Инженерные меры закрепления грунтовых массивов, откосов и склонов

1. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕРЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ, ОТКОСОВ И СКЛОНОВ

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования Новосибирский
Государственный Архитектурно-Строительный Университет (Сибстрин)
ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕРЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ, ОТКОСОВ И СКЛОНОВ
1

2.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и
выбору способов их укрепления в различных природных условиях.
М.: ВНИИтрансстрой, 1970.
Руководство по обеспечению устойчивости земляного полотна
автомобильных дорог химическим способом. М.: 1980.
Методические рекомендации по выбору конструкций укрепления
конусов и откосов земляного полотна. М.: Союздорнии, 1981.
Методические рекомендации по укреплению обочин земляного
полотна с применением стабилизаторов грунтов. М.:, 2003.
ОДН 218.3.039-2003 Укрепление обочин автомобильных дорог
(взамен ВСН 39-79) Отраслевые дорожные нормы
Биологические методы укрепления и рекультивации земель,
нарушаемых при строительстве автомобильных дорог. М.: Информавтодор, 2007.
2

3.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Закрепление грунтов в промышленном и
гражданском строительстве применяется:
для предварительного закрепления породы в
основании проектируемых зданий и сооружений;
для крепления откосов;
в качестве временного мероприятия при
проходке подземных выработок;
для устройства противофильтрационных завес;
для ремонта канализационных коллекторов.
3

4.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
1. Осушение грунтового массива (дренаж)
2. Биологические меры (посев трав, включая гидропосев)
3. Инъекционное закрепление грунтового массива
3.1. Силикатизация
(включая электросиликатизацию и газосиликатизацию)
3.2. Смолизация
(инъекционное закрепление грунтов химическими смолами)
3.3. Укрепление грунтов методами глубинного смешивания с
вяжущими
4

5.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
5

6. Инъекционное закрепление грунтовых массивов

К методам инъекционное закрепления грунтов
относятся:
Методом силикатизации – нагнетание растворов
на основе силиката натрия.
Методом смолизации – нагнетание растворов на
основе карбамидных смол.
Методом цементации – нагнетание растворов на
основе цемента.
6

7.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
3.1. Инъекционное закрепление грунтов способами силикатизации
(включая электросиликатизацию и газосиликатизацию)
Способ силикатизации заключается в помещении в грунт силиката
натрия (жидкого стекла) и хлористого кальция или ортофосфорной
кислоты (двухрастворная силикатизация) или только силиката натрия
(однорастворная силикатизация).
Эти растворы реагируют между собой или с содержащимися в грунте
солями и образуют гель кремниевой кислоты. Основная реакция
взаимодействия раствора силиката натрия с хлористым кальцием
происходит по схеме (Б. А. Ржаницын, 1935):
Na2nSiO2 + CaCl2 + mH2O = n SiO2 (m – 1) H2O + Ca(OH)2 + 2NaCl.
Силикатизация применяется для повышения несущей способности и
устойчивости просадочных грунтов. Этот метод может применяться в
лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,2…2
м/сут. и в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации 0,5…80 м/сут.
7

8.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Для закрепления песков гравелистых, крупных и средней крупности с
коэффициентом
фильтрации
kф=5…80
м/сут.
используют
двухрастворную силикатизацию на основе силиката натрия и
хлористого кальция,
для закрепления песков средней крупности, мелких и пылеватых с kф
= 0,5…20 м/сут. используют однорастворную силикатизацию на основе
силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты или
ортофосфорной кислоты.
Радиус закрепления 0,3…0,6 м;
прочность закрепленных песков 2…4 МПа.
При двухрастворной силикатизации вначале нагнетают раствор жидкого
стекла плотностью 1,2 … 1,26 г/см3 сверху-вниз из расчета 140 … 180 л/м3, а
затем раствор хлористого кальция плотностью 1,07 … 1,09 г/см3 в том же
количестве заходками снизу-вверх. Постоянный электрический ток пропускают
во время заливки растворов и в течение нескольких суток в зависимости от
проницаемости грунта. Расход электроэнергии составляет 20 … 30 кВт ⋅ ч/м3,
катодами служат трубы или стальные стержни. Погружение электродов
осуществляют отбойными молотками, а извлечение домкратами.
В просадочных грунтах с kф = 0,5 … 2 м/сут. используется силикатизация на
основе силиката натрия. Преимуществами этого способа является
мгновенный процесс закрепления и быстрое нарастание прочности во
времени. При действии раствора силиката натрия на лессовые грунты
происходит мгновенная обменная реакция между катионом кальция
коллоидного поглощаемого компонента лессовых грунтов и катионом натрия
силикатного раствора. В результате реакции образуется микрослой
цементирующих
известковисто-кремнеземистых
новообразований
и
происходит
прочное
закрепление
лессовых
грунтов.
8

