Инженерная защита застройки на неустойчивых территориях

Инженерная  защита застройки  на неустойчивых территориях

Мероприятия инженерной защиты осуществляют, когда застройка  находится в неблагоприятных  геологических условиях. Тогда возможно образование карстовых и суффозионных провалов, оползневых явлений, оседание поверхности территории из-за сжатия грунтов, откачки подземных вод. В свою очередь многие участки  подвержены подтоплению и затоплению. 
 
Карстовые и суффозионные провалы часто появляются на многих территориях городов. Механизм их образования рассмотрен в §§ 3.1 и 6.1. 
 
Инженерную защиту застройки от провалов обосновывают исследованием этих процессов и длительным мониторингом мест образования карстово-диф-фузионных процессов. Изучают не только территории с активным карстом, но и потенциально опасные зоны города. 
 
Для предотвращения провалов осуществляют следующие мероприятия: 
• устанавливают регламент хозяйственной деятельности; 
• обеспечивают стабильность водных режимов; 
• ограничивают водозабор, что может вызвать понижение уровня водоносных горизонтов в карбонатных толщах; 
• на территориях не устраивают поверхностных водоемов; 
• следят за исправностью водопроводящих сетей инженерных коммуникаций; 
• не допускают повышения уровня грунтовых вод; 
• создают условия, исключающие гидродинамическое воздействие на массивы водорастворимых горных пород, чем предохраняют их разрушение. 
 
Выполняют и различные инженерные мероприятия. Для повышения стабильности особо опасных участков в карстовые полости инъектируют смеси различных материалов, растворы и бетоны. 
 
Применяют ставшие традиционными методы, которые рассмотрены ниже как мероприятия, обеспечивающие повышение несущей способности оснований фундаментов. 
 
Оползневые явления характерны для расположенных на реках городов России. Оползни подразделяют на две группы: стабильные и активные, находящиеся на стадии подготовки к основному смещению. 
 
К первой группе относятся оползни, подпертые пойменными террасами рек, которые играют роль контрфорсного упора, не дающего основной массе породы сдвигаться. Такие оползни не требуют сложных инженерных мероприятий. Достаточно спланировать и уположить склоны, исключить их подрезку в основании. Для укрепления грунтов рационально фитомелиорировать поверхности посадкой деревьев и травяного покрова. Не подгружать тело оползня дополнительной застройкой или отсыпкой фунта. Грунты поверхности скольжения предохранять от увлажнения, нарушающего свойства подстилающих пород. 
 
 
 
Рис. 6.1. Подпорные стены и свайные сооружения, удерживающие оползни мелкого (а —з) и глубокого заложения: 
а—массивная стена; б—-то же, ниже подошвы склона; в—то же, в сочетании со шпунтовым рядом; г — консольная подпорная стена; д — стена из армированного грунта; е — монолитная стена с пригрузкой и анкерами; ж — свайное поле из забивных свай; з—то же, из набивных; и—стена из сборных панелей, заанкеренных в грунте; к — монолитная консольная стена на контрфорсах; л —то же, на сваях; 1 — коренные породы; 2 — водовыпуск; 3 — плоскость скольжения; 4—лоток; 5—шпунтовый ряд; 6 — фильтрующая засыпка; 7—поверхность естественного рельефа; 8 — арматура, заанкеренная в грунте; 9 — облицовка; 10—железобетонная плита; 11 — сваи; 12 — сваи-шпонки, в верхней части заполненные глиной; 13— анкер-свая с камуфлетной головкой; 14 — контрфорс 
 
Вторая группа требует выполнения противооползневых инженерных сооружений, направленных на повышение стабильности опасных участков. Поэтому здесь возводят подпорные стены, в том числе на глубоком свайном основании. Создают контрбанкеты, усиливающие эти стены, применяют удерживающие конструкции, показанные на рис. 6.1. 
 
Интересно решение, схема которого изображена на рис. 6.2. В этом проекте противооползневые инженерные сооружения совмещены с жилыми домами, располагаемыми по склонам действующего оврага. 
 
Здесь водоотводной лоток для овражного ручья взят в коллектор. По всей длине обеспечен прием в него поверхностных вод. В вершине оврага русло ручья оставляют открытым, поскольку оно разветвляется по отрогам и не мешает автомобильному путепроводу в центре и до устья оврага, проложенному в тоннеле. 
Приведенное решение является оригинальным, но эксклюзивным. Его можно рекомендовать в исключительных случаях. 
 
