745

нормальной влажности. С повышением влажности до определенного предела плотность грунта увеличивается. При дальнейшем увеличении влажности плотность уменьшается.

Липкостью называют способность грунтов прилипать к поверхности различных материалов. Липкость является отрицательным свойством грунтов, поэтому во всех необходимых случаях требуется оценивать грунт с этой стороны. В количественной форме липкость выражают в килопаскалях, измеряя усилие, необходимое для отрыва прилипшей пластинки к грунту.

Наибольшей прилипаемостью (0,04–0,1 МПа) отличается глинистая фракция. Поэтому с увеличением дисперсности грунтов липкость возрастает. Увеличение давления рабочих органов землеройных машин на грунт вызывает повышение липкости.

Размокаемость представляет собой процесс полной или частичной утраты грунтом прочности под действием спокойной воды. Этот процесс характеризуется определенной продолжительностью, характером распада грунта и его конечной влажностью. Способность к размоканию понижается по мере перехода от мелких суглинков к глинам и от очень пористых к малопористым грунтам. Чем меньше исходная влажность, тем энергичнее происходит распад грунта. При естественном сложении грунт распадается медленнее, чем при нарушенном. О способности грунтов к размоканию необходимо знать при обеспечении устойчивости стенок и откосов котлованов и земляных сооружений, заполненных водой.

Размываемость — это разрушение грунтов под действием текучих вод. Размываемость зависит от состава грунта, его строения, характера структурных связей, а также степени минерализации и т.д. Размываемость характеризуется критической размывающей скоростью водного потока, при которой начинается отрыв отдельных частиц и их перемещение водой.

Глинистые грунты благодаря структурным связям менее подвержены размыву, чем мелкозернистые пески и пылеватые грунты. Критическая скорость размыва глинистых грунтов составляет 0,7–1,2 м/с.

Данные о размываемости грунтов необходимы для проектирования водоотводных канав и каналов, а также откосов земляных сооружений.

При строительстве заглубленных сооружений в котлованах следует считаться со способностью некоторых грунтов к набуханию. Набухание — это способность грунтов увеличиваться в объеме в результате поглощения воды. Набухание характеризуется коэффициентом набухания, представляющим собой отношение объема грунта после набухания к первоначальному объему.

Ориентировочные значения коэффициентов набухания грунтов следующие: глина: тяжелая вязкая — 1,5–2; обычная пластичная — 1,4–1,5; суглинок: тяжелый — 1,4–1,6; средний — 1,2–1,45; легкий — 1,15–1,2; лесс и лессовидный грунт — 1,25; супеси — 1,05–1,15; песок пылеватый — 1,05–1,1.

Набухание грунтов характеризуется также давлением набухания, влажностью набухания и относительной усадкой при высыхании.

При погружении свай, буровых работах, приготовлении глинистых растворов, а также при устройстве фундаментов и подземных сооружений способом «стена в грунте» необходимо знание тиксотропных свойств грунтов.

Под тиксотропией понимают переход геля в золь и обратно после прекращения воздействия. Тиксотропные явления характерны для глинистых грунтов с коагуляционными связями. Связь между частицами и механическая прочность уменьшаются по мере увеличения влажности грунта.

При нарушении структурных связей в результате механического воздействия (вибрация, динамические нагрузки, знакопеременные давления) тиксотропное разрушение может быть полным (разжижение) или частичным (размягчение).

Разрыхляемостъ — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами, при этом плотность грунта уменьшается.

Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления.

Коэффициент первоначального разрыхления грунтов Кр составляет: песчаных — 1,08– 1,2; пылевато-глинистых — 1,2–1,3; полускальных и скальных при взрывании: «на встряхивание» — 1,1–1,2; «на развал» — 1,25–1,6.

Разрыхленный грунт, уложенный в земляное сооружение, уплотняется. Однако такой грунт не занимает первоначального объема, который он имел до разработки, и сохраняет некоторое разрыхление, характеризуемое коэффициентом остаточного разрыхления Кор, значение которого для песчаных грунтов находится в пределах 1,01–1,025; суглинистых

—1,015–1,05 и гли-нистых — 1,04–1,09.

Величина коэффициента Кор обычно меньше Кр на 15–20 %.

При устройстве различного рода выемок и насыпей важно знать допустимую крутизну

откосов, которая связана с понятием угла естественного откоса.

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который может быть образован откосом свободно насыпанного грунта в состоянии равновесия с горизонтальной плоскостью.

