Поліпшення грунтів

1. Лекція №4 Поліпшення грунтів

2.

Ґрунт штучно поліпшують для підвищення
його
міцності,
здатності
розподіляти
напруження і щоб зменшити стискуваність.

3.

1. Механічне поліпшення ґрунтів.
Механічне поліпшення ґрунту досягають:
• поліпшенням зернового складу;
• ущільненням;
• армуванням.
Перші
два
способи
передбачають
збільшення об'ємної частки твердої фази.
Третій спосіб застосовують з метою поліпшення
напружено-деформаційного стану та міцності
ґрунту.

4.

Дослідження
поведінки
грунтового
масиву під зовнішнім навантаженням
показують, що внутрішні зусилля в ґрунті
розподілені не рівномірно, а уздовж
окремих витягнутих ланцюжків більш
великих частинок. Існують і не навантажені
(ізольовані) великі частинки. Роль дрібних
частинок складається
в забезпеченні
стійкості колонок великих частинок.

5.

6.

Щоб вийшов «каркас» повинна бути об'ємна
KP
доля крупних частинок:
CS 0.16
C
KP
S
M
KP
S
V
S d M
0.16
MS
V
S M S
KP
S
KP
S
d
M
d
0.16
0.16(1 e); наприклад,
MS
S
для супіску е=0,45-0,47
KP
S
KP
S
M
0.23 028
MS

7.

1.1 Поліпшення зернового складу
У ґрунтах оптимального зернового складу
великоуламкові чи піщані частки утворюють
просторовий каркас (кістяк), що сприймає
зовнішнє навантаження. Пилуваті частки,
розміщені в порах між більш великими
частками, підвищують стійкість каркасу. При
високій вологості каркас, утворений великими
зернами, повинен вносити основний вклад в опір
зсуву. Глинисті частки, склеюючи більш великі
зерна між собою, додають ґрунту зв’язність при
малій його вологості.

8.

Ґрунт оптимального зернового складу
повинний містити 60-80% піщаних, 15-35%
пилуватих і 5-10% глинистих часток.
При невідповідності зернового складу
даного
ґрунту
оптимальному,
рекомендується
застосовувати
гранулометричну добавку :
у суглинки чи пилуваті супіски додають
гравій чи пісок, а в гравій або пісок –
суглинок.
Таким шляхом досягається збільшення
об'ємної частки твердої фази.

9.

1.2 Ущільнення ґрунту.
Іншим способом механічного поліпшення
ґрунту є його ущільнення. Ґрунт ущільнюють
укоченням, трамбуванням, вібрацією, вибухом.

10.

При укоченні котком ґрунт ущільнюють під
дією тиску від вальця чи колеса. Цей тиск
складає 0,5-1,0 МПа і викликає необоротні
деформації в ґрунті ущільнюючи його на
глибину 15-30 см (пошарово).

11.

Тиск під котком і ширина смуги
контакту вальця з ґрунтом можуть бути
оцінені за допомогою рішення задачі Г.Герца
про контакт
твердого циліндра і
пружного
півпростору (він одержав
рішення
цієї задачі
в 20 років
на
студентських канікулах).

12.

Розглянемо застосування задачі Герца
на
прикладі: вага вальця 40кН (4тс), довжина L=1м,
радіус R=0,5, ґрунт до кінця укочення має
Е=20МПа,v=0,3

13.

qE
P0
,
2
R(1 )
b
2q
0
,
Q
q
L
Q 40кН
кН
q
40
L
1м
м
qE
P0
2
R(1 )
2q
2 40 кН
кН
40
20 103 КПа
м
0,75МПа
3,14 0,5 м 0,91
2
м
b
3,4 10 м 3,5см,....2b 7cм
0 3,14 750кПа

14.

У пневмокатках тиск у шині регулюють,
збільшуючи його зі збільшенням числа
зроблених проходів.

15.

Глибина активної зони ущільнення:
Z max kZ (1.5 0.04 ) b
k Z =1
– при ущільненні масиву ґрунту з
поверхнею
k Z =1,2 при пошаровому ущільненні
b – напівширина смуги ковзання ущільненого
органа з ґрунтом кінці ущільнення
Z max 1.2(1.5 0.04 25 ) 3.5 10.5cм
0

16.

1.3 Ущільнення трамбуванням
При трамбуванні ґрунт ущільнюється ударом
робочого органу, що скидається з деякої висоти.
Наприклад, залізобетонні плити, чавунні
виливки (царбаба) масою 14т, скидаються з
висоти 3-4м за
допомогою
кранів.

