При реконструкции зданий и строительстве новых сооружений часто возникает проблема слабого грунта. Такое основание может не выдержать нагрузок от постройки. Сегодня в нашей статье речь пойдёт о различных методах его укрепления.
Грунт — это слой, который воспринимает на себя сумму всех нагрузок от сооружения. Условно все грунты можно разделить на стабильные и нестабильные. Стабильный — достаточно плотный и сухой для того, чтобы без специальной подготовки выдержать нагрузки от фундамента или дороги. Нестабильный требует предварительных работ по осушению и уплотнению.
Подразумевает под собой внедрение отдельных высокопрочных изделий (свай) или материалов (грунт, щебень), а также уплотнение без изменения структуры (трамбовка/вибрирование).
Смысл заключается в том, что длинная свая проходит слой слабого грунта и упирается в более плотный. Нагрузка передаётся по свае вертикально. Также она удерживается за счёт трения грунта о поверхность сваи. По методу погружения сваи бывают набивные (забиваются в грунт с предварительным бурением или без), буронабивные (жидкий бетон заливается в обсадную трубу, погружённую в грунт) и сваи вдавливания (погружаются специальной машиной-домкратом). Метод требует применения громоздкого и дорогостоящего оборудования и большой стройплощадки.
В заранее пробуренное отверстие засыпается подготовленная смесь из гранулометрического заполнителя разных фракций. Трамбуется послойно. Эффект сравним с ж/б сваями, но гораздо дешевле и экологичнее.
Используют при сравнительно небольшой требуемой толщине слоя заданных свойств. Производится трамбовка катками (кулачковыми и гладкими), виброплитами и прочим оборудованием с вибрацией или без. Пылеватые пески трамбуют с водой. Метод оптимален при строительстве аэродромов, дорог и других объектов большой площади. При невозможности применения метода слой слабого грунта извлекают и заменяют на более прочный.
Суть сводится к приданию грунту желаемых свойств за счёт добавления в его состав цемента.
Применяют специальный шнековый бур с полой штангой, имеющей отверстия по длине. Через них подаётся цементный раствор одновременно с работой шнека, и происходит его перемешивание с грунтом. Метод сравнительно дешёвый и проверенный. Применяется в основном во влажных грунтах.
Отдельно стоит отметить современный подход к классике: струйную цементацию. Цементный раствор подаётся по трубе под очень высоким давлением, одновременно пробивая место для инъекции и смешиваясь с грунтом. Требует применения специальной техники.
Механическая и струйная цементация вполне применимы для усиления грунтов, на которых уже стоят здания, даже в стеснённых условиях. Для этого используют компактные установки для инъекций (так называемые джет-сваи). Их можно вводить как вертикально, так и под углом. Работы проводятся быстро, относительно бесшумно и подходят для городских улиц.
При строительстве сплошных покрытий применяют комбинированные методы укрепления грунтов. Из-за своей протяжённости по местности такие объекты могут охватывать значительные территории, и, соответственно, различный состав основания. Приведённые ниже способы всегда используют в сочетании с механическим укреплением.
Изменение свойств при помощи добавления гранулометрического или иного заполнителя. В зависимости от состояния грунта для его стабилизации применяют разные природные материалы: щебень, гравий, песок, глину, суглинки. Метод сравнительно дешёвый и экологичный, не требует химических компонентов. Перемешивание происходит в специальном шнековом бункере.
Известкование — метод, известный с давних времён. Уменьшает пластичность и липкость глинистых грунтов, делает их более стойкими к размоканию. Из недостатков — низкая морозостойкость. Используют при подготовке основных (нижних) слоёв дорог.
По принципу не отличается от описанных выше. В качестве добавки используют различные смолы, битумы, дёгти твёрдые и жидкие эмульсии. Эффект и область применения также примерно совпадают. Из особенностей стоит отметить высокую стоимость органического материала (или его синтетического заменителя) и агрессивность этих компонентов по отношению к природной среде. Поэтому данный метод сегодня практически не применяют.
Из трёх описанных технологий на практике самостоятельно можно применить первые два. Легкодоступные и относительно недорогие компоненты и элементарная технология перемешивания делают их востребованными и сегодня. Вполне реально укрепить участок грунтовой дороги или придворовую территорию при помощи обычного мотокультиватора .
Одним из основных факторов слабости грунтов является наличие в их составе воды. Удаление влаги из них приводит к значительному уплотнению и устранению текучести.
Эффективно для грунтов с содержанием глины. В пробуренную скважину погружается перфорированная труба из жаропрочной стали. Затем по ней подаются разогретые газы (горячий воздух). Лишняя влага испаряется, а в глине происходит эффект запекания. Особенность данного метода: для разогрева газов можно использовать местное топливо: уголь, дрова.
Самый распространённый из них — силикатирование (силикатизация). Очень «широкий» метод, заключается в добавлении в состав грунта жидкого стекла и его растворов. Его нагнетают по заранее проложенным трубам, которые затем извлекают. В результате такой подготовки грунт окаменевает. Недостатки — всё та же низкая морозостойкость, быстрое твердение материала, ограниченная область применения. В зависимости от состава самого грунта, подбирают и химреагенты раствора для работы.
