МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ЯВЛЕНИЕМ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ СИЛ ТРЕНИЯ ГРУНТА О БОКОВУЮ ПОВЕРХНОСТЬ СВАИ

Возникновение явления отрицательных сил трения являются предметом постоянного интереса инженеров и исследователей, изучение протекания самого процесса на молекулярном уровне дает понять процесс работы двух тел и открывает возможность поиска новых методом по его снижению. Для того, чтобы найти новые методы нужно понять саму суть проблемы и разобраться, что такое трение и как она тела взаимодействуют друг с другом.

В книге Дерягина Б.В. «Что такое трение?» подробно и точно дано представление о силах трения, и о его физическом процессе в целом. Трение разделяется на внутреннее, протекающее в жидкостях и газообразных телах, и внешнее – возникающее при контакте твердых тел. Внешнее трение это по большей части механический процесс, который легко наблюдается и легко измеряется. Но в его основе лежат особые молекулярные взаимодействия, сосредоточенные в тончайшем поверхностном слое твердых тел и сложным образом зависящее от свойств и строения тел.

Проанализировав теорию о трении Б.В. Дерягина, стоит отметить, что она может основываться только на учение об атомно-молекулярном строении тел. Внешнее трение должно включать не только тело, зависящий от шероховатости материалов, но также силу прижимания (которую можно рассматривать как суммарную силу молекулярного взаимодействия между контактирующими поверхностями). Коэффициент трения возрастает с увеличением продолжительности контакта с телом.  Так же со временем возрастает различие между трением покоя и трением движения. Обязательно нужно учесть свойства граничных слоев тел и их агрегатное состоянием во время непосредственного контакта, агрегатное состояние тела взаимосвязано с так называемыми жидкими кристаллами.

Процесс закрепления грунта заключается в изменении физических свойств грунтов с целью повышения их несущей способности, долговечности или других качеств. Закрепленный грунт, будет иметь значительно увеличенную несущую способность, а также будет значительно более устойчив к воздействиям воды, мороза или неблагоприятных условий.

Рассмотрим три основных группы методов закрепления грунтов и принцип их работы.

1. Механические методы. Это самая первая группа методов закрепления грунта.

Механические методы включают в себя физическое изменение свойств грунта, чтобы повлиять на его градацию, прочность и другие характеристики. Динамическое уплотнение является одним из основных методов укрепления грунтов; суть метода заключается в том, что тяжелый груз многократно падает на землю через равные промежутки времени, чтобы свести деформации к минимуму и обеспечить равномерно уплотненную поверхность. Виброуплотнение - это еще один метод, который работает по аналогичным принципам, но для достижения своих целей он использует вибрацию, а не деформацию посредством кинетической силы.

Ещё одним механическим методом является предварительное обжатие грунта. Обжатие выполняется путем нагруженного слабого основания, насыщенного водой, во временную насыпь, в результате чего вода вытесняется из пор грунта с последующим уплотнением. В то же время давление, создаваемое массой, должно превышать давление от проектируемой конструкции. Обжатие также может быть достигнуто понижением уровня грунтовых вод путем их прокачки через скважины или организации дренажа.

2. Физико-химические методы. Использование физико-химических методов являются еще одним из основных типов закрепления грунтов. Все эти методы основаны на нагнетании в грунт растворов, которые будут физически взаимодействовать с ним и изменять его свойства. Существует ряд различных типов закрепления грунтов, которые зависят от химических добавок того или иного типа. Чаще всего используются соединения, состоящие из цемента, извести, золы или шлака.

Среди физико-механических методов выделяют следующие:

Силикатизация - нагнетание в грунт жидкого стекла. Раствор подается под давлением до 0,6 МПа в предварительно пробуренные скважины по перфорированным трубам. Метод применяется для повышения прочности песков различной крупности, насыпных грунтов. В процессе силикатизации вокруг каждой скважины создается зона укрепленного основания диаметром до 2 м.

Цементация используется для уплотнения просадочных и водопроницаемых грунтов просадочного типа, трещиноватых пород, лессов, крупных песков. Закрепление грунта осуществляется нагнетанием водно-цементного раствора (иногда с добавлением песка) под давлением до 10 МПа. В результате цементации раствор заполняет поры грунта, образуя новое высокопрочное основание.

