Поверхностное уплотнение грунтов

Поверхностное уплотнение обычно производят слоями толщиной £ 0,5 м, используя такие механизмы уплотнения, как поверхностные трамбовки, катки, вибротрамбовки, виброплиты и т. д.

При необходимой толщине уплотнения грунта в 2…3 м, применяют поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками, массой до 20…70 кН. В этом случае по уплотняемому грунту (поверхности дна котлована) производится серия ударов по одному месту до получения условного отказа. Трамбовка поднимается краном на высоту до 3…7 м и сбрасывается на уплотняемое основание (рис. 4.6).

Поверхностное уплотнение тяжелыми трамбовками применяется для сыпучих, а также лёссовых грунтов. Наибольший эффект уплотнения грунтов достигается при наличии в основании оптимальной влажности. Оптимальная влажность грунта определяется обычно экспериментально, с использованием прибора стандартного уплотнения. Если влажность грунта меньше оптимальной, то его доувлажняют путем заливки воды на дно трамбуемого котлована (особенно у просадочных грунтов).

Рис. 4.6. Схема поверхностного уплотнения грунта тяжелыми трамбовками

Глубина уплотнения грунтов тяжелыми трамбовками зависит от плотности и влажности уплотняемых грунтов, диаметра, веса трамбовки и приближенно определяется по формуле

h_упл = k_yd (4.2)

где d – диаметр трамбовки; k_y – коэффициент пропорциональности, принимаемый для песков – 1,55, суглинков – 1,45, глин – 1,0.

Вес трамбовки назначают из условия обеспечения давления на грунт не менее 0,015... 0,20 МПа (обычно он равен 20...50 кН).

В отдельных случаях, при решении сложных инженерных задач, при поверхностном уплотнении могут применяться трамбовки массой более 100 кН. Известны случаи применения сверхтяжелых трамбовок весом 400 кН, позволявших при сбрасывании с высоты 40 м уплотнить щебенисто-каменную насыпь на глубину до 40 м.

Понижение трамбуемой поверхности (или недобор грунта до проектной отметки заложения фундаментов) определяют по формуле

Dh = 1,2h_упл (4.3)

где g_d – удельный вес сухого грунта; g_dупл ­– среднее значение удельного веса сухого грунта в пределах уплотненного слоя (принимается в среднем 16 кН/м³ для всех видов грунтов).

Ширина уплотненной полосы за пределами фундамента должна быть не менее 0,2 м с каждой стороны и не менее диаметра трамбовки.

Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками сопровождается динамическим воздействием на грунт и может вызвать сотрясение близко расположенных зданий или сооружений. В связи с этим при уплотнении трамбовками весом до 50кН расстояние до зданий, находящихся в удовлетворительном состоянии, должно быть не менее 10 м. При наличии близко расположенных зданий, имеющих трещины в стенах или вообще находящихся в ветхом состоянии, это расстояние увеличивается до 15 м. Если инженерные сети выполняются из асбестоцементных, керамических труб, то расстояние до зданий принимается более 15 м.

До начала работ по уплотнению грунтов тяжелыми трамбовками проводят работы на опытном участке котлована: уточняется величина недобора грунта, отказа при трамбовании (осадка от одного удара), количество ударов, глубина уплотняемой зоны и т. д. Полученные данные используют при составлении проекта работ по уплотнению грунтов тяжелыми трамбовками.

Рыхлые песчаные грунты на глубину 0,5–1,5 м уплотняются различными вибрационными машинами: виброплитами, пневматическими трамбовками, виброкатками, молотами двойного действия и др. Уплотнение грунтов может быть достигнуто многократной проходной катков. Основные сведения о толщине уплотняемого слоя указанными машинами приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Глубина уплотнения грунта

Уплотняющие машины	Толщина уплотняемого слоя, м
Пневматические трамбовки	0,1...0,2
Катки:
гладкие	0,1...0,25
кулаяковые	0,2...0,35
Виброкатки	0,4...1,2
Катки с падающими грузами 0,8...17 кН	1,0...1,5
Виброплиты	0,2...0,6
Молот двойного действия весом 22 кН на металлической плите (поддоне)	1,2...1,4
Тяжелые трамбовки весом, кН:
20...30	1,5...2,0
45...50	2,5...3,0
	5,5...6,0

Глубинное уплотнение грунта

Для уплотнения рыхлых с е₀ > 0,75 песчаных отложений используется: а) метод гидробивроуплотнения (рис 4.7).