В этом случае используют явление электроосмоса. Происходит движение воды от «плюса» к «минусу». Эффективен для обезвоживания грунтов.
Схема установки для обезвоживания грунтов методом электроосмоса: 1 — скважина с вставленным в неё металлическим фильтром; 2 — глубинный насос; 3 — генератор постоянного тока; 4 — металлический стержень
Применение электроосмоса с добавлением химрастворов в заранее просчитанные области поля. Это делается для облегчения прохода воды сквозь слои и придания движению нужного направления. Энергоёмкий процесс, требующий значительных затрат элекроэнергии.
При достаточном уровне знаний и наличии необходимых элементов, электроосмос возможно собрать в домашних условиях. Подробные инструкции по сборке содержатся в технических справочниках. Электроосмос также применяют в качестве постоянного водоотвода фундаментов.
При устройстве откосов, оформлении берегов и создании ландшафтов часто используют современный метод: армирование полимерными конструктивными элементами. Он эффективен как на ровных горизонтальных поверхностях (дороги, пешеходные дорожки), так и при наличии наклона.
Как правило, это трёхмерная конструкция, состоящая из полимерных перфорированных лент. Очень прочная сотовая конструкция позволяет удерживать движение во всех плоскостях. В соты просто засыпается любой мелкий заполнитель или местный грунт. Не требует трамбовки, уплотнение производится проливом воды. Толщина слоя 10-25 см.
Применяют при устройстве многослойных подготовок. Это многослойное полимерное полотно, по сути дела, высокопрочный фильтр. Он пропускает воду, но не позволяет слоям смешиваться. В то же время, обладая изрядной прочностью, он распределяет нагрузку между слоями. Область применения геотекстиля : дорожное строительство, сельское и городское хозяйство.
Воспринимает растягивающие нагрузки. В грунтах применяется редко, используется в качестве арматуры тонкого слоя и в сочетании с другими полимерными материалами.
Декоративный способ укрепления откосов от осыпания (крутизна не более 1:1,5). Траву высевают на уплотнённые механическим способом незатапливаемые откосы. Предотвращает размывы и эрозию.
На приусадебном участке армировочным элементам цены нет. С их помощью становится возможным создание самых фантастических ландшафтных конструкций. Они также позволяют создавать (привозные) плодородные слои для растений.
В ходе реконструкции или строительства зданий и сооружений может возникнуть проблема недостаточно . Слабое грунтовое основание может не выдержать нагрузки от тяжелой постройки, поскольку оно принимает на себя весь вес.
Все грунты можно условно разделить на стабильные и нестабильные. Стабильные грунты представляют собой плотный сухой слой, способный выдержать любые нагрузки от фундамента или дороги. Нестабильный грунт требует осушения и уплотнения до необходимых критериев.
Механический метод укрепления грунта подразумевает внедрение в основание высокопрочных изделий, таких как сваи или другие материалы (щебень), а также уплотнение с помощью утрамбовки или вибрирования.
Смысл такого метода заключается в том, что прочная свая проходит через слой нестабильного грунта и упирается в плотный слой. Таким образом, нагрузка передается вертикально по свае. Она же удерживается за счет трения самого грунта о свою поверхность. Данный метод требует наличия дорогостоящего и громоздкого оборудования и достаточно большой строительной площадки.
Сваи могут быть:
Для создания грунтовых свай бурят отверстие, в которое засыпается смесь из гранулометрического заполнителя разной фракции. Сваи трамбуются послойно и считаются наиболее дешевыми и экологичными по сравнению с обычными железобетонными.
Такие методы используют при небольшой толщине слоя с заданными свойствами. Утрамбовку производят катком (гладким или кулачковым), виброплитами или другим оборудованием с вибрацией. Все пылеватые грунты с песком трамбуют с применением воды. Такой метод наиболее оптимален для строительства дорог, аэродромов и прочих объектов с большой площадью. Если же данный метод по каким-то причинам применить невозможно, то строители извлекают слой слабого грунта и меняют его на прочный.
Суть метода сводится к приданию грунту определенных свойств за счет добавления цемента в структуру.
Цементация представляет собой перемешивание грунта с раствором цемента. Для этого применяется шнековый бур с пустой штангой (отверстием по всей длине). Во время работы шнека через отверстие подается цемент, который перемешивается с грунтом. Такой метод недорогой и эффективный, поэтому его часто применяют во влажных грунтах.
При струйной цементации раствор подается по трубке под высоким давлением. Таким образом, одновременно пробивается место для «инъекции», а раствор смешивается с грунтом. Для реализации этого способа необходима специфическая строительная техника.
Струйная и механическая цементация подходит для усиленных грунтов, на которых уже построены здания. Для работы в стесненных условиях строители используют компактные установки для цементных инъекций («джет-сваи»), которые можно вводить вертикально и под углом. Все работы происходят в ускоренном темпе и относительно бесшумно.