Для грунтов, не обладающих сцеплением, т.е. сыпучих грунтов, угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

Понятие об угле естественного откоса относится только к сухим сыпучим грунтам, а для связных пылевато-глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Строительными нормами и правилами установлены значения крутизны откосов для постоянных и временных земляных сооружений в зависимости от их глубины или высоты. Откосы насыпей постоянных сооружений делают более пологими, чем откосы выемок. При устройстве временных выемок допускаются более крутые откосы [8, табл. 1.1]. В связных грунтах крутизна откоса изменяется от максимальной величины в верхней части земляного сооружения до минимальной — в нижней, приближаясь к углу внутреннего трения. В связи с этим откосы высоких насыпей и глубоких выемок устраивают с переменной крутизной, с более пологим очертанием внизу.

Грунты классифицируются по трудности разработки в зависимости от типа применяемой машины. Классификация грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена отдельно для немерзлых (I–VI) группы и мерзлых (IM–VIM) грунтов. Разрыхленные немерзлые грунты нормируют на одну группу ниже, чем эти же грунты в массиве, т.е. в неразрыхленном состоянии. В ЕНиР (Сб. 2. Земляные работы. Вып. I. 1986. Разд. 1. Техническая часть, табл. 1 и 2) дана классификация грунтов по трудности их разработки в зависимости от видов землеройных машин и свойств грунта.

Распространенной классификацией горных пород по крепости является их классификация по шкале М.М. Протодьяконова. Коэффициент крепости пород f по шкале М.М. Протодьяконова, составляющий одну сотую долю от временного сопротивления одноосному сжатию, используют для оценки прочности горных пород.

Косвенными показателями прочности грунтов являются скорость их бурения, а также число ударов ударника ДорНИИ.

Буримость — сопротивляемость горной породы разрушению буровым инструментом, которая характеризуется чистой скоростью бурения.

При использовании буронабивных свай грунты классифицируют в зависимости от устойчивости стенок скважин и трудности бурения грунтов различными способами.

По устойчивости скважин грунты делятся на две группы:

устойчивые — глинистые маловлажные грунты (твердые и полутвердые суглинки и глины, твердые супеси), а также скальные неразрушенные грунты;

неустойчивые — насыщенные водой, пылевато-глинистые грунты, плывуны, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески и разрушенные скальные грунты.

Различные грунты имеют различную электропроводность, которая имеет практическое значение при выполнении технологических процессов, связанных с пропусканием через грунт электрического тока (осушение грунтов и погружение опускных колодцев с помощью электроосмоса, оттаивания грунтов, закрепление грунта с использованием электрического тока и др.). Так как минеральные частицы, входящие в состав грунта, обычно не являются проводниками, электропроводность зависит от степени насыщения его водой.

В процессе производства земляных работ приходится иметь дело с явлениями замораживания и оттаивания грунтов, а также с закреплением грунтов термическим способом. Поэтому при проектировании производства работ имеют значение термодинамические характеристики грунтов — их теплопроводность и теплоемкость. Эти характеристики в большей степени зависят от состава и влажности грунта.

Под теплопроводностью понимают способность грунта переносить тепло от одной поверхности к другой. Теплопроводность твердой, жидкой и газообразной фаз грунта различна. Наименьший коэффициент теплопроводности имеет воздух, а наибольший — твердая фаза грунта. Теплопроводность грунтов зависит от пористости и влажности. Чем больше пор, не занятых водой, тем меньше теплопроводность. Максимальную теп- лопровод-ность имеет грунт при полном водонасыщении.

Теплоемкость — свойство грунтов поглощать тепло при нагревании, характеризуется удельной теплоемкостью с, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг грунта на 1 кДж/(кг К). Под объемной теплоемкостью сυ понимают количество тепла, потребное для нагревания 1 м3 грунта на 1 °С. Для различных грунтов удельная теплоемкость составляет 250–900 Дж/(кг К). Чем суше грунт, тем меньше его теплоемкость.

Уплотнение и упрочнение водонасыщенных нескальных грунтов является сложной задачей. Во-первых, проникание в них вяжущих цементирующих веществ затруднено изза небольших размеров пор, в некоторых случаях не превышающих десятых долей микрометра. Во-вторых, непосредственное взаимодействие вяжущих цементирующих веществ с наиболее активной минеральной частью грунтов — глинистыми частицами осложнено наличием у последних оболочек связанной воды. При уплотнении и упрочнении песчаных грунтов следует учитывать их неоднородность и слоистость в естественном состоянии, поскольку они могут оказывать существенное влияние на распространение инъецируемого в грунт вещества.

2. ТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ

2.1.Общие положения

Впрактике отечественного метро- и тоннелестроения широкое применение находят различные специальные способы работ по укреплению грунтов и повышению их водонепроницаемости.

Наиболее сложные условия проходки возникают при строительстве подземных сооружений в рыхлых слабоустойчивых водонасыщенных грунтах типа плывунов и мягких пластичных глин, в которых невозможно осуществить обнажение массива даже на незначительной площади. В этих случаях предварительные мероприятия выполняют не только для гидроизоляции места строительства выработки от окружающего водоносного массива, но и для закрепления грунтов и придания им большей устойчивости.

Особенно остро эта проблема стоит при строительстве метрополитенов мелкого заложения в условиях плотной городской застройки при наличии интенсивного уличного движения и сложной сети коммуникаций, когда проходка выработок в неустойчивых

водоносных грунтах может повлечь за собой осадки поверхности и, как следствие этого, деформации окружающих зданий и сооружений.

Классификация наиболее широко применяющихся в метростроении специальных способов приведена в работе одного из первостроителей московского метро д-ра техн. наук Я.А. Дор-мана [14] (рис. 2.1).

В зависимости от условий проходки и типов применяемого оборудования возможны различные сочетания этих способов [2, гл. XI], [10, гл. 16–18], [46, гл. 3], [47], [54]. Так, при проходке зон тектонических разломов эффективным в большинстве случаев может оказаться сочетание тампонажа предразломных участков (представленных, как правило, водонасыщенными сильнотрещиноватыми скальными грунтами) с закреплением грунта в ядре разлома инъекционным способом, например, химической композицией и последующий дренаж скважин, пробуренных за зону укрепления. В любом случае выбор способа проходки выработки должен быть сделан на основе соответствующего техникоэкономического обоснования.

Основы теории, расчета и эксплуатации оборудования, указания по применению различных специальных способов стабилизации и закрепления грунтов в той или иной степени подробности отражены в приведенной в конце пособия литературе, в том числе:

—искусственное водопонижение — в работах: [1, гл. 13; 3; 14, гл. IV; 16, § 30; 17, гл. 19; 28, п. 1.2.2; 47, гл. 2; 54, п. 4.3; 55, гл. 3];

—замораживание грунтов — в работах: [4; 14, гл. V; 16, § 31; 44, гл. III; 45, гл. 14; 46,

п.3.2; 47, гл. 4; 49; 50; 54, п. 4.2; 54, гл. 10];

—химическое закрепление и тампонирование грунтов — в работах: [12; 14, гл. III; 15; 16, § 32; 17, гл. 18; 22; 27; 45, гл. 15; 46, п. 3.5; 47, гл. 5; 48, гл. V, § 6; 51, п. 4.3; 54, гл. 1–9; 55, п. 5.3].

2.2. Искусственное водопонижение

При строительстве заглубленных и подземных сооружений для борьбы с поверхностными и грунтовыми водами применяют: открытый водоотлив, водопонижение (осушение) и противофильтрационные завесы.

Из всех методов борьбы с грунтовыми водами в городском подземном строительстве наиболее широкое применение получило искусственное водопонижение, с помощью которого вокруг сооружаемого объекта или его части создается заградительный контур, представляющий собой систему вертикальных, горизонтальных или наклонных выработок, имеющих гидравлическую связь с водоносным горизонтом и чаще всего оборудованных различными средствами водопонижения.

Классификация существующих способов водопонижения с учетом разработанных видов и типов средств откачки грунтовых вод приведена на рис. 2.2.

Притекающие с обеих сторон к заградительному контуру грунтовые воды откачиваются водопонизительными устройствами или самотеком отводятся за пределы строительной зоны. При этом поверхность воды в грунте приобретает воронкообразную форму, понижаясь с уклоном к месту откачки. Пониженная поверхность грунтовых вод называется депрессионной поверхностью, а осушенное пространство между первоначальной поверхностью подземного потока и депрессионной поверхностью —

депрессионной воронкой.

В соответствии с рекомендациями СП 32-105 (42) искусственное водопонижение следует применять для снижения уровня грунтовых вод при проходке тоннелей открытым и закрытым способами, при сооружении стволов шахт и строительстве вестибюлей станций и подуличных пешеходных переходов, прокладке и перекладке городских подземных коммуникаций, а также для снятия напора воды в вышележащем водоносном горизонте.