17.

Трамбуванням доцільно ущільнювати піщані
рихлі ґрунти зі ступенем вологості менш 0,7 (Sr<
0,7), а також просадочні лесові ґрунти при
оптимальній
вологості
(wopt≈wp+2%).
Трамбуванням досягають ущільнення на глибину
1,5-2м. Трамбують доти, поки вертикальне
залишкове переміщення поверхні масиву від
одного удару трамбування (відмовлення),
досягне заданої величини: 0,5-1 cм – для пісків,
1-2 см – для пилувато-глинистих ґрунтів.
У Швейцарії застосовують трамбування масою
40т, падаючу з висоти 40 м, яким ущільнюють
щебеневий насип на глибину до 40м.

18.

В
останні
роки
ущільнюють
товщу
водонасичених ґрунтів на глибину до 40м
трамбуванням масою 10-200т, скиданнями з
висоти 40м. Глибину зони ущільнення визначать
по емпіричній формулі
h MH
де М – маса трамбування, Н– висота скидання,
м, α – 0,1-1м/т – коефіцієнт що залежить від
властивостей ґрунту.
м
h 0,5 2т 4 м 2 м
т

19.

Ще ефективніше двохступеневе трамбування:
спочатку падає плита m1=5,5т, а через 0,07с ще
m2=4,5т ударяє через плиту по ґрунті.
Таким трамбуванням при скиданні з 10м (за
допомогою екскаватора) і число ударів 6-8 в
один слід ущільнили у повоєнні роки
Ленінградську
дамбу
(підводну
зону
із
водонасиченого піску на глибину 5м) для захисту
міста від повені.

20.

1.4 Віброущільнення
При вібруванні робочий орган знаходиться або
на
поверхні
шару,
що
ущільнюється,
(поверхневий вібратор -віброплита) або на
всередині цього шару (глибинний вібратор вібробулава). Вібрування, тобто коливальний рух
робочого органа, приводить до відносних
переміщень часток великоуламкових і піщаних
ґрунтів і досягається більш щільне упакування
цих часток. Глибинне ущільнення вібрацією
здійснюють вібробулавою, що занурюється в
ґрунт. Одночасно під тиском близько 0,5МПа
через трубу (діаметром 25мм і довжиною 2-2,5м)
з отворами, яку попередньо забили в ґрунт,
подають воду. При включенні вібробулави вона
занурюється в ґрунт.

21.

до стріли автокрану
Перфорована труба
для падання води
відробулава
воронка в грунті
пісок
вода
Потім після досягнення необхідної глибини
вібрацію продовжують 10-20с, а потім піднімають
вібробулаву автокраном. Таким шляхом можна
ущільнити шар товщиною до 10м. У результаті
наступне осідання основи зменшується на
порядок.

22.

Вибухом ущільнюють піски і просадочні
лесові ґрунти. Лесовий ґрунт за методикою
розробленої в м. Києві
професором
И.М.Литвиновим, попередньо замочують через
свердловини. Потім у свердловини в трубках
опускають заряди і роблять ряд послідовних
вибухів з інтервалами в кілька секунд. Ґрунт
ущільнюється і втрачає просадочність завдяки
розм'якшенню природних зв'язків з водою, дії
вибуху і власної маси ґрунту.

23.

Контурна траншея,
яка обмежує зону,
що ущільнюється
Поверхня
ущільненого
ґрунту
на початку
ущільнення
в кінці ущільнення
4-6 м 4-6м
Свердловина з
трубкою
Заряд
вибухівки
Посадочний
грунт

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

54.

55.

56.

57.

58.

1.5 Армування ґрунту.
У 1968-70рр минулому зроблені перші спроби
армування ґрунту і будівництва конструкцій з
армогрунта.
Бетонні блоки
облицювання
Засипка
Шари
ґрунту
Металічні
тяги з
анкерами

59.

Можливі
поверхні
ковзання
Грунт
насипу
Слабкий
грунт
Прошарок із
геотекстилю

60.

Армогрунт-конструкція, складається з ґрунту,
огородження і тяг, що проходять через ґрунт.
Огородження влаштовують з окремих блокових
плит, що створюють стінку, а тяги що проходять
через ґрунт, виконані з металевих чи
полімерних смуг, тросів.

61.

Армування високого насипу геотекстилем
Армування відкосу забивкою металевого стержня

62.

