Application of soil anchors for strengthening weak foundations

Слабые основания земляного полотна представляют собой грунтовые массивы, которые обладают пониженной несущей способностью и склонны к деформациям под воздействием внешних нагрузок. Согласно стандарту ГОСТ Р 71404-2024, к слабым относят связные грунты с прочностью на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа или модулем осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м и, как правило, это мягкие, переувлажненные, насыщенные водой или сильно сжимаемые грунты (глинистые грунты, торфы, талый грунт с большим содержанием пылеватых и глинистых частиц)

Необходимость укрепления слабых оснований обусловлена несколькими важными причинами: во-первых, слабые основания могут не выдержать нагрузки от собственного веса земляного полотна и дорожной одежды, что приведет к деформации конструкции; во-вторых, движение по таким насыпям не безопасно, особенно для большегрузных транспортных средств; в-третьих, деформациям основания может произойти по естественным причинам, таким как промерзание, оттаивание и изменение условий увлажнения грунтов

Целью работы является исследование и анализ способов укрепления слабых оснований насыпи земляного полотна, а также разработка рекомендаций по укреплению слабых оснований грунтовыми буроинекционными анкерами. 

Методы укрепления слабых грунтов широко применяются практике промышленного и гражданского строительства, в том числе при строительстве автомобильных и железных дорог, мостов и водопропускных труб. Строительство такого объекта как автомобильная дорога связано складывается из возведения насыпи земляного полотна и устройства дорожной одежды, при этом земляное полотно является не только теплоизоляционным сооружением, способным привести к оттаиванию или деградации грунтов иным способом, но и к изменению режима течения грунтовых вод (из-за увеличения давления). В целом именно изменение водно-теплового режима грунтов в естественном залегании является основной причиной развития деформаций в слабых грунтах.

В настоящее время для укрепления и повышения несущей способности слабых грунтов применяют следующие методы

1. Замена слабого грунта.

2. Укрепление грунта (верхнего слоя)

3. Устройство перехватывающих дренажей

4. Армирование грунта

5. Химическое армирование

Наиболее простой и локальный способ усиления слабых оснований — это замена слабого грунта на более прочный. Замена осуществляется на глубину необходимую для ликвидации чрезмерных просадок, которая определяется по расчету. Кроме этого, замена может осуществляться только на небольших участках, так как для усиления используется прочный непосадочный каменный материал. Работы преимущественно выполняют в зимнее время.

Альтернативой замене грунта может являться усиление или стабилизацию основания цементом, известью или сочетанием неорганических и органических вяжущих. Усиление выполняют грунтосмесительными машинами на месте, на глубину до 40 см. Такой способ подходит для участков с небольшой толщиной слабого грунта, при условии, что несущей способности достаточно, чтобы выдержать строительную технику.

В случае если появление слабого грунта на участке эксплуатации или строительства дороги вызнано систематическим переувлажнением верхних слоев грунта, то имеет смысл рассмотреть вариант усиления конструкции за счет устройства перехватывающего дренажа мелкого или глубокого заложения, совместно с устройством нагорной канавы. Ответ излишней воды повысит несущую способность грунтов, за счет уменьшения его влажности, так как именно влажность глинистых грунтов определяет их основные физико-механические характеристики.

Армирование основания возможно двумя способами: поверхностным и глубинным. Под поверхностным понимается армирование основания геоссетками или георешетками, для создания каркаса, равномерно распределяющего нагрузку от насыпи на грунт и предотвращающего просадку насыпи. Как правило, геосетки укладывают на подушку из песчано-щебеночной смеси толщиной 5–10 см и засыпают слоем щебенистого грунта.

Глубинное инекционное армирование является наиболее надежным и перспективным методом укрепления слабого основания, так как направлено на изменение физико-химической структуры грунта. Значительно повышает долговечности и несущую способность основания, а также оказывает минимальное воздействие на окружающую экосистему.

Одним из вариантов инъекционного армирования слабых грунтов основания является цементация грунта. Технология позволяет в несколько десятков раз повысить прочность и несущую способность грунтов, а также сделать грунт более устойчивым к статическим, динамическим и гидравлическим нагрузкам. Цементация может использоваться как для усиления существующих фундаментов мостов и водопропускных труб, так и при строительстве автомобильных дорог и искусственных сооружений, располагающихся на слабых или неоднородных грунтах.

Цементация грунта способом пропитки применяется для укрепления трещиноватых крупнообломочных грунтов и гравелистых песков с высоким коэффициентом фильтрации. Своевременное и качественное выполнение работ методом пропитки позволяет повысить несущую способность и ликвидировать трещины в грунте, т.е. повысить его водонепроницаимость.