Выбор средств водопонижения следует определять с учетом:

—гидрогеологических условий;

—необходимой величины понижения уровня грунтовых вод;

—условий строительной площадки, примыкающей к ней городской застройке и положения подземных коммуникаций, типом горной выработки;

—продолжительности водопонижения имеющимися техническими средствами и установками.

До начала работ следует выполнить анализ возможных отрицательных последствий, связанных с увеличением массы грунта вследствие водопонижения.

При организации работ необходимо учитывать возможность:

—повреждения примыкающих сооружений, их оснований и инженерных сетей;

—изменения несущей способности и просадки грунта в связи с удалением грунтовой

воды;

—возникновения отрицательных сил при высыхании связных грунтов;

—осадки висячих свайных оснований пропорционально осад-ке окружающих рыхлых грунтов.

В процессе водопонижения, а также определенное время после окончания строительства, необходимо вести постоянное наблюдение за функционированием инженерных сетей и примыкающих сооружений, в ключевых точках фиксировать и устранять вертикальные и горизонтальные перемещения.

Водопонизительные установки следует размещать параллельно трассе тоннелей с одной или обеих сторон с шагом согласно проектной документации.

В местах пересечения трассы тоннелей с подземными или наземными сооружениями установки следует располагать вдоль сооружения, с обеих сторон, и перпендикулярно оси тоннелей. При этом стволы шахт желательно оконтуривать отдельными установками.

При вскрытии горной выработкой двух и более водоносных горизонтов могут быть применены комбинированные системы водопонижения. При этом основное водопонижение следует осуществлять скважинами с погружными насосами, а остаточную воду отбирать легкими иглофильтровыми установками или открытым водоотливом). Водопонизительные скважины (рис. 2.3), оборудованные насосами различных типов, применяют при необходимости производства земляных работ в водоносных грунтах с Кф > 2 м/сут.

Основными элементами, определяющими конструкцию водопонижающих скважин, являются: тип, диаметр и длина фильтра, наличие и характер гравийной обсыпки, а также тип и марка индивидуального насоса [44].

Фильтры предназначены для пропуска воды из осушаемого массива внутрь скважины и предохранения ее водоприемной части от завалов в результате оплывания или обрушения грунтов.

Применительно к литологическому составу грунтов водоносного горизонта и химической природе грунтовых вод, подлежащих дренированию, разработано значительное количество конструкций фильтров.

подъем желонки; крепление скважины обсадными трубами. При бурении рыхлых и малосвязных грунтов операции «спуск», «разрушение забоя» и «подъем бурового снаряда» отсутствуют.

Вращательный способ бурения может производиться с разрушением грунта по всей площади забоя (роторное или шнековое бурение) или кольцевым забоем, когда в центре скважины остается колонка не разрушенного грунта (колонковое бурение). Последнее изза малого диаметра бурения при водопонизительных работах не применяется.

При роторном бурении вращение буровому снаряду передается ротором, расположенным на поверхности. Для очистки забоя от частиц выбуренного грунта, охлаждения нагреваемого при работе грунторазрушающего инструмента, а также для обеспечения устойчивости стенок скважины применяют промывочную жидкость (глинистый раствор, вода), которая циркулирует по замкнутому гидравлическому контуру.

Существует две схемы циркуляции промывочной жидкости — прямая и обратная. При прямой схеме промывки жидкость подается на забой насосом через вертлюг-сальник и буровой снаряд (рис. 2.4, б). Вращательное бурение с прямой промывкой обеспечивает высокие скорости бурения, однако при этом возникает необходимость разглинизации стенок скважины, которая не всегда обеспечивает полное восстановление фильтрационных свойств грунтов.

Поэтому в последние годы для бурения водопонизительных скважин в мягких грунтах (I–IV категории по буримости) применяют установки вращательного бурения с обратной промывкой (всасывающее бурение).