При обустройстве дороги используют комбинированные способы укрепления грунта под полотно, поскольку на протяжении дорожной линии он обладает разными свойствами. Чаще всего дорожные строители используют механический метод укрепления и утрамбовки поверхности.
При помощи добавления гранул в грунт можно изменить его свойства. Гранулометрический или другой наполнитель значительно повышает прочность основания. В зависимости от состояния грунта для стабилизации добавляют природные материалы: песок, щебень, глину, гравий и суглинок. Такой метод недорогой и экологичный, поскольку для повышения плотности не нужны химические компоненты. Процесс перемешивания грунта происходит в шнековом бункере.
Самый известный способ – это известкование. Оно уменьшает липкость и пластичность глинистого грунта и делает его более устойчивым к размоканию. Но у метода есть существенный недостаток – небольшая морозостойкость. Как правило, известкование грунта используют при подготовке нижнего слоя подушки.
Этот метод мало отличается от известкования, но здесь в качестве добавки используют смолу, битум, деготь или жидкую эмульсию. Эффект от использования вяжущих компонентов схож с предыдущим методом. Но материалы для такого уплотнения будут стоить существенно дороже. К тому же, они проявляют агрессивное воздействие на окружающую среду. По этой причине данный метод практически не используется. Строители предпочитают недорогие и проверенные способы уплотнения грунта. Иногда для повышения прочности достаточно укрепить участок дороги при помощи обычного мотокультиватора.
Одним из основных факторов слабого грунта может быть высокая влажность и наличие воды в составе. Если удалить лишнюю влагу, грунтовое основание станет более плотным.
Такой метод очень эффективен при работе с глинистым грунтом. В заранее пробуренную скважину погружают перфорированную трубу из огнеупорной стали и в нее подают горячий газ. Лишняя влага полностью испаряется, а сама глина запекается. Особенностью метода можно назвать тот факт, что для разогрева газов используется природное топливо в виде угля или дров.
Самый простой метод – это силикатирование. Он заключается в добавлении жидкого стекла в грунт с помощью раствора. Раствор нагнетают в заранее пробуренную скважину по трубам, которые потом извлекают. После такой подготовки грунт окаменевает. Но недостатком такого метода является низкая морозоустойчивость, быстрое затвердение материала и достаточно ограниченная область применения. Причем, в зависимости от состава грунта требуется определенный раствор химических реагентов для силикатирования.
Для укрепления используют электроосмос, в котором движение воды происходит от «плюса» к «минусу». Этот метод подходит для обезвоживания влажного грунта.
Данный метод основан на добавлении в грунт химических растворов в определенных точках. Это энергоемкий процесс, нуждающийся в больших затратах электроэнергии. При хорошем уровне знаний дорожных специалистов электрохимический способ (с применением осмоса) можно использовать для постоянного отведения воды от фундамента.
При создании откосов или оформлении берегов при ландшафтном дизайне используется армирование полимерными конструкциями. Армирование одинаково эффективно на ровных или наклонных поверхностях дороги.
Решетка для укрепления грунта представляет собой трехмерную конструкцию из перфорированных лент. Она придает хорошую прочность и удерживает грунт во всех плоскостях. Для этого в соты решетки засыпают мелкий наполнитель или обыкновенный грунт. Для утрамбовки его проливают водой. Толщина армированного слоя грунта обычно колеблется в пределах 10-25 см.
Метод используют для многослойной подготовки грунтового основания. из прочного материала пропускает воду, но не позволяет другим слоям перемешиваться между собой. Таким образом он распределяет нагрузку между слоями.
С помощью можно растянуть нагрузку на грунтовое основание. Сетку применяют довольно редко в качестве арматуры тонкого слоя и при сочетании с другими материалами.
Метод декоративного укрепления откосов с помощью засева склонов травой очень эффективен при крутизне не более 1 к 1,5 м. При засеве грунт уплотняют механическим способом на не затапливаемых откосах. Выросшая трава хорошо предотвращает процесс эрозии и размывания почвы.
На приусадебных участках часто используют сочетание армированной технологии с засевом травой. С помощью сетки создаются интересные и оригинальные конструкции, в которые утрамбовывается грунт с семенами. Таким образом, можно создать невероятные ландшафтные формы и сохранить природную чистоту грунта.
Укрепление грунтов цементом обычно применяют при строительстве дорог в III-V дорожно-климатических зонах. Во II зоне укрепляют крупнообломочные грунты, пески, супески и легкие суглинки, а при укреплении тяжелосуглинистых грунтов следует вводить специальные активные добавки. До начала производства работ земляное полотно должно быть тщательно спланировано по проектным отметкам и хорошо уплотнено при оптимальной влажности. Недопустима укладка слоя укрепленного грунта на переувлажненное земляное полотно. Для получения конструктивных слоев дорожной одежды необходимого качества нужно обеспечить точное дозирование цемента, тонкое размельчение агрегатов и микроагрегатов грунта и равномерное распределение в нем цемента, оптимальное и равномерное увлажнение смеси в случае недостаточной влажности грунта, хорошее уплотнение смеси и, наконец, обеспечение соответствующего влажностного и температурного режима при твердении цементогрунтовой смеси.
