Способы усиления грунтов и фундаментов
Любому владельцу строения хочется продлить его жизнь на века. Убедиться, что земля пригодна для строительства и выдержит вес здания, можно с помощью геологических исследований почвы. Но что делать, если прочность грунта недостаточна, а строить здание удобнее всего именно в этом месте? В этом случае применяют технологии укрепления грунтов.
Бывает и так, что здание уже давно построено и эксплуатируется, но в фундаменте начинают появляться трещины и напряжения. Такое происходит при несоответствии несущей способности грунта и текущей массы здания — например при попытке надстройки еще одного этажа над уже существующим строением, а так же из-за неравномерности осадок здания. В этом случае также не обойтись без укрепления грунта.
Порядок и возможности
Порядок закрепления грунта регулируется санитарными правилами СП 45.13330.2017, предписывающими следующий порядок работы:
- Проведение опытно-производственных работ, по результатам которых определяются необходимый объем работ и методы их выполнения.
- Непосредственное выполнение работ.
- Контрольные измерения и оценка качества.
Проведение изысканий, составление документации и последующий контроль, согласно пункту 4.1, должны выполняться организацией, имеющей соответствующие разрешительные документы и квалификацию, на выполнение данного вида работ. Само закрепление, согласно пункту 16, может осуществляться химическим, цементационным, инъекционным (гидроразрывным), струйным, буросмесительным или термическим способом. Кроме того, пункт 17 описывает механические методы укрепления.
Механический способ
Самый простой и, вместе с тем, самый трудоемкий способ улучшить характеристики грунта — его полная или частичная замена. Применяется только на этапе строительства перед заливкой фундамента. Пункт 17 СП предполагает три основных способа предпостроечного уплотнения:
- Полная или частичная замена — устройство песчаных подушек или отсыпка гравием. Позволяет осуществлять строительство даже на самых слабых грунтах. Несмотря на свою трудоемкость, применяется достаточно часто, так как эффективно снижает риск последующей деформации фундамента и морозного пучения.
- Трамбовка и уплотнение существующего. Согласно абзацу «ж» пункта 17.1.6 правил может осуществляться не ближе 10 метров от жилых зданий и не ближе 15 метров от чугунных коммуникаций.
- Армирование сваями.
Электрохимический способ
В случае, если здание уже построено, и возможности заменить грунт нет, на помощь может прийти электрохимия. Так как под действием электрического тока наблюдается направленное движение заряженных частиц, существует возможность направить эти частицы в ослабленные области.
Для реализации этого метода вблизи укрепляемого участка в почву закачиваются растворы солей, на которые, при помощи электродов, подается положительный потенциал. В области, которая требует укрепления, размещаются отрицательные электроды. В результате электрохимических процессов наблюдается дрейф ионов солей и их оседание в укрепляемой области.
Ограничения электрохимического способа
Основным преимуществом электрохимического воздействия является малая инвазивность: достаточно пробурить несколько скважин для электродов и подачи солевого раствора. Расположение скважин может варьироваться в широких пределах, позволяя обойти существующие сооружения и коммуникации.
К основным недостаткам метода относятся:
- большие затраты времени при масштабных работах — время на укрепление грунта пропорционально квадрату площади участка;
- стоимость электроэнергии — для эффективной инфильтрации солей необходима плотность тока не менее 0,1 А/дм²;
- требовательность к качеству почвы — земля должна содержать достаточное количество влаги;
- риск коррозии металлических конструкций в зоне распространения токов.
Несмотря на большое количество ограничений, метод активно применяется на влажных почвах.
Инъектирование
При необходимости укрепления сыпучих грунтов, пористых пород и подвижных каменных завалов целесообразно применение бурового инъектирования — введения в грунт связующего вещества, которое после затвердевания образует монолиты с основной породой. Подробно данный метод рассмотрен в СНиП 3.02.01-83, а также в пункте 16.3 СП 45.13330.2017.
Достоинствами метода являются высокая прочность формируемого основания и малые габариты применяемой техники, что дает возможность выполнять работы в условиях ограниченного пространства.
Вещества для инъекций
Выбор того или иного связующего вещества определяется его стоимостью и физической структурой укрепляемого участка:
- Цемент применяются для связывания крупных осколков породы — курумника, гравия или гальки. Эти относительно дешевые материалы обладают высокой несущей способностью, однако плохо проникают в мелкие поры и трещины.
- Силикаты и смолы используются для связывания различных фракций песка. Они дороже цемента, зато хорошо проникают в мелкие трещины.
- Микроцементы и геополимеры находят свое применение только на самых плотных грунтах, так как имеют достаточно высокую стоимость.
Общим недостатком инъекционного введения веществ является необходимость применения специальной нагнетательной буровой установки, которая имеется в наличии не во всех строительных организациях.
Термическое закрепление
Если на границе водораздела наблюдается залегание лёссов — известняковых осадочных неслоистых пород — возможно их термическое укрепление. Обработка лессов газами высокой температуры приводит к их химическому перестроению и образованию прочных структур, устойчивых к воздействию воды.
Для реализации этого метода скважины бурятся в шахматном порядке так, чтобы границы зон укрепления пересекались. В каждую из скважин подводится топливо — солярка или пропано-бутановая смесь, и кислород. Горение топлива необходимо поддерживать в течении нескольких дней для эффективного прогрева почвы.
Недостатком метода является не только большое количество скважин, но и необходимость прекращения работ на стройплощадке на время проведения термоукрепления.
Электроосмос
Одним из самых сложных для закрепления видов почв является глина. Она не пропускает цемент, не образует пор, эффективно отфильтровывает соли и обладает слишком большой теплоемкостью для качественного термозакрепления. Вдобавок ко всему, глина способна накапливать влагу, переходя в текучее состояние.
Для борьбы с текучестью глин применяется электроосмос — явление перемещения связанной с почвой воды к отрицательно заряженному электроду. На практике в укрепляемый грунт в центре устанавливается положительный электрод из стали, чугуна или графита. За пределами укрепляемого участка в скважины устанавливаются перфорированные трубы, на которые подается отрицательный потенциал.
Эффективность электроосмоса
При достаточной плотности тока вода будет скапливаться в перфорированных трубах, покидая укрепляемый грунт. Данный метод позволяет не только провести обезвоживание глины, но и оценить текущую влажность грунта — сопротивление почвы протекающему току будет прямо пропорционально ее влажности.
Однако, обеспечить на практике плотности тока более 2–5 А/дм² затруднительно из-за разогрева прилегающей к электродам почвы, приводящего к выкипанию влаги и увеличению сопротивления цепи. Как результат, на обезвоживание грунта может потребоваться от нескольких дней до нескольких недель. Еще один недостаток метода — обратимость. Откачанная влага с течением времени может вернуться в почву.
Итог
Усиление грунта — достаточно сложный технологический процесс, требующий серьезной подготовительной работы. Выбор того или иного метода уплотнения зависит не только от имеющихся технических возможностей, но и от геологического строения конкретного участка.
Деятельность по укреплению почвы строго регламентируется нормативно правовыми актами и должна выполняться сертифицированными организациями, так как от точности расчетов несущей способности грунта зависит безопасность и долговечность возводимых сооружений.