На подверженных оползням территориях особое внимание уделяют отводу поверхностных вод. Создают регулярные водостоки. В водонасыщенных грунтах сооружают открытые и закрытые дренажные системы, канавы, галереи и другие водоотводящие устройства, рассмотренные § 6.3. 
 
Поскольку все эти мероприятия не полностью гарантируют возможность появления оползневых явлений, создают сопутствующие дренажи вдоль водопроводящих инженерных сетей и постоянно ведут наблюдение за подвижкой земляных масс. 
 
 
 
Рис. 6.2. Проект использования склонов оврага под жилую застройку (схема разреза): 
1 — рекреации для взрослого населения; 2 —жилье; 3 — дошкольные детские учреждения; 4 — рекреации для детей; 5 — водосточная система; 6—лифты-подъемники; 7—учреждения торгово-бытового обслуживания; 8 — технический этаж; 9 — помещения для автостоянок, мусорокамер и складов магазинов; 10— коллектор для ручья; 11 —транспортный тоннель-путепровод; 12 — плоскость скольжения 
 
Уплотнение грунтов оснований под фундаментами вызывает вертикальные осадки не только зданий, но и прилегающего участка. Формируется воронка оседания, радиус которой может достигать 50—150 м. В застройке высокой плотности эти воронки накладываются друг на друга и образуют понижение межмагистральных территорий, а также обводнение поверхностными водами подземных частей зданий. 
 
Установлено, что осадки зданий, основанием которых служат песчаные грунты, невелики и быстро затухают. В глинистых грунтах этот процесс развивается медленно, но после завершения характеризуется значительными величинами просадок. 
 
Здания, возведенные на культурном слое насыпных техногенных грунтов, претерпевают значительные осадки. Такое явление характерно для центральных районов города, где насыпной слой может достигать 15 м. 
 
Техногенные грунты, как правило, неоднородны, толщина их слоя может колебаться в широких пределах. Возможно включение линз пород по плотности не соответствующих соседним участкам. Все это приводит к неравномерным осадкам зданий. 
 
В отличие от равномерных просадок, неравномерные могут нанести зданиям значительные повреждения. Так, уплотнение пластов мягких пород разной толщины вызывают процесс, показанный на рис. 6.3, а. Имеются случаи, когда выветривание материнских пород, из которых произошли грунты, протекают избирательно. Тогда под зданием оказываются основания с различной прочностью и возникают процессы, сходные со схемой а. 
 
Не менее опасны линзы мягких грунтов, имеющих способность к усадочным деформациям. Неравномерное сжатие грунтов таких линз приводит к явлениям, показанным на рис. 6.3, б и в. Вкрапление в основание прочных пород, например крупных валунов, вызывает разлом здания по схеме г. 
 
Откачка подземных вод часто приводит к осадкам поверхности на обширных территориях городов. Извлечение воды из напорных горизонтов вызывает не только падение давления, но и снижение уровней водоносных пластов. 
 
Механизм уплотнения осушенного грунта — специфическая проблема, являющаяся предметом изучения гидрогеологов. Следует отметить, что за счет такого уплотнения случаются просадки дневной поверхности, исчисляемые в 1—150 мм, что приводит к частичному или полному разрушению зданий. Просадки от 10 до 30 мм в среднем влекут за собой деформацию в двух-трех зданиях на 1 км2, а при оседании поверхности больше, чем на 50 мм количество деформированных зданий увеличивается до 30 на 1 км2. 
 
Просадки сооружений, сходные с описанными, возможны при взаимодействии воды с зелеными насаждениями. Некоторые породы деревьев потребляют большое количество влаги. В основном черпают ее из грунта верхнего слоя, увлажняемого атмосферными осадками. При нормальном их количестве система находится в равновесии. При засухах находящееся в песчаных грунтах дерево погибает, а в глинистых выживает.  
 
 
 
Рис. 6.3. Осадочные деформации зданий: 
а — большая разница толщины слабого грунта; б, в — расположение линз слабых грунтов под частью здания; г — жесткие включения значительных размеров; д — просадка части здания, примыкающей к новому строению; е — осадка грунтов при их осушении корнями деревьев в сильную засуху; 1 — фунты слабые; 2 —то же, прочные; 3 — крупный валун 
 
По мере осушения почвы корневая система развивается. Корни деревьев прорастают все дальше и всасывают влагу из глубоких водоносных слоев. 
 