Гравийные, щебеночные и шлаковые основания и покрытия, устраиваемые без применения вяжущих материалов, могут быть построены из местных материалов с использованием простой технологии и с помощью средств механизации для выполнения всех технологических операций. Основные недостатки этих оснований и покрытий - большая пылимость, недостаточная связность и сравнительно быстрый и неравномерный износ. Поэтому их чаще всего используют в качестве оснований под цементо- и асфальтобетонные покрытия или укрепляют вяжущими материалами, что почти устраняет указанные недостатки. В ряде случаев гравийные и щебеночные покрытия могут быть построены для временной эксплуатации с последующим использованием в качестве основания под капитальные тины покрытий. Их также применяют на сопряжениях ИВПП с концевыми и боковыми полосами безопасности и на старто-финишных площадках грунтовых аэродромов.
Технология способа пропитки заключается в последовательной россыпи и уплотнении рыхлых минеральных материалов нескольких фракций и поливке их органическими вяжущими материалами. Монолитность и прочность пропитанного слоя обеспечиваются заклинкой частиц минерального материала и их сцеплением за счет вяжущих свойств битумов (дегтей) или эмульсий.
В зависимости от толщины обрабатываемого слоя различают два вида пропитки:
Глубокую - 6...8 см;
Облегченную (полупропитку) - 4...6 см.
По способу пропитки устраивают покрытия для дорог с интенсивностью движения до 2000 авт/сут или же основания для усовершенствованных капитальных покрытий с интенсивностью движения более 2000 авт/сут. Основными преимуществами таких покрытий являются высокая прочность почти равная асфальтобетону, отсутствие трещин, возможность широкой механизации. К недостаткам пропитки следует отнести повышенный расход вяжущего по сравнению с другими способами обработки минерального материала вяжущими, неполное обволакивание минеральных частиц вяжущим и требуется щебень из прочных каменных материалов (1...3 классов прочности).
Покрытия по способу глубокой пропитки устраивают с применением трех или четырех фракций щебня в зависимости от толщины слоя и размера щебня в первой россыпи. Для облегченной пропитки применяют щебень двух или трех фракций. Максимальный размер щебня в первой россыпи не должен превышать 0,85 толщины конструктивного слоя.
В качестве вяжущего для пропитки применяют вязкие битумы БНД 90/130, деготь Д-7. При использовании щебня из мягких пород вязкость вяжущих можно несколько понизить.
Россыпь щебня производят щебнераспределителем (табл.8 .2.7). В процессе укатки нужно следить, чтобы края щебня не обламывались, поскольку мелочь закупоривает поры и препятствует проникновению в глубь вяжущего. При применении щебня из мягких пород в качестве вяжущего лучше применять битумную эмульсию. Суммарный расход вяжущего примерно равен 1,0...1,2 л/м 2 на 1 см толщины. Розлив вяжущего осуществляют автогудронаторами (табл. 8.4.2). Для хорошего проникновения в слой щебня вязкого битума его нагревают до рабочей температуры 80...170°С. Эмульсии разливают без подогрева.
Вслучае нарушения технологии выполнения работ или несоблюдения требований, предъявляемых и исходным материалам в процессе строительства, выявляются дефекты:
1. Избыток вяжущего (покрытие деформируется в жаркую погоду), на нем образуются наплывы, волны, просадки. Такие участки исправляют россыпью дополнительного слоя каменной мелочи с последующим уплотнением. При значительном избытке вяжущего рекомендуется полная замена.
2. Недостаток вяжущего (сухие места). Исправляют дополнительным розливом вяжущего. После розлива распределяют щебень фракции 15...20 мм из расчета 1 м 3 на 100 м 2 . Далее щебень разметают метлами и производят уплотнение.
Уплотнение считают законченным, когда поверхность станет ровной и под вальцом катка не будет заметно движение щебенок.
При сухой и теплой погоде формирование покрытия заканчивается через 3...4 недели. В начале эксплуатации за покрытием организуют усиленный уход, включающий:
Регулирование движения по ширине проезжей части и ограничение его скорости;
Наметание каменной мелочи, разбрасываемой автомобилями при движении;
Присыпку каменной мелочью участков с избытком вяжущего;
Ремонт отдельных мест, разрушающихся под движением.
В процессе формирования покрытия могут появиться выбоины, волны, недостаточная плотность, отслаивание тонких верхних слоев, потение покрытия.
Выбоины образуются в местах, пропущенных при розливе вяжущего. Исправления производят ямочным ремонтом.
Волны образуются от избытка вяжущего. Отдельные волны исправляются ямочным ремонтом. При сплошной волнистости материал следует вскирковать и удалить с дороги для устройства покрытия смешением на дороге. После удаления материала покрытие устраивают заново.