9.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
3.2. Инъекционное закрепление грунтов способом смолизации
В песках всех видов при kф = 0,5 … 50 м/сут. используется смолизация
на основе карбамидных смол и соляной кислоты. Смолизация грунтов
осуществляется путем нагнетания в грунт водных растворов или
смесей из синтетических смол с отвердителем. Плотность раствора
зависит от коэффициента фильтрации. Преимуществом смолизации
перед однорастворной силикатизацией является возможность более
прочного закрепления грунтов. При создании закрепленного массива
инъекторы располагают рядами в шахматном порядке.
При закреплении лессовых грунтов силикатизацией применяются
следующие конструктивные схемы:
1) сплошных массивов из закрепленного грунта под отдельные
фундаменты или под все сооружение в целом, по этой схеме
предусматривается вынос закрепления за контуры фундамента;
2) армирование грунтов основания в деформируемой зоне отдельными
элементами из закрепленного грунта, при котором непосредственно
под подошвой фундамента остаются участки незакрепленного грунта;
3)
комбинированная
схема,
предусматривающая
сплошное
закрепление на некоторую глубину непосредственно под подошвой и
армирование элементами из закрепленного грунта нижележащей
просадочной толщи.
9

10.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
3.2. Инъекционное закрепление грунтов способом вяжущими на
основе цемента или химических компонентов
Метод цементации основан на нагнетании цементной
суспензии в закрепляемый грунт (песчано-гравелистый или
трещиноватый скальный) посредством системы
пробуренных в грунте скважин. При этом соотношение
цемента и воды должно быть в пределах 0,1—2. Добавка
сульфитно-спиртовой барды повышает подвижность
цементно-песчаных и цементных растворов. Содержание
барды в растворе должно быть в пределах 0,01—0,25%.
Добавка хлористого кальция ускоряет схватывание
растворов и увеличивает первоначальную прочность
цементного камня. Содержание хлористого кальция должно
быть в пределах 1—5%. После цементации значительно
увеличиваются прочность и водонепроницаемость грунта.
10

11.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
3.3. Инъекционное закрепление грунтов способом вяжущими на
основе цемента или химических компонентов
Выполнение работ по цементационному заполнению
пустот и цементации грунтового массива
11

12.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
3.3. Инъекционное закрепление грунтов способом вяжущими на
основе цемента или химических компонентов
12

13.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
Порядок расчета химически закрепленных оснований
1.Определение вида закрепления (одно- или двухрастворная
силикатизация,
смолизация),
радиуса
закрепления, прочности закрепленного грунта.
2. Определение размеров закрепленного массива и
количества
инъектируемого
раствора.
Глубина
закрепления для грунтов II типа по просадочности – на
всю просадочную толщу, для I типа – на верхнюю часть (в
пределах hsl,p).
3. Определение размеров подошвы фундамента по
нормативным значениям характеристик закрепленного
грунта и в зависимости от схемы закрепления, проверка
давления под подошвой.
4. Расчет осадки.
13

14.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
Укрепление грунтов методом глубинного смешивания
Укрепление грунтов методом глубинного смешивания
с вяжущими при строительстве, реконструкции и ремонте
автомобильных дорог в целях:
повышения несущей способности слабых оснований
зданий, сооружений, дорожных насыпей и исключения замены
слабых грунтов на привозные;
полного исключения или существенного ускорения
процессов консолидации грунтов слабых оснований;
- повышения общей устойчивости откосов выемок;
- укрепления оснований и засыпки подпорных стенок;
обеспечения стабильности объектов на вновь осваиваемых
территориях под здания ПГС
14

15.