В более сложных грунтово-геологических условиях можно использовать технологию цементации грунта в режиме гидроразрыва (рисунок 1). Принцип цементации в режиме гидроразрыва заключается в нагнетании цементационного раствора в грунт через перфорированные трубки или инъекторы под давлением до 20 Атм., что позволяет заполнить все пустоты и поры в грунте, а также получить плотный и прочный материал

Рисунок 1 - Цементация грунта в режиме гидроразрыва: 

1 – покрытие дороги или верх основания; 2 – пакер; 3 – муфта; 4 – инъектор; 5 – сопла инъектора; 6 – места намеченного гидроразрыва; 7 – вектор силового воздействия; белый – участок гидроразрыва заполненный цементно-полимерным составом; фиолетовый – зона оптимального упрочнения грунта

DOI:10.60797/IRJ.2025.156.43.1

Объектом исследования является мостовой переход через ручей на 237 км автомобильной дороги Хабаровск-Владивосток. Согласно проектной документации, конструкция опор представлена в виде 10 железобетонных монолитных стоек сечением 50х80 см на фундаменте мелкого заложения шириной 4 м. Геологическое строение представлено следующими грунтами:

- суглинок легкий тугопластичный: природная влажность, 0,304 д.ед. плотность грунта 1,88 г/см3, плотность сухого грунта 1.44 г/см3, коэффициент пористости 0,88 д.ед., коэффициент водонасыщения 0,75 д.ед. пучинистость 7%;

- песок средней крупности: природная влажность, 0,207 д.ед. плотность грунта 1.99 г/см3, плотность сухого грунта 1.65 г/см3, пористость 37,78 %, коэффициент пористости 0,619 д.ед., коэффициент водонасыщения 0,90 д.ед.;

- песчанник среднезернистый очень низкой прочности размягченный сильновыветрелвй: природная влажность, 0,121 д.ед. плотность грунта 2,03 г/см3, плотность сухого грунта 1,84 г/см3, пористость 31,74%, коэффициент пористости 0,461 д.ед., коэффициент водонасыщения 0,63 д.ед., предел прочности при сжатии 1,9 МПа, в водонасыщенном состоянии 0,62 МПа;

Перечисленные грунты являются слабыми и для предотвращения осадки сооружения были выполнены работы по укреплению основания под опорами моста.

На участке для проведения лабораторных испытаний были отобраны образцы песка (на глубине 3,5 м) и песчанника (на глубине 7,0 м). Для определения прочности укрепленного грунта цементно-полимерным составом фирмы Кальматрон, для работы в обводненных условиях, были изготовлены образцы-цилиндры диаметром 70 мм и высотой 70±2 мм, а также образцы балочки 40х40х160 мм. Предел прочности определялся методом статического нагружения на прессе с предельной нагрузкой 100 кН. Результаты лабораторных испытаний представлены в таблице 1.

Укрепление основания проводилось согласно требованиям СП 45.13330

Основная задача цементации основания является остановка осадки сооружения поэтому увеличение прочностные характеристики основания носит второстепенный характер, но уменьшение пористости на 25–50% и увеличение несущей способности на 15–25% позволяет говорить о том, что предлагаемые мероприятия являются эффективными.

Альтернативой цементации грунта являются такие мероприятия как замена слабого грунта, укрепление грунта поверхностным смешение или усиление основания песчаными сваями. Однако ни одна из перечисленных технологий не может конкурировать со способом цементации грунта в стесненных условиях.

Несомненная новизна и преимущество технологии цементации грунт цементно-полимерным составом фирмы Кальматрон методом гидроразрывом заключается следующем:

- цементно-полимерным составом обладает большей подвижностью и проникающей способностью по сравнению с песчано-цементной смесь;

- прочность основания сопоставима с основаниями из каменных материалов, но является более технологичным;

- возможность применения технологии в стесненных условиях.

Получение результаты подтверждены результатами лабораторных исследований, натурными испытаниями и не противоречат результатам аналогичных исследований по смежным тематикам

Усиление слабых просадочных грунтов необходимо как на стадии проектирования, так и вовремя эксплуатации дорожных сооружений. Предлагаемый способ усиления грунтов методом цементации с гидроразрывом показывает хорошие результаты как с теоретической, так и практической точек зрения. Грунт, укрепленный полимерно-цементным составом, является сопоставимым по прочности с каменным материалом и грунтом, укрепленным цементной смесью.