Недостаточная плотность покрытия бывает причиной его замедленного просыхания после дождя. На общей сухой поверхности сохраняются темные пятна, полосы. Для исправления необходимо убрать часть покрытия (каменную мелочь), сделать розлив вяжущего 1 л на 1 м 2 , распределить чистую каменную мелочь и уплотнить.
Отслаивание тонких верхних слоев происходит в результате розлива вяжущего на влажный или загрязненный щебень основной россыпи, а также при плохом распределении щебня при второй или третьей россыпи, когда не происходит заклинка. Для исправления удаляют отслаивающий слой, просушивают и очищают основной слой щебня и заново делают вторую и третью россыпь с поливкой битума и уплотнением.
Потение покрытия происходит в жаркую погоду из-за избытка вяжущего или низкой теплоустойчивости битума. Исправление осуществляют россыпью каменной мелочи с минеральным порошком или цементом.
После исправления всех дефектов покрытие подвергают одиночной поверхностной обработке.
В районах дорожного строительства, где нет каменных материалов, возникает необходимость в перевозках их за сотни километров, что увеличивает первоначальную стоимость этих материалов примерно в 4-6 раз и является причиной удорожания строительства. Поэтому весьма актуальна разработка методов укрепления грунтов вяжущими веществами.
Укрепление грунтов - это совокупность строительных операций по внесению вяжущих и других веществ, обеспечивающих существенное изменение свойств грунтов с приданием им требуемой прочности, деформативности, водо- и морозостойкости.
Основным исходным материалом, подвергаемым укреплению при строительстве автомобильных дорог путем смешения с различными вяжущими, являются грунты без жестких связей между частицами: крупнообломочные (содержащие частицы размером крупнее 2 мм более 60% по массе); песчаные, сыпучие в сухом состоянии (содержащие частицы крупнее 2 мм менее 50% по массе); глинистые, характеризующиеся связностью в сухом и пластичностью во влажном состоянии и числом пластичности более 1.
Крупнообломочные грунты, гравелистые, крупные и средние пески используют не только для укрепления, но и в качестве скелетных гранулометрических добавок в глинистых грунтах. Максимальный размер частиц крупнообломочных грунтов должен быть не более 25 мм.
Укрепление грунтов добавками вяжущих материалов и других веществ дает положительный результат лишь при выполнении следующих требований: размельчение (в случае обработки супесей, суглинков или глин); равномерное распределение вяжущего материала в грунте с точным соблюдением установленной добавки цемента, битума, синтетических смол и других веществ; равномерное увлажнение грунта до необходимой (оптимальной) влажности и уплотнение обработанного грунта до наибольшей плотности.
В результате названных взаимодействий укрепленный грунт должен приобретать требуемые прочность, монолитность и морозостойкость и сохранять их длительное время.
Наибольшее распространение в практике дорожного строительства получили методы укрепления грунтов неорганическими и органическими вяжущими.
Кроме обычных способов укрепления грунтов неорганическими и органическими вяжущими, применяют комплексные методы, когда на грунт воздействуют добавками двух вяжущих материалов с различными свойствами и оптимальным их сочетанием или добавками одного вяжущего и поверхностно-активных веществ.
Главной особенностью комплексных методов является то, что они при правильном выборе материалов и оптимальном сочетании их дозировок позволяют изменять в положительную сторону физико-химическую и химическую активность грунта, увеличивать адгезию вяжущих материалов, ускорять формирование более прочной и монолитной структуры укрепленного грунта.
Для укрепления грунтов используют неорганические вяжущие вещества: цементы, известь, активные тонкодисперсные золы уноса, молотые гранулированные шлаки. Применяют также органические вяжжущие вещества: битумные эмульсии, жидкие медленно-или среднегустеющие битумы, жидкие каменноугольные дегти.
Особенно большой эффект дает укрепление грунтов портландцементом.
Грунт, укрепленный цементом, принято называть цементогрунт, а битумами – битумогрунтом..
Цементогрунты обладают высокой прочностью после водонасыщения или многократного замораживания-оттаивания
Показатели свойств, при укреплении грунтов портландцементом или шлакопортландцементом определяются для образцов, твердевших 28 сут., тогда как, укрепленных золой уноса, золой уноса с добавками цемента или извести, из-вестково-зольным или известково-шлаковым цементом или известью - твердевших 90 сут.
Грунты, укрепленные жидкими медленногустеющими битумами, характеризуются длительным формированием структуры и относительно низкими показателями прочности, водо- и морозостойкости, а также сдвиго- и теплостойкости, большой зависимостью свойств от погодных условий и влажности грунтов. Более высокими показателями свойств обладают грунты, укреплённые вязкими эмульгированными битумами (эмульсиями). В этом случае становится возможным применение влажных грунтов без подогрева при температуре воздуха до 5 °С, создавать прочные водо- и теплостойкие даже дорожные покрытия.
