Большая часть г. Барнаула стоит на так называемых лессовых грунтах. Чтобы не вдаваться в тонкости, можно сказать, что - это “коварные” грунты. Обычно довольно прочные, но в условиях водонасыщенного состояния, под воздействием внешней нагрузки, они резко снижают свою прочность, возникает просадка и здание оказывается в аварийном состоянии. В таких условиях основным вариантом фундаментов при строительстве зданий и сооружений является свайный. Длина свай зависит от мощности просадочной толщи грунтового основания и достигает в некоторых случаях 12-15 метров. Стоимость свайного фундамента составляет 15-20% от общей сметной стоимости здания.

Перспективным для устранения просадочных свойств и повышения прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов является их уплотнение. Одним из простейших и экономичных методов уплотнения является поверхностное уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками.

В нашей стране для уплотнения просадочных грунтов применяют трамбовки массой 5-7 т и диаметром 1,5-2 м. Мощность уплотненной зоны составляет 1,5-2,5 м, что не всегда удовлетворяет требованиям расчета по деформациям. Для получения большей глубины уплотнения при существующей методике трамбования необходимо использовать трамбовки массой 15-25 т и диаметром 2,5-3 м, что соответственно потребует применения более грузоподъемных кранов, экскаваторов или других установок. Однако в настоящее время такие трамбовки применяются довольно редко.

Более экономичный и доступный способ повышения эффективности поверхностного уплотнения грунтов заключается в разработке новых технологий уплотнения и конструкций трамбовок. Это позволит при прочих равных условиях увеличить мощность уплотненной зоны.

На базе кафедры “Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия” (ОФИГиГ) Алтайского государственного технического университета при тесном сотрудничестве с ЗАО “Управление механизации № 8” и ОАО “СтройГАЗ” в течение нескольких лет проводились экспериментальные исследования по отработке методики уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса. Для этого в 2001-ом квартале г. Барнаула было выбрано несколько опытных площадок. В геологическом отношении площадки сложены суглинками твердыми, первого типа по просадочности, с толщей 6-8 метров, с наиболее характерными свойствами грунтов юга Западной Сибири. Глубже по разрезу - крупные и средней крупности пески. Грунтовые воды в пределах выработок (скв. до 20 м) не обнаружены. Физико-механические характеристики грунта площадок, осредненные по глубине, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунта экспериментальных площадок

Примечание: W_sat - влажность грунта при полном его водонасыщении

Грунтовое основание опытных площадок уплотнялось трамбовками различной массы (от 3,2 до 7-10 т). Для этого были разработаны и изготовлены трамбовки массой 7 и 10 т. Трамбовка массой 10 т имела большую площадь основания и поэтому удельное статическое давление на грунт обоих трамбовок было одинаковым и равнялось 0,062 МПа. Энергия удара, при высоте сбрасывания трамбовки 6-7 м, составляла 500-700 кДж. Трамбовка сбрасывалась с определенной высоты, двигаясь по направляющему монорельсу, смонтированному на экскаваторе-копре ЭО-1252”Б”. Уплотнение грунта осуществлялось в несколько циклов. После каждого цикла производилось снятие разрыхленного верхнего слоя грунта (2-4 см) бульдозером. Опускание поверхности дна котлована в каждом цикле, в зависимости от степени влажности и плотности сухого грунта, составляет от 25 до 50 см. Общее понижение, после 4-5 циклов трамбования, составляет 1,5 и более метров.

Уплотненные грунтовые основания подвергались испытанию штампом-фундаментом при нагрузках до 0,47 МПа. В ходе эксперимента исследовалось напряженное состояние уплотненного грунтового массива и замерялась осадка штампа. Напряжения определялись при помощи тензорезисторных преобразователей давления ПДП-70/11, установленных под центром штампа через 0,5 м по глубине. Осадка штампа - геодезическими методами. Полученные результаты подробно изложены в ранее опубликованных работах [1, 2, 4]. Изменение физико-механических свойств лессового грунта в результате уплотнения показано в табл. 2.