Такое явление опасно для застройки на грунтах, обладающих способностью давать осадку при уменьшении влажности. В некоторых случаях это может привести к повреждениям здания по схеме, показанной на рис. 6.3, е. Подобные явления зафиксированы в ряде городов мира. Сходные процессы наблюдаются при возведении зданий рядом с существующими. Если разрывы между старым и новым объектами невелики, то возможны просадки по схеме д.  
 
При равномерной просадке на больших территориях необходима кардинальная перепланировка квартала, микрорайона или его части. Это связано с тем, что улицы ремонтируют довольно регулярно и здесь не так наглядны процессы осадки грунта. А вот на межуличных участках они выражены более ярко. Во время дождей атмосферные воды стекают к зданиям. Часть водных потоков с улиц и переулков попадает на жилые территории. 
 
Основным средством ликвидации последствий осадок является изменение системы водоотвода с этих территорий, с подсыпкой наиболее низких мест. Не менее важен отвод воды от зданий. Эти мероприятия описаны ниже, при рассмотрении вопросов борьбы с затоплением. 
 
Другое дело неравномерные просадки под фундаментами зданий. Они создают условия, когда нельзя дальше использовать естественные грунты в качестве оснований. Здесь нет гарантий, что здание в перспективе будет находиться в стабильном состоянии. Поэтому прежде чем восстанавливать фундаменты, проводят мероприятия по укреплению грунтов. 
 
Искусственные основания устраивают различными способами. Коренные породы с кавернами и трещинами укрепляют, нагнетая в них растворы, а в крупные пустоты — бетоны. Осадочные грунты закрепляют путем электрохимического упрочнения,,обжига, смолизации и силикатизации. 
 
Электрохимическое упрочнение (электроосмос) основано на физико-химических процессах, протекающих при пропускании через переувлажненный глинистый грунт электрического тока. Под его воздействием происходит необратимая коагуляция глинистых частиц и их закрепление. Кроме того, грунт осушается и, следовательно, уплотняется. Этот метод требует большого расхода электроэнергии. На 1 м3 нужно от 50 до 200 кВт-ч. 
 
Обжиг грунта превращает его в камневидную массу обожженной породы. Обжиг применяют для закрепления лессовидных и пористых глинистых грунтов. Породу подвергают тепловой обработке путем нагнетания в скважину под давлением нагретого до 600—800° С воздуха или сжигания газообразного и жидкого топлива. В этом случае грунт обжигается в радиусе 1—1,5 м. 
 
Обжиг —это энергоемкое мероприятие. Расход топлива составляет 100 кг на 1 м длины скважины. 
 
Смолизация грунта заключается в его обработке синтетическими смолами, образующими прочные и стойкие кристаллические связи. Метод применяют для закрепления мелкозернистых грунтов при высоком уровне фунтовых вод. Закрепляющие компоненты (смолу и отвердитель) нагнетают в скважины под давлением до 1 МПа. 
 
Силикатизацией упрочняют песчаные и пылевидные грунты. Метод заключается в нагнетании химических растворов, которые вступают в реакцию между собой или солями, содержащимися в породе. В результате такой реакции образуется гель кремниевой кислоты, закрепляющий частицы. 
 
В фунты, содержащие соли кальция и магния менее 0,6 мг-экв, нафетают два раствора — силикат нафия NaSi02 и хлористого кальция СаС12. Если же Фунты содержат указанные соли более 0,6 мг-экв, то применяют однораствор-ную силикатизацию. Нагнетают жидкое стекло NaSi02. Давление, при котором нагнетают растворы, зависит от фильтрующей способности фунта. Чем ниже коэффициент фильтрации Кф, тем должно быть выше давление. При Кф меньше 0,1 м/сут применяют элекфосиликатизацию. Она отличается тем, что в процессе выполнения работ через грунт пропускают постоянный электрический ток. Он стимулирует перемещение раствора в массе породы. Ток подключают по принципу, изложенному для элекфоосмоса. 
 
Цементацию грунтов применяют при крупнозернистой их структуре. Сущность метода заключается в инъекциях цементной суспензии, которая закрепляет частицы породы и этим увеличивает его прочность. 
 