Инженерные
меры повышения
устойчивости
откосов
1 глубинное смешивание
грунта: Метод
укрепления слабых
грунтов
путем смешивания грунта с сухим или влажным минеральным (или
неорганическим) вяжущим материалом для увеличения устойчивости
оснований и ликвидации или уменьшения осадок насыпей,
осуществляемый посредством сплошного укрепления объема грунта в
основании насыпи по всей его ширине («укрепление в массиве») или
посредством формирования свайных полей из укрепленного грунта в
сочетании с «укреплением в массиве» («комбинированное укрепление»).
2 вяжущий материал (вещество): Активная добавка, вступающая в
химическую реакцию с грунтом и/или грунтовыми водами и образующее с
грунтом новые структурные связи.
3 вяжущее вещество цементного типа: Цемент, известь, гипс,
кремнеземная пыль и иные материалы, используемые для химического
укрепления грунтов.
4 смесь вяжущих материалов: Смесь двух и более вяжущих
материалов.
5 дозировка вяжущего: масса вяжущего, кг/м3 грунта.
6 сухое смешивание: введение в грунт вяжущего в сухом состоянии.
7 влажное смешивание: введение в грунт вяжущего в составе водного
раствора.
15

16.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
Классификация способов укрепления слабых грунтов
глубинным смешиванием
- путем сплошного укрепления всего объема слабого
грунта, залегающего в основании насыпи на полную мощность
(«укрепление в массиве» - рис. 1а);
- путем сплошного укрепления объема слабого грунта в
основании насыпи по всей ее ширине на неполную мощность
(рис. 1б) – «укрепление в массиве на неполную мощность»;
- путем устройства в слабом основании насыпи свайного
поля из свай, формируемых из укрепленного слабого грунта;
- путем сочетания последних двух методов (рис. 1в).
16

17.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
а
1
2
1
3
б
1
2
1
1
3
в
1
2
1
4
3
17
Рис. 1 – Способы укрепления слабых
грунтов глубинным смешиванием:
а – укрепление всего объема на
полную мощность («укрепление в
массиве»); б – укрепление объема не
на полную мощность; в – укрепление
объема не на полную мощность
совместно с грунтовыми сваями из
укрепленного грунта
1 – слабый грунт; 2 – укрепленный слабый грунт; 3 – прочный грунт;
4 – сваи из укрепленного грунта

18.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
«Укрепление в массиве» на полную мощность, как правило,
экономически целесообразно при мощности слабого основания
2 м и выше и технически обеспечивается при мощности слабого
основания до 7 м.
Укрепление слабых грунтов оснований технически
реализуется одним из следующих способов:
- сухим способом – обеспечением подачи под давлением
сухой
смеси,
содержащей
вяжущие
материалы
с
одновременным обеспечением их смешивания со слабым
грунтом;
- влажным способом – обеспечением подачи под давлением
водного раствора, содержащего вяжущие материалы с
одновременным обеспечением их смешивания со слабым
грунтом.
18

19.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Тип вяжущего
материала
Цемент
Цемент + гипс
Цемент + доменный
шлак
Известь + цемент
Известь + гипс
Известь + шлак
Известь + гипс + шлак
Известь + гипс + цемент
Известь
Разновидность слабого грунта
переувлажнен- органические
торф, другие
ил
сапропели,
ный связный илы,органогрунты при
(содержание
грунт
содержании
минеральные
органических
грунты
(содержание
органических
(содержание
веществ 0-2
органических веществ 50-100
органических
%)
веществ 2-30 %)
веществ 0-2 %)
%
xx
x
x
xx
x
x
xx
xx
xx
xx
xx
xxx
xx
xx
x
xx
xx
xx
xx
x
xx
xx
x
xx
x
xx
xx
−
−
−
−
−
−
xx
−
−
ххх – предпочтительный вяжущий материал для большинства случаев применения.
хх – хороший вяжущий материал для большинства случаев применения.
х – хороший вяжущий материал в отдельных случаях применения; − - применение не
19
рекомендуется.

20.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Принцип
глубинного
укрепления
предполагает
сохранение слабого грунта основания в основании
дорожной насыпи, как во время отсыпки насыпи, так и в
период ее эксплуатации. В целях обеспечения устойчивости
основании, исключения или максимально возможного
сокращения конечной величины осадки консолидации и
времени ее нарастания, этот принцип конструктивно и
технологически реализуется тремя основными способами:
сплошным глубинным укреплением грунтов всей слабой
толщи («укрепление в массиве»), «укреплением в массиве
на неполную мощность слабой толщи», устройством свай из
укрепленного грунта в комбинации с «укреплением в
массиве».
20