Под комплексным укреплением грунтов подразумевают совместную их обработку органическими и неорганическими вяжущими, вяжущими и поверхностно-активными веществами, что позволяет придать получаемому материалу более высокие показатели прочности, морозостойкости, тепло- и водостойкости, расширить номенклатуру укрепляемых грунтов и область их применения в дорожном строительстве, чем без добавок.
При предварительной обработке грунта известью или цементом и соответствующей добавке воды активно протекают физико-химические реакции, в результате этого образуются прочные и стойкие микроагрегаты грунта. При этом создается щелочная среда (рН = 10-12), обуславливающая создание благоприятных условий для взаимодействия на границе раздела микроагрегат - битум. Поэтому силы адгезии в зоне контакта битумной пленки с частицами или микроагрегатами грунта в указанных условиях проявляются в максимальной степени. Установлено, что с увеличением содержания глинистых частиц в грунтах эффективность добавки извести повышается.
Комплексный метод укрепления позволяет получать материал, обладающий высокой деформативностью, прочностью и морозостойкостью.
В последние годы перед дорожной отраслью РФ остро стоят задачи, направленные на дальнейшее развитие сети федеральных, региональных и сельскохозяйственных дорог, которые должны привести к ускорению роста экономики страны, улучшению качества жизни населения, увеличению их мобильности, снижению транспортных издержек. Необходимо более активно внедрять лучшие мировые и отечественные инновационные решения. При этом особенно актуально использовать такие технологии, которые позволяют решить проблемы уменьшения стоимости и сокращения сроков строительства дорог при одновременном повышении их надежности и обеспечении всесезонности эксплуатации.
Одним из таких направлений, позволяющим успешно решать стоящие перед страной инфраструктурные задачи, является технология стабилизации и укрепления грунтов, которая находит все более широкое распространение в мире. Для этих целей используется достаточно большая группа поверхностно-активных веществ (ПАВ) – стабилизаторов грунтов на органической, щелочной и кислотной основе, смолы, полимерные стабилизаторы грунтов.
Калужская область, 2011 год: а)исходное состояние объекта; б) после двух лет эксплуатации дороги
Сотрудники отдела инновационных технологий и материалов провели всесторонние исследования химического состава стабилизаторов, выпускаемых компанией Enviroseal Corporation (США), и сделали подбор компонентов из отечественного сырья для создания новых дорожно-строительных материалов для дальнейшего промышленного производства на территории России.
Результатом научно-исследовательской работы совместно со специалистами ОАО «СоюздорНИИ» и ЦННИИ № 26 МО РФявляется создание линейки отечественных стабилизаторов грунтов под рабочим названием «Парагон», которые полностью адаптированы и успешно используются в России, что нашло свое отражение в соответствующих сертификатах, технических условиях и стандартах организации на их применение. В основе этих материалов используются химические компоненты, которые являются абсолютно безопасными для здоровья людей и окружающей среды. Лабораторные тестирования и полевые испытания данных материалов показали, что они не уступают по своим свойствам лучшим заграничным аналогам и позволяют получать из местных грунтов высококачественные строительные материалы для эффективного решения задач, стоящих перед отечественной дорожной отраслью. Был проделан большой объем работ и всесторонних испытаний с различными типами грунтов по исследованию их физико-механических свойств, обработанных этими стабилизаторами как отдельно, так и совместно с другими добавками (цемент, известь, золы уноса). Данные исследования позволили разработать технические условия (СТО) использования этих материалов применительно к технологии стабилизации и укрепления грунтов, согласно требованиям действующих в нашей стране нормативно-технических регламентов.
Ремонт дороги по технологии «холодный ресайклинг»
Как показали исследования, стабилизаторы грунтов линейки «Парагон» обладают всеми достоинствами, имеющимся у исходных стабилизаторов, но, в отличие от американских аналогов, они полностью адаптированы к местным экстремальным климатическим условиям.
Стабилизаторы грунтов «Парагон» являются продуктами нового поколения и производятся на территории России. Они выгодно отличаются от вышеперечисленных конкурентных стабилизаторов грунта не только по соотношению цены и качества, но и своей технологичностью, безопасностью для окружающей среды и людей, возможностью эффективного применения со всеми типами грунтов. Использование дорожно-строительных технологий «Парагон» при стабилизации и укреплении грунтов в процессе строительства и ремонта дорог и других объектов транспортной инфраструктуры позволяет успешно устранить основную причину разрушения дорожного покрытия – слабые грунты в конструктивных слоях дорожной одежды.
Линейка стабилизаторов грунтов «Парагон» включает в себя два базовых продукта – полимерный стабилизатор глинистых грунтов «Парагон LВS» и полимерный стабилизатор «Парагон М10+50».
Результаты исследования полимерного стабилизатора грунтов «Парагон М10+50» показали, что укрепление супесчаного грунта составом на основе этого стабилизатора и цемента (от 6 до 10 %) позволяет достигать увеличения показателя прочности на растяжение при изгибе на 36,3–40,8 %, снижения коэффициента жесткости на 27,5–36,5 %, снижения расхода цемента в расчете на единицу достигнутой прочности на растяжение при изгибе на 26,7–33,6 %, а также обеспечивает повышение показателей морозостойкости в сравнении с супесью, укрепленной только цементом (рис. 1).