У 70-х роках для армування ґрунту
почали застосовувати щільні синтетичні
неткані матеріали – геотекстилі (дорнііт,
бідім).
Прошарок
з
геотекстиля
використовують для насипу і його укісної
частини. Такий прошарок укладається так,
щоб він перетинав потенційну поверхню
ковзання і працював на розтяг у випадку
небезпеки зсуву сповзаючого ґрунту по
поверхні ковзання.

63.

2. Хімічне поліпшення ґрунту.
Хімічне поліпшення ґрунту
складається у
введенні в пори ґрунту речовин, що
встановлюють міцні зв'язки між твердими
часточками, чи речовин, що надають поверхні
часток
гідрофобність
(водовідштовхуючих
властивостей). Хімічне поліпшення застосовують
як до грунту з порушеною структурою, так і до
ґрунту
в природному заляганні. Хімічне
поліпшення ґрунту порушеної структури, як
правило,
здійснюється
шляхом
змішання
розпушеного ґрунту з в'яжучим, а потім –
ущільнення суміші і називають зміцненням
ґрунту.

64.

Хімічне поліпшення ґрунту в умовах його
природного залягання здійснюється введенням у
пори ґрунту без змішування часток ґрунту з
в'яжучим (нагнітання в'яжучого під тиском) і
називають закріпленням ґрунту.
Зміцнення ґрунтів.
Ґрунти зміцнюють мінеральними, органічними
і
комплексними
(мінеральні
разом
з
органічними)
в'яжучими
матеріалами
чи
відходами промисловості. Укріплені ґрунти
широко використовуються
для влаштування
основи під капітальні і полегшені дорожні й
аеродромні покриття, а також для влаштування
перехідних дорожніх покриттів.
Ґрунт – найпоширеніший місцевий дорожньобудівельний матеріал.

65.

Капітальне покриття
цементобетон
асфальтобетон
12
24
15
Гр.+12% цемент
15
15
Гр.+8% цемент
Гр.+10% цемент
Основа
з
цементогрунту
2,5 см
15
25
Захисний шар (шар зносу з суміші мілкого
щебеню і бітуму)
Гр.+бітум
Пісок
Основа дорожнього одягу з
бітумогрунту

66.

Зміцнення ґрунтів мінеральними
в'яжучими чи відходами промисловості
У якості мінеральних в'яжучих матеріалів при
зміцненні ґрунтів застосовують цемент, вапно,
мелений гранульований доменний шлак і золи
виносу теплових електростанцій. Найбільше
широко
поширене
зміцнення
ґрунту
портландцементом, що містить звичайно до 75%
силікатів кальцію (3Са SiО2 – трьох-кальцієвого і
2Са SiО2 – двох-кальцієвого), а також алюмінат
кальцію (2Са АI2O3 – трьох-кальцієвий алюмінат).

67.

При взаємодії з водою відбувається гідроліз
(хімічне розкладання) цих речовин, а потім їхня
гідратація, у процесі який вода зв'язується
хімічно.
У результаті утворються гідратовані силікати,
гідратовані алюмінати і гідроокис кальцію
(СаО(0,8-1,5)·SiО2·Н2О(2,5-1) гідросилікат кальцію).
Ці продукти гідратації скріплюють між собою
піщані і пилуваті частки, а також агрегати (дрібні
грудочки) глинистих часток. Між частками
утворяться тверді і нерозчинні у воді зв'язки.
Особливо інтенсивно процеси гідролізу і
гідратації відбуваються в карбонатних ґрунтах
(супіщаних, легких суглинках) завдяки наявності
в поровій воді іонів кальцію і її слабкої лужності.

68.

У результаті зміцнення цементом таких ґрунтів
досягається висока міцність. Навпроти, кислі
ґрунти (підзолисті чорноземи) погано піддаються
зміцненню цементом і в них попередньо вводять
добавку вапна.
Піски зміцнюють 4-6% цементу (по масі
суміші), супіски 6-10%, суглинки 8-14%, глини 1016%.
Не
допускається
зміцнювати
портландцементом глини з числом пластичності
більш 22, а також засолені ґрунти, що містять
більш 4% солей.
Чим більше в ґрунті глинистих часток, тим
доцільніше
зміцнювати
його
вапном.
Розпушений, зволожений і перемішаний з
вапном ґрунт ущільнюють.

69.