21.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Основными преимуществами технологии глубинного укрепления
являются:
- возможность использования грунтов естественных оснований
насыпей;
- возможность регулирования глубины и степени укрепления слабых
грунтов;
- увеличение темпов строительства.
21

22.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Способ глубинного укрепления грунтов слабого основания
выбирают с учетом следующих положений:
- «укрепление в массиве» на полную мощность (рис. 1а)
применяют, когда мощность слабого грунта не превышает 5 м, и
толща, по технико-экономическим соображениям, может быть
полностью, до плотных слоев минерального дна болота,
укреплена вяжущими материалами;
- «укрепление в массиве» на неполную мощность (рис. 1б)
применяют, когда слабые грунты, оставшиеся не укрепленными,
не относятся к основаниям III типа, и их процесс консолидации под
весом насыпи может завершиться в период строительства;
- «укрепление в массиве» в сочетании со сваями из
укрепляемых грунтов (рис. 1в) применяют, когда слабые грунты,
оставшиеся не укрепленными, имеют значительную мощность, и
их устойчивость, и требуемая скорость консолидации могут быть
обеспечены с помощью свай из укрепленных грунтов (вариант
22
комбинированной конструкции).

23.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
При проектировании земляного полотна по схеме
частичного укрепления грунтов слабой толщи с
устройством свай из укрепленного грунта (рис. 1в)
принимается:
- массив грунта над сваями рассматривается как
полужесткий ростверк – однородный блок укрепленного
грунта с механическими характеристиками СУГ, уг и ЕУГ;
- массив основания, укрепленный грунтовыми сваями,
рассматривается как композиционный материал
«грунтоцементная свая-грунт». Значения характеристик
параметров механических свойств укрепленного сваями
массива определяются путем осреднения значений
механических свойств свай и грунта
23

24.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Рисунок 2 – Принцип распределения нагрузки при укреплении сваями
24
q – общая нагрузка на слабое основание по подошве массива
укрепленного грунта; q1 – нагрузка на сваи; q2 – нагрузка на
неукрепленный грунт в межсвайном пространстве, а – относительная
площадь

25.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
3
1
2
При расчете общей устойчивости насыпи применяют, как правило,
метод КЦПС, учитывая при этом, что величину сцепления (быстрый
сдвиг) свай Ссв рекомендуется принимать в пределах 150 кПа
независимо от возможных более высоких значений, полученных при
проведении лабораторных или полевых испытаний. В этом случае при
отсутствии
экспериментальных
данных
для
выполнения
предварительной оценки общей устойчивости могут быть приняты
следующие расчетные параметры сцепления Ср св и угла внутреннего
трения φр.св:
25

26.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
3
1
2
Ср св = Ссв ,
φр.св = 30 °
где
- коэффициент, зависящий от расположения свай
относительно предполагаемой кривой скольжения, =0
для пассивной зоны, 0,1 – для зоны прямого сдвига и 0,3
– для активной зоны – расположение зон – по рисунку 3.
26

27.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
В зависимости от решаемой задачи слабое основание
может укрепляться сваями, объединенными (рисунок 5) в виде:
блоков, одиночных свай, стенок и фигурных стенок.
Рис. 5 – Схема расположения свай из укрепленного грунта
в плане:
а) сваи-блоки; б) одиночные сваи; в) сваи-стенки;
г) фигурные сваи-стенки
27

28.

Инженерные меры повышения устойчивости откосов
Проверка прочности свай выполняется по зависимости:
q1≤0,9 ult
(10)
где q1 – нагрузка на сваю (по рисунку 2);
ult – предел прочности сваи.
ult=2С+3РZ
(11)
гдеРZ – горизонтальное напряжение от бокового отжатия
грунта
28

29.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
29

30.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
30

31.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
31

32.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
32

33.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
33

34.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
34

35.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
35

36.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
36

37.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
37

38.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
38

39.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Технология работ при инъекционном закреплении
грунтов аналогична работам по усилению
фундаментов и также состоит из трех
основных этапов:
бурение инъекционных скважин;
оснащение скважин перфорированными
металлическими трубами;
нагнетание скрепляющих растворов.
39

40.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
При силикатизации, смолизации и цементации
крупнообломочных грунтов и гравелистых песков
допускается оставлять в закрепленном массиве
забивные инъекторы или трубы манжетнотампонных инъекторов в качестве арматуры.
Непосредственно нагнетаемые в грунты рабочие
растворы и смеси не должны содержать взвешенных
механических примесей, затрудняющих инъекцию и
закрепление грунтов в целом.
40