Рис. 2.4. Схема буровых установок: а — ударно-канатного бурения;

б — вращательного бурения с прямой промывкой:

1 — долото; 2 — скважина; 3 — переходник; 4 — ударная штанга; 5 — раздвижная штанга; 6 — канатный замок; 7 — инструментальный канат;

8 — желонка; 9 — канат желонки; 10 — мачта; 11— головной ролик; 12 — желоночный барабан; 13 — оттяжной ролик; 14 — шатун;

15 — балансирная рама; 16 — направляющий ролик; 17 — инструментальный барабан; 18 — шестерни; 19 — утяжеленная бурильная труба; 20 — бурильная

труба; 21 — лебедка; 22 — ротор; 23 — ведущая бурильная труба; 24 — канат; 25 — кран-блок; 26 — талевой блок; 27 — крюк; 28 — штропы;

29 — вертлюг-сальник; 30 — нагнетательный шланг; 31 — желоба; 32 — отстойник; 33 — буровой насос для нагнетания промывочной жидкости;

34 — всасывающий шланг; 35 — приемная емкость

Для интенсивного засасывания и последующего сброса пульпы в отстойник всасывающую систему оборудуют центробежным насосом, эрлифтом или гидроэлеватором.

Глубина бурения при откачке промывочной жидкости центробежным насосом зависит от сопротивления потоку в долоте, бурильных и ведущих трубах, вертлюге и шлангах (рис. 2.5, а).

в)

Рис. 2.5. Схемы вращательного бурения с обратной промывкой:

а— центробежным насосом; б — эрлифтом; в — гидроэлеватором; 1 — долото; 2 — бурильная труба; 3 — кондуктор; 4 — ротор; 5 — ведущая

труба; 6 — вертлюг-сальник; 7 — вакуумметр; 8 — вакуум-насос;

9 — всасывающий рукав; 10 — центробежный насос; 11 — обратный клапан; 12 — сливной рукав; 13 — буровой шлам; 14 — отстойник; 15 — перемычка;

16 — канава для подвода воды в скважину; 17 — компрессор; 18 — воздухо-подводяший рукав; 19 — воздухоподводящая труба; 20 — смеситель;

21 — гидроэлеватор; 22 — труба для подачи воды от центробежного насоса

Недостатком данного способа является ограниченная высота всасывания центробежных насосов (max до 100 м).

Легкие иглофильтровые установки (рис. 2.8) состоят из насосного агрегата, всасывающего коллектора, надфильтрового звена труб и фильтрового звена.

Рис. 2.8. Схема легкой иглофильтровой установки:

1 — фильтровое звено;

2 — надфильтровые трубы;

3 — соединительный рукав;

4 — пробковый кран;

5 — всасывающий коллектор; 6 — задвижка; 7 — всасывающий рукав; 8 — вакуумметр;

9 — манометр;

10 — патрубок для присоединения

напорного трубопровода; 11 — насосный агрегат; 12 — электродвигатель; 13 — заглушка;

14 — отвод (колено)

Основным элементом всех этих установок является иглофильтр, служащий для приема воды из водоносного горизонта.

Иглофильтр состоит из надфильтровых труб длиной по 1,0; 1,5; 2,5 и 3,5 м, диаметром 38 мм; фильтрового звена длиной 1 м, диаметром 50 мм и фрезевого наконечника. Общая длина иглофильтра может достигать 8,5 м. К всасывающему коллектору иглофильтры подсоединяют гибкими шлангами.

Эжекторные иглофильтровые установки применяют в основном для водопонижения методом вакуумирования в грунтах с небольшими коэффициентами фильтрации — от 0,2 до 5,0 м/сут.

При необходимости водопонижения в мелкозернистых, илистых или глинистых грунтах, в которых обычные способы водопонижения из-за низкой водоотдачи грунтов неэффективны, возможно применение электроосматического способа (электродренажа). Сущность способа состоит в том, что под действием постоянного электрического тока положительно заряженные молекулы подвижного слоя воды устремляются от анода к отрицательному электроду (катоду). В результате электроосмоса происходит осушение окружающего электроды массива грунта.

По данным Б.А. Ржаницына, электрическое осушение эффективно в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,005 м/сут.

При длительном пропускании через грунт постоянного электрического тока в нем образуются новые химические соединения, цементирующие его частицы. Достигнутое при этом упрочнение грунта является устойчивым и необратимым.

В качестве положительно заряженных электродов-анодов используют трубы. Для этого по периметру сооружаемого объекта устанавливают два ряда электродов: с внешней стороны иглофильтры (катоды), из которых производят откачку воды, а с внутренней — металлические трубы — аноды.

Иглофильтры устанавливают по периметру сооружаемого объекта на расстоянии 0,75– 1,5 м друг от друга и на расстоянии 1,5 м от внешней границы сооружения. Глубина погружения иглофильтров должна быть не менее чем на 3 м ниже проектного