Застосовують як гашене вапно (пушонку), так і
мелену не гашену (кипелку). При твердінні
вапногрунта частки гідратоксида кальцію Са(ОН)2
у присутності води перекристалізовуются в більш
великі кристали, що зрощуються і цементують
частки піску. На ряді з цим процесом у результаті
взаємодії гідратооксида кальцію з вуглекислим
газом, що міститься в порах ґрунту, утвориться
карбонат кальцію Са(ОН)2+СО2=СаСО3+Н2О, що
також створює зв'язки між часточками. Міцність
цих зв'язків з часом наростає повільно. Це
дозволяє ущільнювати вапногрунтову суміш
через добу після її готування.

70.

Глинисті мінерали вступають з вапном у
хімічну взаємодію й у результаті повільних
хімічних процесів
утворяться гідросилікати
кальцію, як при зміцненні цементом.
При зміцненні вапном піску і легкого супіску в
них обов'язково додають суглинок, глину чи золу
ТЭЦ. Витрата вапна при зміцненні суглинку і
глини приблизно така ж, як і витрата цементу,
але міцність
вапно-ґрунту менше, ніж
цементогрунту.

71.

Ґрунти, укріплені мінеральними в'яжучими, по
міцності підрозділяються на 3 класи.

72.

Зміцнення ґрунтів органічними
в'яжучими чи матеріалами відходів
промисловості.
У якості органічних в'яжучих матеріалів при
зміцненні ґрунтів застосовують рідкий нафтовий
бітум, кам'яновугільний дьоготь і синтетичні
смоли.
Органічні в'яжучі склеюють між собою частки
ґрунту, утворюючи між ними нежорсткі
(еластичні) зв'язки, додають незмочуваність
(гідрофобність) поверхні часток ґрунту і частково
заповнюють повітряні пори ґрунту, що знижує
його водопроникність.

73.

Найбільше доцільно зміцнювати бітумом і
дьогтем піщано-гравійні суміші, супіщані і легкі
суглинні ґрунти.
Кількість бітуму чи дьогтю складає приблизно
4-8% для супісків і 8-10% для суглинків.
Великоуламкові
ґрунти
неоптимального
зернового складу, а також глина з числом
пластичності більш 22 і засолений ґрунт, що
містить більш 1% легко розчинних у воді солей,
бітумом і дьогтем зміцнювати не дозволяється.
Збільшення
промислового
випуску
синтетичних полімерних з'єднань, у тому числі і
синтетичних смол відкриває перспективу їхнього
широкого використання для зміцнення ґрунтів.

74.

З цією метою, зокрема застосовують у
холодному виді
карбамідоформальдегідні
смоли з добавкою затведжувачів (кислоти і їхні
солі: хлороване залізо, хлорований алюміній).
Витрата смоли: 4-6% для пісків і 8-10% для
суглинків (отвердителя 10-20% від маси смоли).
У результаті полімеризації смоли частки
ґрунту з'єднуються між собою часточками
полімеру. Деякі смоли (фурфульні, фурфуроланілінові та ін) поки дуже дорогі і тому
використовуються в основному для військових
доріг і аеродромів, коли потрібно швидко
зміцнити ґрунт.

75.

Наприклад, фурфурол-анілінова смола була
вперше застосована в 1944 р. при висадженні
десанту на морському узбережжі Франції для
зміцнення піску, з дозуванням такої смоли 2-6%.
Ґрунт укріплений органічними в'яжучими, по
міцності (через 28 діб) підрозділяють на два
класи

76.

Закріплення ґрунтів
Для хімічного закріплення ґрунту в умовах
його природного залягання в пори ґрунту
нагнітають розчин, здатний тверднути. Для
досягнення досить високої міцності основи
звичайно досить заповнити закріпляючим
розчином приблизно 20% обсягу пор ґрунту. В
залежності від виду матеріалу, що нагнітається,
говорять про цементацію, силікатизацію і
смолизацію ґрунту.

77.

Цементацію застосовують при зміцненні
ґрунтів, що володіють великою водопроникністю
(тріщинуваті скельні породи, великоуламковий
ґрунт, крупний пісок) з коефіцієнтом фільтрації не
менш 100 м/доба. Суміш цементу з водою (1
частина цементу на 10-50 частин води) під тиском
подають по трубах у скважини.
Силікатизацію (нагнітання силікату натрію
Na2O nSiО2 – рідке скло) застосують при зміцненні
пісків (сухих і водонасичених) і лесових ґрунтів.

78.