Зона закрепления вокруг скважины-инъектора зависит от фануломефиче-ского состава фунта. Радиус проникновения суспензии колеблется в пределах от 0,3 до 15 м. Чем мельче песок, тем меньше радиус укрепленного основания. 
 
Прочность цементированного грунта вблизи скважины достигает 2— 3,5 МПа. По мере удаления от инъектора прочность убывает и в крайних слоях не превышает 0,8—1 МПа. Расход цемента составляет 20—40 % от объема закрепляемой породы. 
 
 
 
Рис. 6.4. Водовоздушный метод уплотнения грунтов оснований: 
а —устройство цементно-грунтовых столбов диаметром 0,4—0,6 м (/ — насос, создающий давление 20—30 МПа; 2 — струя раствора со скоростью 100—150 м/с; 3— цементно-грунтовый столб); б — то же, диаметром до 2 м (/ — насос для подачи раствора под давлением 2—3 МПа; 2— то же, воздуха 0,7—1,7 МПа; 3 — то же, воды 40—60 МПа; 4 —струя раствора со скоростью 50—80 м/с; 5 — то же, воды со скоростью 350—500 м/с; 6 — то же, воздуха со скоростью более 330 м/с); в — устройство диафрагм толщиной 0,2 м (Z — насос для подачи раствора под давлением 2—3 МПа; 2 — то же, воздуха 0,7—1,0 МПа; 3 — то же, воды 40 МПа; 4 — струя раствора со скоростью 50 м/с; 5 — то же, воздуха со скоростью более 330 м/с; 6 — то же, воды со скоростью 350—400 м/с; 7—цементно-грунтовая стена) 
 
В последнее время стали применять установки для укрепления грунтов методом «ССР method». Он основан на подаче под очень большим давлением, от 25 до 60 МПа, воздуха и цементной жидкости или раствора, а иногда и воды, поэтому назван методом водовоздушной струи. Использование в процессе воздуха и воды способствует активному разрыхлению породы, что обеспечивает лучшее проникновение цементного геля в ее толщу. 
Этот метод позволяет укреплять грунты, создавать жесткие столбы диаметром от 0,8 до 2 м. Для столбов диаметром до 0,6 м применяют однотрубные системы (рис. 6.4, а). Цементную жидкость или раствор смешивают с воздухом и выбрасывают в виде пульпы через сопло с большой скоростью. При этом струе придают вращательное движение. 
 
Под действием такой струи наносные породы разрыхляются в такой степени, что цемент проникает в их толщу, смешиваясь с частицами грунта. Если порода имеет крупнозернистую структуру, то достаточно подать цементную жидкость, но в мелкозернистых грунтах необходимо добавление песка, т. е. подача раствора. 
 
Последовательность закрепления грунта по высоте обеспечивают обрат-нопоступательным вертикальным движением трубы с соплом. При этом скоростью движения задаются в зависимости от строения пород. 
 
Для закрепления грунтов и создания столбов диаметром до 2 м применяют трехтрубную систему (рис. 6.4, б). В ней воздух, воду и раствор подают отдельно. Высокоскоростная струя раствора в окружении воздуха обеспечивает стабилизацию грунта на расстоянии до 1 м от сопла. Трехтрубные системы применяют и для устройства тонких стенок-диафрагм (рис. 6.4, в). 
 
Во всех случаях возможно глубокое закрепление пород, порядка 15—20 м от поверхности земли. 
 
Прочность укрепленных столбов зависит от природы и состава пород. Чем больше водопроницаемость, тем выше прочность столба. Она может достигать 6—7 МПа в крупнозернистых песках и падать до 0,15—0,25 МПа в илистых и глинистых грунтах. 
 
 
 
Рис. 6.5. Усиление ленточных и столбчатых фундаментов: 
а—расширение площади опоры ленточного фундамента приливами; б—то же, с передачей нагрузки на рандбалки; в —то же, с усилением кладки и устройством контрфорсов; г — переустройство столбчатых фундаментов; 1 — кирпичная кладка стен; 2 — железобетонная обойма; 3— анкеры; 4— рандбалка; 5-—опорные балки; 6 — продольная балка; 7—контрфорс; 8—раствор заделки трещин; 9 — столб фундамента; 10 — балка-диафрагма; 11 — арматурный каркас; 12— опорное уширение диафрагмы 
 
Усиление фундаментов зданий, расположенных на претерпевших деформацию основаниях, необходимо для восстановления монолитности и первоначальной прочности конструкций. Действенным средством омоноличивания стен ленточных фундаментов является заключение их в железобетонные обоймы-рубашки (рис. 6.5, а, б). Их важно включить в совместную работу со старыми фундаментами. Для этого противоположные стенки обойм крепят между собой анкерами из арматурной стали или швеллерных и двутавровых балок. 
 