Смолизация включает нагнетание в грунт синтетических смол с отвердителями. Этот метод используется для усиления илистого, мелкого песка, супеси и суглинка. Применяются вертикальные, горизонтальные и наклонные способы установки инъекторов.

Глинизация или нагнетание глинистой суспензии производится с целью снижения фильтрационных свойств песчаного основания. В результате проникновения частиц глины в поры грунта он заиляется и тампонирует с созданием водоупорной зоны. Этот метод используется при низкой скорости потока подземных вод, поскольку частицы глины могут выноситься потоком.

Битумизация также является способом снижения фильтрационных свойств грунта и используется при высоких скоростях подземных вод. Существуют методы горячей и холодной битумизации. В первом случае расплавленный битум подают в предварительно пробуренные скважины, а во втором случае - битумную эмульсию. В обоих случаях результатом является создание водонепроницаемой зоны вокруг инъектора.

Термический метод используется для укрепления просадочных грунтов. Способ заключается в сжигании топлива в предварительно пробуренной скважине. Воздух подается в скважину, чтобы топливо могло гореть на глубине. Устранение просадочных свойств грунта происходит под воздействием температуры от 400 до 800 оC. Каждая скважина позволяет закреплять массив грунта диаметром до 2,5 м.

3. Полимерные методы. Оба предыдущих типа закрепления грунтов существовали сотни лет, если не больше; только в последние несколько десятилетий технологии открыли новые типы закрепления грунтов. Большинство новых разработок и технологий, основаны на использовании полимерных материалов. Этот методы имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными механическими и химическими методами; они дешевле и более эффективны, чем механические, и значительно менее опасны для окружающей среды, чем многие химические.

Все три типа закрепления грунта по-прежнему используются в строительстве по всему миру, хотя решения на основе полимерных материалов, быстро набирают силу из-за экономии затрат, простоты использования, экологичности и других существенных преимуществ.

Одним из эффективных методов борьбы с силами отрицательного трения при просадки грунта является обработка боковой поверхности сваи, контактирующей с просадочной толщей, технической смазкой. В качестве смазки используют различные технические масла, а также глинистые растворы.

Основным недостатком данных методов являются технологическая сложность сохранения смазки на боковой поверхности сваи при ее устройстве на проектную глубину, а также потеря глинистыми растворами свои смазочные характеристики при высыхании грунта.

Также в качестве смазочного материала может применяться гумбрин. Гумбрин – отход технологии очистки технических масел. В качестве фильтра для очистки масел используется бентонитовая глина, которая при очистке технических масел абсорбирует на своей поверхности вредные для технического масла органические компоненты. После выполнения этих функций гумбрин выбрасывается в отвалы. Этот отход накапливается на полигонах нефтеперерабатывающих предприятий.

Существуют различные технологии применения гумбрина для решения задачи уменьшения отрицательных сил трения.

Путем бурения изготавливают лидерную скважину на всю глубину просадочной толщи, диаметр которой равен диаметру сваи. После этого лидерная скважина заполняется гумбрином путем его засыпки в скважину. Засыпка производится до полного заполнения скважины гумбрином. После этого свая одним своим острием устанавливается по центру скважины на засыпанный гумбрин, и производится ее забивка или задавливание до частичного внедрения в непросадочный грунт. В результате между боковой поверхностью сваи и стенками грунтовой скважины образуется смазочная прослойка из гумбрина. Гумбрин обладает свойством сохранять очень низкую силу сцепления, даже при полном высыхании. Таким образом, гумбриновая прослойка устраняет образующиеся при просадке отрицательные силы трения, а также выполняет функции защитной прослойки для железобетонных свай при наличии в просадочной толще агрессивных солей.

Список литературы:

1. Руководство по проектированию свайных фундаментов. – М.: Стройиздат, 1980 – 151 с.
2. Россихин Ю.В., Битанис А.Г. Осадки строящихся сооружений. Рига: Зинатне, 1980 – 339 с.
3. Габибов Ф.Г. Разработка эффективных методов проектирования свайных фундаментов на структурно-неустойчивых глинистых грунтах // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники: межвуз. темат. сб. тр. Т. 2 – Санкт-Петербург, 2009 – С. 76-80