41.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Для удаления взвесей растворы до их нагнетания в грунты отстаивают, не
допуская в дальнейшем перемешивания, или применяют
соответствующие фильтры, а нагнетание гелеобразующих смесей
производят только через фильтры. Нагнетание реагентов в грунты во всех
случаях силикатизации и смолизации, а также при цементации
крупнообломочных грунтов и гравелистых песков производится под
пригрузкой, в качестве которой используются залегающие над областью
инъекции грунты, само сооружение или специально уложенные
бетонные плиты, которые по весу и прочностным свойствам не должны в
процессе нагнетания в грунты реагентов подвергаться разрушению с
выходами реагентов на поверхность или в сооружение.
Величины предельно допустимых давлений и расходов при нагнетании
реагентов во всех случаях силикатизации и смолизации, а также при
цементации крупнообломочных грунтов и гравелистых песков
определяются на стадии проектирования на основании данных
инженерно-геологических исследований.
41

42.

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
42

43.

Технологя грунтоцементных свай JET GROUTING
Технология JET GROUTING заключается в использовании кинетической
энергии струи цементного раствора, направляемой на разрушение и
перемешивание грунта в массиве без создания в нем избыточного
давления. На первом этапе специально оборудованной под JET
GROUTING буровой установкой бурится пилотная скважина диаметром
73-90 мм. Бурение производится до расчетной глубины, определяемой
проектом, с предварительной промывкой водным раствором под
давлением до 50 атм., подаваемым непосредственно на режущий
инструмент (буровую шарошку). На следующем этапе насосом
высокого давления подается водоцементный раствор под давлением
450-500 атм (!). Этим высоким давлением перекрывается канал
орошения и открываются 2 отверстия, в которых установлены сопла
диаметром 0,8-3,0 мм. Медленно вращая (10-25 об./мин.) и медленно
поднимая буровую колонну, происходит разрезание и перемешивание
грунта высокой кинетической энергией струи, извергаемой из сопел.
Изготовленные по этой технологии сваи могут армироваться.
43

44.

3 метода создания ГЦС свай по технологии JET GROUTING
JET1 (одноструйная технология): используются 2 компонента: вода и
цемент. Технология проста и требует лишь насоса высокого
давления для перекачки цементного раствора. Диаметры свай,
произведенные с помощью JET1, находятся в диапазоне от 0,5 до
0,8 м.
JET2 (двухструйная технология): необходим буровой инструмент с 2
независимыми каналами для подачи водоцементного раствора как в
JET1, и - воздушной струи под давлением 0,6-1,2 МПа. При этом
воздушная струя создает в грунте дополнительную кавитацию, что
способствует лучшему перемешиванию раствора и разрушенного
грунта. Диаметр свай может быть 0,8-1,5 м.
JET3 (трехструйная технология): необходим буровой инструмент с
тремя независимыми каналами. В грунт подается дополнительно
струя воды под давлением 200-300 атм. и происходит сложение
трех кинетических энергий. В этом случае диаметр свай может быть
44
от 1,2 до 2,5 м.

45.

Ориентировочные параметры JET GROUTING
min
Давление водоцементной
20
струи (МПа)
Расход водоцементной
40
струи (л/мин.)
Давление воздушной струи
(МПа)
Расход воздушной струи
(л/мин.)
Давление водяной струи
(МПа)
Расход водяной струи
(л/мин)
Диаметр водоцементного
1,5
сопла (мм)
Диаметр водяного сопла
(мм)
Диаметр воздушного сопла (мм)
Скорость вращения (об/мин)
Скорость подъема буровой
колонны
(см/мин.)
45
10
30
max
min
max
min
max
60
30
60
3
7
120
70
150
70
150
-
0,6
1,2
0,6
1,2
-
2000
6000
2000
6000
-
-
-
20
50
-
-
-
70
150
3
1,5
3
4
8
-
-
-
1,5
3
1
5
2
10
1
5
2
10
25
5
30

46. Вывод

Инженерные меры закрепления грунтовых массивов,
откосов и склонов
Вывод
Инъекционное закрепление грунтов повышает
механическую прочность, устойчивость, уменьшает
сжимаемость и водопроницаемость дисперсных
грунтов. Закрепление грунтов также эффективно при
заполнении пустот и каверн в закарстованных
грунтовых массивах.
46