Забиванням
чи
З’єднувальний
вібрацією
в
ґрунт
тройник
занурюють ін’єктор –
перфораторну
трубу
довжиною порядку 1м
через ін’єктор спочатку
Перфорована труба
нагнітають
розчин
рідкого скла, а потім –
хлористого кальцію.
оголовок
≈1 м

79.

У результаті їхньої взаємодії випадає гель
кремінної кислоти (SiО2 nН2О), що поступово
цементує частки піску і досягається міцність на
стиск близько 2МПа. Від одного ин’єктора
зміцнюється стовп ґрунту розчином 0,3-1,0м.
Розположуючи ін’єктори в шахматному порядку
закріплюють необхідний об’єм грунту
Смолизація застосовується при закріпленні
пісків з коефіцієнтом фільтрації не менш
0,5м/добу і складається в нагнітанні у ґрунт
синтетичної смоли з затверджувачем. Смолу й
затверджувач (5% розчин НСl) поєднують
безпосередньо перед нагнітанням. Витрата 200л
смоли на 1м3 ґрунту. Міцність 1,5-2,5МПа.

80.

Фізико-хімічне поліпшення ґрунту
До
цієї
групи
методів
відносяться
електрохімічне і термічне поліпшення грунт.
При електрохімічному поліпшенні через ґрунт,
що знаходиться в текучому стані (водонасичений
пилуватий пісок-пливун, суглинок, глина мул та
ін) пропускають постійний електричний струм з
напругою 30-100В. Катоди й аноди у вигляді
металевих труб забивають паралельними
рядами, що перемежовують, приблизно через
1м. У перфорований трубчастий анод уводять
послідовно водяні розчини силікат натрію і
хлористого кальцію.

81.

Від
насоса
розчин
Na2O nSiО2, а потім СаСl2
пісок
Перфорований анод
мул
аноди
пісок
катоди

82.

При
пропущенні
струму
розвивається
електроосмос: вода рухається від анода до катода
це дозволяє закріпити ґрунти з низьким
коефіцієнтом фільтрації від 0,1 до 0,005м/доба,
що шляхом нагнітання не здійсненно.
Навіть без введення електролітів при
наявності в ґрунті солей (особливо в мулі, глина)
хімічні процеси, що відбуваються, (обміну
реакції, електроліз) приводить до поліпшення
ґрунту.
Недолік – велика витрата електроенергії (100
квт-ч на 1м3 закріпленого ґрунту).

83.

При термічному поліпшенні ґрунту волога
випаровується з ґрунту – відбувається його
обпалювання. В свердловини діаметром 10см,
закриту зверху кришкою, подається і
розпиляється форсункою гаряча суміш або газ і
стиснене повітря. При згорянні палива в
свердловині створюється надлишковий тиск до
0,005МПа і з неї гарячі гази поширюються по
порах у межах стовпа радіусом близько 1м.
Протягом часу 5-10 днів утвориться стовп
обпаленого ґрунту. Температура повинна
підтримуватися в діапазоні 300-800°С.

84.

При температурі більш 300˚С усувається
просадочність лесового ґрунту, здатність ґрунтів
набухати і давати усадку. Якщо температура
більш 900°С, частки ґрунту починають плавиться і
погіршується проникність гарячого газу в
навколишній ґрунт. Недолік - велика витрата
пального – 100 кг на 1м довжини скважини .
До термічних методів відносяться також
заморожування ґрунту, застосовується при
проходці тунелів
Наприклад, для створення водонепроникної
стінки що огороджує котлован, проходять через
усю товщину водонасиченого ґрунту свердловини
на відстані 1,5-3м один від одного.

85.

У них забивають заморожуючі колонки зі
сталевих труб діаметром 100-200мм (знизу труба
заварена на конус). У стовпчик уводять живильну
трубку, що не доходить до дна, і вихідну трубку.
По живильній трубці в стовпчик надходить
охолоджений розсол СаСl2 з температурою (20˚С), він піднімається по стовпчику нагору,
охолоджуючи прилягаючий ґрунт. Розсол, що
поглинув тепло в ґрунту, по вивідній трубці
насосом подається в холодильну установку
(аміачну чи вуглекислотну), прохолоджується і
знову нагнітається в стовпчик.

86.

За 40-70 доби навколо стовпчиків
утворяться циліндри замерзлого ґрунту, що
утворить замерзлу стінку, яка після відкриття
котловану може працювати як підпірна.