Одновременно с устройством рубашек восстанавливают выветрившуюся кладку старых фундаментов. В трещины и пустоты инъектируют цементный раствор. При обнаружении повреждений в нижних банкетах прибегают к их усилению продольными железобетонными балками. При необходимости это позволяет увеличить и площадь опоры на основание. Для улучшения передачи нагрузки на эти балки часто устанавливают поперечные контрфорсы (рис. 6.5, в). 
 
В местах значительных деформаций зданий столбчатые фундаменты часто превращают в ленточные. Между столбами возводят железобетонную стенку, как показано на рис. 6.5, г. Ее сопрягают с существующими столбами, хомутами или анкерами. Если в старых конструкциях обнаружены следы выветривания или трещины, то их одевают в железобетонные обоймы. 
 
 
 
Pис. 6.6. Разгрузка фундаментов на выносные опоры: 
а—со сваями, расположенными с одной стороны; 6—то же, с двух сторон; 1—балка-подвеска; 2— опорная балка; 3 — существующий фундамент; 4 — рандбалка; 5 — дефектная кладка; 6 — новая часть фундамента; 7— свая, работающая на сжатие; 8 — то же, на выдергивание; 9 — разгрузочная балка 
 
В тех случаях, когда грунты оснований не в состоянии в полной мере воспринимать нагрузки от фундаментов, устраивают выносные сваи. Их выполняют висячими или опирают на залегающие глубоко твердые геологические породы, но во всех случаях эти сваи не забивают. Во избежание разрушения зданий от вибрации применяют метод вдавливания или описанный выше — водовоздушной струи. 
 
Оголовки свай объединяют ростверком. Обеспечивают надежное сопряжение с существующим фундаментом. Для этого в специальные штрабы устанавливают рандбалки или закладывают жесткие обвязочные пояса (рис. 6.6). 
 
Фундаменты усиливают не только при нарушенных грунтах оснований. Такое мероприятие необходимо при увеличении нагрузки от здания. Обычно это связано со сменой деревянных перекрытий на более тяжелые железобетонные, но чаще — с надстройками, особенно если вновь возводимые этажи опирают на существующие стены. 
 
В деформированных из-за неравномерных осадок зданиях важно восстановить пространственную жесткость несущей коробки. При потере устойчивости стен и их отклонении от вертикали прибегают к устройству обвязочных поясов. Эти пояса рассчитывают на растягивающие усилия. Для сокращения трудоемкости работ применяют прокатную сталь. Пояса устанавливают вертикально или горизонтально. 
 
 
 
Рис. 6.7. Пояса, усиливающие стеновой остов здания: 
а — накладные вертикальные; б—то же, горизонтальные; 1 — стойка; 2 — тяж; 3 — накладка; 4 — стержень-затяжка; 5 — уголок; 6 — затяжная муфта; 7—два взаимно перпендикулярных отверстия для рычага; 8 — костыли с шагом 0,7 м 
 
Первый тип, показанный на рис. 6.7, а, состоит из вертикальных швеллеров и тяжей из круглой стали. Швеллера накладывают на стены или утапливают в штрабы. Тяжи прокладывают в толще перекрытий. Нижний ряд устанавливают на уровне перекрытия над подвалом или обреза стен у фундаментов. Для включения в работу эти тяжи напрягают. Затягивают резьбовые соединения (деталь А). 
 
Пояса второго типа —горизонтальные —делают замкнутыми, как показано на рис. 6.7, б. Их располагают в плоскости перекрытий и последовательно напрягают снизу вверх специальными муфтами (деталь Б). Применяют и электротермическое натяжение. Оно основано на том, что при нагреве металл удлиняется и пояса в этом положении закрепляют. При остывании их длина сокращается и обвязка, как обруч, плотно обтягивает стены.