Рис. 4.7. Схема глубинного гидробивроуплотнения сыпучего грунта

С поверхности грунта в уплотняемое основание погружается труба, на конце которой размещен гидровибратор. В трубу подается необходимое количество воды до достижения уплотняемым основанием оптимальной влажности. Труба вместе с гидровибратором подвешивается к стреле крана и под действием собственного веса погружается в уплотняемое основание. В результате процесса погружения и извлечения гидровибратора грунт уплотняется в объеме цилиндра диаметром 1,5…2 м и высотой до 10 м, и основание переходит в категорию средней плотности.

В случае необходимости для достижения основанием повышенной плотности, данный метод может сочетаться с поверхностным уплотнением.

б) метод уплотнения песчаными и грунтовыми сваями (рис. 4.8).

Порядок данного метода уплотнения основания заключается в следующем:

1. С поверхности уплотняемого основания погружается металлическая труба с раскрывающимся наконечником (происходит процесс уплотнения основания вокруг погружаемой трубы);

2. После погружения трубы на необходимую отметку, наконечник трубы раскрывается и труба извлекается с одновременным заполнением песком с виброуплотнением. В лессовых грунтах заполнение трубы осуществляется местным грунтом с необходимым увлажнением;

3. После извлечения трубы в уплотняемом основании образуется песчаная (грунтовая) свая, выполненная с заданной степенью плотности вместе с окружающим околосвайным пространством.

Рис. 4.8. Метод глубинного уплотнения основания с использованием песчаных (грунтовых) свай: а – погружение трубы с раскрывающимся наконечником; б – заполнение трубы песком с раскрытием наконечника; в – извлечение трубы с формированием в основании песчаной сваи с заданной степенью плотности.

Чем чаще сделаны сваи, тем большую степень уплотнения получает грунт основания. Для избежания выпора грунта в котлован при уплотнении головы сваи, котлован может разрабатываться после уплотнения основания сваями (рис. 4.9).

Необходимое количество песчаных свай для уплотнения основания может быть определено исходя из следующего условия:

(4.4)

где е₀, е_упл. – соответственно, коэффициенты пористости грунта основания до и после уплотнения, последний, также как и f_св – площадь поперечного сечения сваи, задаются в процессе проектирования; F_упл. = 1,4·b х 1,4·l – площадь уплотненного основания; в, l – соответственно ширина и длина проектируемого фундамента.

Рис. 4.9. Схема использования песчаных свай для уплотнения основания

f_св – площадь поперечного сечения сваи; F_упл.– площадь уплотненного основания

Следует отметить, что для связных водонасыщенных грунтов подобные сваи могут изготавливаться методом виброштампования (пневмопробойником) и заполняться щебеночно-песчаной смесью с добавлением цемента.

в) метод уплотнения внешней пригрузкой

Глубинный процесс уплотнения основания происходит и при приложении к нему уплотняющей нагрузки (в виде отсыпанной насыпи) (рис 4.10).

Рис. 4.10. Глубинное уплотнение грунта основания пригрузкой:

1 – фильтрующие искусственные дрены; 2 – зона уплотнения основания

Для глинистых грунтов подобный процесс уплотнения основания происходит довольно медленно (теория фильтрационной консолидации в механике грунтов), продолжающийся до нескольких десятков лет.

В целях сокращения сроков процесса уплотнения основания, используются искусственные дрены, способствующие убыстрению процесса фильтрационной консолидации.

г) метод уплотнения понижением уровня грунтовых вод

Известно, что грунт, расположенный ниже уровня грунтовых вод (УГВ) испытывает взвешивающее действие воды, которое проявляется в виде снижения величины удельного веса грунта. При искусственном водопонижении грунт оказывается выше УГВ, что приводит к увеличению удельного веса грунта и, как следствие, к уплотнению основания.

Следует учитывать и негативные последствия данного явления, когда вместе с уплотнением основания получают дополнительные осадки и расположенные на данной территории сооружения.

д) метод уплотнения взрывами

Применение данного метода эффективно при освоении новых (не застроенных) территорий. Взрывами уплотняются большие объемы грунта с использованием предварительно пробуренных шпуров, в которые помещаются взрывчатые вещества (ВВ). Использование ВВ требует особого подхода к решению поставленных инженерных задач и связано с повышенным риском в период производства взрывных работ.

Метод уплотнения грунтовых оснований взрывами находит применение в гидротехническом строительстве.

е) метод уплотнения замачиванием

Данный метод имеет ограниченное применение и используется лишь для лёссовых оснований. Предварительное замачивание лёссовых оснований разрушает структуру лесса и вызывает его просадку под действием собственного веса, т. е. происходит процесс уплотнения.

Уплотнение грунтов оснований на используемых или застроенных территориях часто затруднительно, в этом случае прибегают к закреплению грунтов.