В то же время сопротивление укрепленного грунта сдвигу увеличивается в несколько раз, что делает его идеальным для строительства временных взлетно-посадочных полос и автомобильных дорог как при устройстве основания, так и в качестве покрытия. Таким образом, можно сделать вывод, что полимерный стабилизатор грунтов «Парагон М10+50» очень хорошо работает как однокомпонентно так и совместно с минеральными вяжущими (цементом, известью, золой уноса) , позволяя получить в результате обработки грунтов композиции с улучшенными физико-механическими показателями. Данное сочетание добавок, вносимых в обрабатываемую грунтовую смесь, позволяет получать композиции с улучшенными показателями по прочности и упругому прогибу.
Это наиболее актуально при выполнении дорожно-ремонтных работ по технологии «холодного ресайклинга» при устройстве верхнего слоя основания дорожной одежды или нижнего слоя покрытия. Результаты такого укрепления грунта значительно превосходят применяемые обычно для этой технологии битумные эмульсии или цементы.
Некоторые из существующих конкурентных стабилизаторов грунта уступают полимерному стабилизатору грунтов «Парагон М10+50» по соотношению цены и качества, другие – по морозостойкости. Очень важным моментом является то, что, в отличие от большинства конкурентных материалов, «Парагон М10+50» в самом ближайшем будущем будет продуктом, производящимся на территории России из отечественных химических компонентов, что существенно повлияет на его стоимость и сроки поставки потребителям.
Необходимо отметить, что сегодня в России имеется достаточная, но требующая доработки действующая нормативно-техническая база, которая позволяет применять технологию комплексной стабилизации и технологию комплексного укрепления грунтов для решения широкого спектра инженерных задач и использовать укрепленные местные грунты при разработке конструкций дорожных одежд различных технических категорий. В первую очередь речь идет о таких документах, как:
Конструкцию дорожной одежды и тип покрытия принимают исходя из транспортно-эксплуатационных характеристик и категории проектируемой дороги с учетом интенсивности и состава движения, климатических условий, санитарно-гигиенических рекомендаций, а также обеспеченности района строительства дороги местными строительными материалами
В случае применения в конструктивных слоях дорожных одежд укрепленных грунтов с использованием в оптимальных пропорциях улучшающих грунтовую смесь добавок необходимо принимать во внимание, что:
При этом, в зависимости от расположения слоя укрепленного грунта в конструкции дорожной одежды, определяют величину таких физико-механических показателей грунтовой смеси, как сопротивление сжатию и растяжению, модуль упругости, морозостойкость и водостойкость. Расходы добавок в грунтовую смесь для каждого конструктивного слоя подбирают таким образом, чтобы полученные в результате показатели комплексно укрепленных грунтов удовлетворяли требованиям действующих нормативно-технических регламентов. Было установлено и подтверждено многолетними исследованиями в лабораторных и производственных условиях, что при укреплении грунтов двумя вяжущими материалами, характеризующимися весьма различными, но не антагонистическими свойствами и различной структурой (например, кристаллизационной, свойственной цементам, и коагуляционной, свойственной битумам и полимерным композициям), они приобретают повышенные сдвигоустойчивость, морозо-, температуростойкость и при необходимости могут быть менее жесткими и деформативными материалами. Методы, сочетающие при укреплении грунтов внесение добавок двух вяжущих веществ или одного вяжущего и поверхностно-активного вещества гидрофобного типа (ПАВ-стабилизатор грунтов), получили название комплексных методов (технология комплексного укрепления грунтов). В процессе изучения преимуществ, заложенных в комплексных методах укрепления грунтов, было установлено, что при этом формируются ранее неизвестные типы сложных пространственных структур совмещенного типа. Характерной особенностью данных структур является то, что при правильном технологическом процессе в микрообъемах укрепленного грунта формируются два типа пространственных бинарных структур, характеризующихся разными свойствами, дополняющими друг друга и компенсирующими недостатки укрепленного грунта каждой из моноструктур. Такие бинарные (совмещенные) структуры являются взаимопроникающими.