На основании этих испытаний и была разработана методика устранения просадочных свойств лессовых грунтов трамбовками повышенного веса с созданием уплотненной зоны мощностью 5-6 м [3]. В пределах уплотненной зоны полностью ликвидируются просадочные свойства, создается прочное, устойчивое к водонасыщению грунтовое основание и, кроме того, препятствующее замачиванию нижележащих слоев грунта за счет низкой водопроницаемости.

Разработанная методика была одобрена на заседании расширенного Технического Совета АО “Алтайгражданпроект”, АО “АлтайТИСИЗ” и кафедры ОФИГиГ АлтГТУ 21 марта 1995 года и рекомендована к внедрению на строительных объектах г. Барнаула и Алтайского края.

В качестве экспериментального был выделен 9 этажный, 108 квартирный кирпичный жилой дом в 2003 квартале г. Барнаула, где и были начаты работы по уплотнению грунта трамбовками повышенного веса. Понижение отметки дна котлована по проекту составляет 1,4 м, что позволит ликвидировать просадочные свойства грунта на глубину до 5-6 м.

Таблица 2

Изменение физико-механических свойств лессовых грунтов

в результате уплотнения трамбовками повышенного веса

Примечание: I_p - число пластичности грунта

При экономическом сравнении свайного варианта фундаментов с фундаментами мелкого заложения на уплотненном основании хорошо виден эффект от внедрения метода уплотнения просадочных грунтов трамбовками повышенного веса. Сметная стоимость работ на забивку свай под 9 этажный жилой дом (450 свай) в 3,65 раза больше сметной стоимости на уплотнение грунта трамбовками повышенного веса, и это без учета стоимости материалов (свай). Стоимость материалов при свайном варианте составляет 779,081 млн. рублей в ценах 1997 года. При устройстве уплотненного основания эта цифра естественно отсутствует, так как фундаменты устраиваются без свай, хотя при трамбовании необходим контроль качества уплотненного основания. Проектом предусмотрено отбор образцов грунта производить через метр по глубине на всю мощность просадочной толщи (6-7 метров). Всего запроектировано определить контроль качества уплотнения в 18 точках котлована, примерно через каждые 15 метров. С учетом стоимости материалов (свай) и затратами на проведение контроля качества уплотнения, сметная стоимость при устройстве фундаментов на уплотненном основании снижается в 5,25 раза по сравнению со сметной стоимостью на устройство свайных фундаментов.

Как видно из представленных цифр, в результате применения трамбовок повышенного веса достигается значительный экономический эффект, оцениваемый по экспериментальному 9 этажному жилому дому в 1,093 млрд. рублей в ценах 1997 года. Также снижение трудозатрат и сметной стоимости произойдет за счет сокращения объема земляных работ, т.к. при трамбовании поверхность дна котлована понижается на 1,5 и более метров.

Из проведенных исследований и вышесказанного можно заключить, что разработанная новая технология устройства прочного устойчивого основания из уплотненных лессовых грунтов не только позволяет заменить “традиционные” свайные фундаменты на фундаменты мелкого заложения, но и имеет следующие преимущества: 1) стоимость устройства фундаментов уменьшается в 4-6 раз; 2) значительно сокращается объем земляных работ при разработке котлована за счет опускания поверхности дна котлована при трамбовании на 1,5 и более метров; 3) предоставляется возможность устройства более объемного подвала ( в зданиях на свайных фундаментах подвалы, как правило, отсутствуют; 4) устройство фундаментов не требует сложного оборудования и большого количества техники и рабочих ( отпадает необходимость в завозе и разгрузке свай, не вывозится лишний грунт при разработке котлована и т.д.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Швецов Г.И., Черепанов Б.М. Напряженно-деформированное состояние уплотненных лессовых грунтов в основании фундаментов // Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование и строительство: Тез. докл. Междун. науч.-практ. конф. - Барнаул, 1996. - С. 130-133.

3. Швецов Г.И., Черепанов Б.М. Методика уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса // Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы: Тез. докл. Казахской национальной геотехнической конференции с иностранным участием. - Акмола, 1997. - С. 484-486.