглощения всего поглощающего комплекса.

Грунтовые воды, являясь естественными растворами, могут влиять на долговечность силикатизированного лессового грунта. В связи с этим на прочность силикатизированного грунта влияет фактор подтапливания грунтовыми водами городов, расположенных на лессовых грунтах.

Эффективность закрепления грунта во многом зависит от количества введенного в его поры рабочего раствора силиката натрия. Инъецирование излишнего количества раствора, влечет за собой увеличение сроков нагнетания и трудозатрат при подготовительных операциях.

Решающее влияние на эффект силикатизации оказывают макропоры закрепляемого грунта. Чем больше таких пор, тем быстрее при прочих равных условиях происходит распространение крепителя. С другой стороны, чем интенсивнее нагнетается раствор, тем больше разница в количестве макро- и микропор, заполненных раствором. Непрерывное и плавное повышение давления нагнетания обеспечивает такой режим инъецирования, при котором скорость распространения раствора в течение всего периода закачки остается практически постоянной.

Можно сделать вывод, что преимуществом способа силикатизации лессовых грунтов является практически мгновенный процесс закрепления и дальнейшее быстрое улучшение основных строительных свойств грунтов: механической прочности, водостойкости и ликвидации просадочности. Следовательно, этот метод можно считать наиболее выгодным.

В современном строительстве возникает много новых задач, связанных с различными антропогенными факторами, например, возведением зданий и сооружений в естественных городских условиях. Городской ландшафт все чаще представляет собой сочетание высоток и старого малоэтажного фонда. Это приводит к необходимости проведения расчета по прогнозированию того, как будут распределены усилия, переданные от фундамента здания на основание и насколько они могут повлиять на уже существующую застройку. Часто строительство на таких участках может быть осложнено близким расположением грунтовых вод, подвижной почвой, нестабильным грунтом и т.п. В таком случае один из способов уменьшения влияния действующей нагрузки от строящегося здания – закрепление оснований разделительным и удерживающим ограждением различных видов. С точки зрения экономической выгоды, наиболее эффективным является технология закрепления шпунтом «стена в грунте», она отлично подходит для создания противофильтрационных завес и разделения строительных площадок – что особенно актуально в условиях взаимного влияния разногруженных фундаментных плит. Для того, чтобы передать нагрузку, действующую на шпунтовое ограждение вглубь грунтового массива, применяют анкера.

Далее в статье будет раскрыта тема исследования особенности работы по закреплению шпунтовым рядом с помощью анкеров, которое можно внедрить в современные расчеты.

Наиболее интересны в этом направлении исследования датского ученного Б. Хансена. Основываясь на теории предельных состояний, Хансен предложил рассмотреть состояние шпунтовой стенки, включая образование пластических шарниров в ней, а также состояние грунта засыпки. При этом особое внимание уделяется кинематической совместимости деформаций грунта и стенки [3, с.11]. Таким образом, если рассмотреть перемещение грунта засыпки, можно заметить в нем разрывы и деформации, при чем разрывы наблюдаются как в целой зоне грунта, так и только по линии. На этом этапе появляется утверждение о том, что классическая теория давления Кулона далеко не совершенна, т.к. эта теория рассматривает разрывы внутри целой зоны грунта. По Кулону центр вращения подпорного сооружения находится ниже уровня его подошвы. В свою очередь Хансен утверждает, что центр вращения находится выше уровня его средней части, а следовательно, разрыв будет происходить по определенной траектории, без перехода всей движущейся зоны в пластическое состояние. Напрашивается вывод, что классические теории дают кинематически несовместимые деформации стенки и грунта. Согласно утверждениям Хансена, в шпунтовой стенке могут быть один или два пластических шарнира [3, с.12]. Особенность метода заключается в порядке расчета закрепления. Для начала необходимо задать расположение анкерного тяжа и предварительно принять расположение шарнира, затем построить эпюру давления грунта для участка стенки на высоту расположения шарнира. Проверка выбора расположения шарнира заключается в составлении уравнения с равенством моментов всех сил, приложенных к стенке. Дальнейший подбор осуществляется методом итерации. Хансен заменяет единичный коэффициент запаса и вводит систему коэффициентов, что позволяет получить более точные результаты. Конечно же данный метод имеет недостатки, например то, что положение шарнира не увязывается с местом, в котором происходит скачок в эпюре давления грунта.

Можно сделать выводы, что теория датского ученого имеет положительное значение в исследованиях закрепления оснований в условиях взаимного влияния разногруженных фундаментных плит, и в случае ее доработки и многократной проверке практикой, она может быть легко применима в современных реалиях.

Рецензент – Пугачёв Б. А.

1. Дежина И.Ю. Выбор метода преобразования лессовых грунтов Ростовской области с учетом различных факторов// Инженерный вестник Дона, 2013, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1945
2. Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже XXI века // Вестник РАН. Том 71. – №4. – С. 291-30
3. Ренгач В.Н. Шпунтовые стенки (расчет и проектирование). Ленинград, 1970. 109 с.
4. Сергеева Г.А., Волобуева Л.Л., Кривошеева Е.А. Долгосрочный прогноз развития и направления изучения селевых явлений на горной территории Карачаево-Черкессии. Меры защиты от селей // Инженерный вестник Дона, 2012, № URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1155
5. Сорочан Е.А., Трофименкова Ю.Г. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Москва, 198 471 с.