Применение в качестве химических добавок специально разработанных для таких случаев композиций полимерных стабилизаторов грунтов в цементогрунтовых смесях создает дополнительные возможности для строительства дорожных одежд с монолитными морозостойкими водонепроницаемыми основаниями. При добавке в грунтовые смеси полимерных стабилизаторов грунтов, вступающих в химическую реакцию с цементом, укрепленные грунты приобретают улучшенные свойства (прочность, эластичность, водостойкость, морозостойкость, технологичность) и позволяют исключить основные недостатки цементогрунтов, такие как образование температурных и усадочных трещин с передачей (отражением) их в слои покрытия. Многолетние исследования в различных странах мира показывают, что показатели прочности грунтовых смесей, обработанных полимерными стабилизаторами грунтов, значительно улучшаются при добавлении неорганических вяжущих (цемента), а добавление в грунтовую смесь полимерного стабилизатора приводит к улучшению деформационных характеристик укрепленных грунтов (цементогрунтов). Кроме того, улучшенные полимерными добавками свойства укрепленных грунтов позволяют применить принципы унификации конструкций, что обеспечивает минимум конструктивных слоев, технологических операций, времени и оборудования для их строительства. Принципы унификации конструкций с применением комплексно укрепленных грунтов позволяют предусмотреть все разнообразие влияний природно-климатических факторов, исключить часть таких влияний и свести перечень решаемых при конструировании задач к двум основным:
Такой подход к проектированию во многих случаях снижает необходимость применения сложных многослойных конструкций, а также специальных узкофункциональных слоев (дренирующих, прерывающих прослоек, морозозащитных, теплоизолирующих и т. п.). Количество, толщина слоев и их сочетание зависят от решаемой инженерной задачи и определяются расчетом и технико-экономическим обоснованием дорожной конструкции.
Для строительства дорог с использованием технологии комплексного укрепления грунтов методом смешения местных грунтов и добавок на месте производства работ применяется специальный отряд дорожно-строительной техники. Как правило, в него входят грейдер, автоцистерна (поливомоечная машина) для доставки воды, каток от 15 т, распределитель вяжущих, погрузчик, а также грунтосмесительное дорожно-строительное оборудование, обеспечивающее требуемую точность дозировки вносимых в грунт компонентов и однородность укрепляемой грунтовой смеси. К такому грунтосмесительному оборудованию относятся грунтовые фрезы, ресайклеры и передвижные грунтосмесительные установки. Эта современная высокоэффективная техника позволяет значительно улучшить качество работ по укреплению (комплексному укреплению) грунтов, а также сократить сроки выполнения работ. В настоящее время такую специальную дорожно-строительную технику выпускает ряд ведущих зарубежных изготовителей, таких как: Caterpillar (США), Terex США), Roadtec (США), Sakai, Niigata и Komatsu (Япония), Bomag и Wirtgen (Германия), Bitelli и FAE (Италия), XCMG XLZ250K и WR2300E (Китай). Машины Caterpillar, Bomag и Bitelli построены по одной схеме.
При использовании в строительстве или ремонте дорог высокопроизводительной техники, такой как самоходные ресайклеры (Catarpiller, Bomag, Wirtgen и т.д.) или навесные грунтовые фрезы, такие как Stehr или FAE, в течение рабочей смены может производиться устройство от 2000 до 4000 м² конструктивного слоя укрепленного грунта. Основным рабочим органом ресайклеров, где происходит смешение грунтовой смеси с добавками, является фреза с цилиндрическими резцами (рис. 2). Количество вводимого в обрабатываемый грунт раствора стабилизатора грунтов и других жидких вяжущих точно дозируется насосом, который управляется микропроцессорной системой, что обеспечивает требуемые физико-механические параметры получаемого в результате укрепленного грунта. В случае применения совместно со стабилизатором грунтов порошкообразных вяжущих добавок, таких как цемент или известь, они равномерно распределяются по поверхности перед началом фрезерования специальными распределителями и затем тщательно смешиваются с грунтом и другими добавками посредством ресайклера.
Компания Wirtgen выпускала ресайклеры моделей 1000 CR, 2100 DСR, СR 4500, WR 2500, а также установку WМ 400 (в настоящее время выпускается и модель WM 1000) для приготовления цементно-водной суспензии и работы в комплекте с WR 2500. Модель WR 2500 фирма относит к самым совершенным ресайклерам, позволяющим использовать новейшие технологии в широком спектре работ – от укрепления слабых грунтов до восстановления асфальтобетонных покрытий (холодный ресайклинг).
Необходимо отметить, что в настоящее время в России отсутствует производство дорожно-строительной грунтосмесительной техники такого уровня. В связи с актуальностью внедрения технологий укрепления грунтов в дорожной отрасли производителям дорожно-строительной техники необходимо как можно быстрее обратить свое внимание на изготовление отечественного высококачественного грунтосмесительного оборудования.
Комплектование отряда дорожно-строительной техники (рис. 3) для работ по укреплению грунтов обосновывают в проектах производства работ (ППР) и проектах организации строительства (ПОС) в соответствии со СНиП 12-01-2004.
Работам по укреплению грунтов должны предшествовать мероприятия по устройству системы водоотвода (канав, кюветов, водоотводных труб).
Расчет параметров технологического процесса производят на участке выполнения работ, включающих в себя определение длины захватки (участок строящейся дороги с повторяющимися производственными процессами, составом и объемом работ, на котором расположены основные производственные средства, выполняющие одну или несколько совмещенных по времени рабочих операций специализированного потока).
Можно с уверенностью сказать, что технология стабилизации и укрепления грунтов является идеальным решением для создания современной транспортной инфраструктуры в нашей стране, позволяющим не только обеспечить необходимую несущую способность оснований дорожных одежд, но и в большинстве случаев минимизировать затраты, сроки выполнения работ и потребность в инертных материалах.
