Устройство фундаментов на просадочных грунтах

2.2 План урока на тему “Устройство фундаментов на просадочных 
грунтах (Термической способ упрочнения на просадочных грунтах)” 
Анализ состояния исследований и опыт строительства позволяют 
сделать следующие выводы и рекомендации: 
1. 
Методы а, б, и в не применяются из-за большой потере тепла, 
трудовых затрат и отсутствия соответствующих установок. 
Наибольшее применение нашел способ упрочнения грунтов, 
предложенных И.М. Литвиновым, Ф.А. Беляковым и П.К. Черкасовым. 
Основными 
недостатками 
этого 
способа 
являются 
большая 
продолжительность упрочнения грунтов. Для упрочнения массива грунта 
диаметром 1 м и глубиной 4-10 м требуется 4-10 суток непрерывной работы 
компрессоров и всего оборудования. 
2. 
Не решена степень соответствия технологии упрочнения грунта 
физико – химическим и теплотехническим процессам, протекающим в грунте. 
3. 
При сжигании топлива не обеспечивается защита стенок 
скважины от плавления. Поэтому ухудшается фильтрация горячих газов и 
массив грунта. 
4. 
Отсутствуют надежные средства контроля качества работ и 
управления процессами. 
Для сокращения продолжительности и снижения стоимости единицы 
упрочненного грунта термическими способами возможны три пути. Один из 
них – усовершенствование конструкции оборудования, тепловых и 
технологических режимов и организации процессов упрочнения грунтов. 
Другой путь – дальнейшая интенсификация процессов, путем применения 
более эффективных теплоносителей в массивах грунта. И наконец, третий путь 
– создание и применение новых способов упрочнения и спекания грунтов в 
скважинах. 

---

19 
Новые способы упрочнения (спекание) грунтов (автор Погосян Р.Г.) 
Критический анализ проведенных исследований, практическая работа 
по глубинному спеканию грунтов, консультации со специалистами в области 
строительной теплофизики, керамики, силикатов, шлакосиликатов и 
каменного литья, а также требования строителей – производственников 
позволили автору предложить и разработать два новых способа ускоренного 
спекания грунтов в скважинах: 
1. 
Глубинный термоакустический способ упрочнения массива 
грунтов, используемых в качестве фундаментов различных зданий и 
сооружений (авторское свидетельство № 390229). 
2. 
Изготовление керамических свай путем спекания и плавления 
грунтов в скважинах (авторского свидетельство № 342996). 
Цель этих предложений состояло в разработке таких способов 
упрочнения и спекания грунтов, которые позволили бы, во-первых, резко 
сократить продолжительность упрочнения массива грунтов, во-вторых, 
уменьшить потери тепла, в-третьих, гарантировать отсутствие дефектов (или 
пороков) упрочненного массива грунта и, в-четвертых, снизить стоимость и 
трудоемкость единицы объема упрочненного массива грунта. 
Рассмотрим сущность предложенной технологии упрочнения или 
спекания массива грунтов. 
а) 
Глубинный термоакустический способ упрочнения грунтов 
Цель достигается путем воздействия на массив грунта комплексного 
эффекта – термических, газодинамических и акустических полей. Для 
создания тепловых, газодинамических и акустических полей в скважине и 
грунте принимают генератор с ультразвуковым аэродинамическим 
преобразователем (статическая сирена). Этот генератор автором назван 
термоакустической горелкой. 
В камере сгорания термоакустической горелки сжигается жидкое 
(бензин, керосин, соляровое масло, мазут и др.) или газообразное горячее и 

---

20 
сжатый компрессорный воздух. Температура в камере сгорания горелки 
составляет 1000-1300ºС. 
Преобразователь прост по конструкции, не имеют вращающихся частей, 
соединен с горелкой и имеет следующие характеристики: 
Давление воздуха в магистрали, ат 
3-10 
Расход воздуха, м
3
/мин. 
6-9 
Генерируемая частота, кгц 
40-110 
Уровень силы звука, дб 
150-280 
Габариты преобразователя, мм 
высота 
150 
диаметр 
90-140 
Масса преобразователя с горелкой, кг 
29-40 
Важно отметить, что ультразвуковой акустический преобразователь 
расходует лишь продукты сгорания топлива, которые необходимы для 
упрочнения массива грунта. 
Упрочнение 
массива 
грунта 
производится 
в 
следующей 
последовательности: 
- бурится скважина диаметром 110-169 мм на требуемую глубину (1,5-
10 и более м); 
- производится герметизация устья скважины на высоте 1,2-2 м; 
- в скважину опускается термоакустическая горелка; 
- по магистралям топлива и воздухопровода подаются горючее и сжатый 
воздух в горелку; 
- производится розжиг и сжигание топлива в камере сгорания горелки, 
из которого продукты сгорания топлива поступают в преобразователь. В 
преобразователь подается дополнительный сжатый воздух, который 
смешивается с продуктами горения и поступает в рабочее пространство 
скважины. Температура на выходе преобразователя составляет 800-900ºС; 
- в пространстве скважины создаются мощные физические поля: 
тепловое, газодинамическое и акустическое. Все три поля тесно 
взаимосвязаны и имеют следующие физические параметры: 
температура в скважине, ºС 
800-900 
давление в скважине, ат 
0,1-3,0 

---

21 
уровень силы звука, дб 
150-280 
частота, кГц 
40-110 
При развитии кавитации, радиационного давления и других явлений в 
жидкости образуются разрывы, возникающие под действием растягивающих 
усилий, создаваемых звуковой волной во время фазы разрежения. 
При значительных интенсивностях звука в акустическом поле 
образуется своеобразная “подушка” и возникают очень большие градиенты 
плотности, давления и скорости частиц с образованием ударных волн. 
Ударная волна вызывает механическое “разрушение” грунта на 
поверхности стенок скважины с образованием характерных “дырок” и 
сообщает значительное ускорение частицам теплоносителя. 
Газодинамические потоки и микропотоки вокруг неровностей на 
границе твердое тело – жидкость ускоряют разрушения физических и 
химических связей частиц грунта, т.е. растворения водных и прочих пленок, 
способствуют перемещению влаги в грунте, увеличивают конвективную 
диффузию и газопроницаемость. Для развития коллективного эффекта 
рекомендуется также в газовую среду скважины добавить некоторое 
количество воды или пара. 
Мощные упругие колебания являются ускорителями процессов сушки и 
прогрева грунта на определенном диаметре и на высоте массива грунта. 
Теплоносители за счет статического давления в скважине “поршневым” 
образом заполняют поры грунта. При температуре 800-900ºС ультразвуковое 
воздействие позволяет резко увеличить скорость смачивания частиц грунта 
теплоносителем и процесс спекания. 
Известно, что если жидкость в капиллярах материалов совершает 
ультразвуковые колебания под влиянием какого-либо источника, то 
капиллярный эффект увеличивается в несколько десятков раз, значительно 
возрастает и скорость подъема (открытие академика АН БССР Б.Г. 
Коновалова). 

---

22 
Известно, что лессовые просадочные грунты имеют горизонтальные и 
вертикальные каналы /25, 32, 136/. Исследованиями установлено, что 
ультразвук ускоряет капиллярное поднятие жидкости (пара и газа) из массива 
грунта снизу вверх на дневную поверхность, т.е. автором получен и 
подтвержден процесс капиллярного эффекта при помощи ультразвука – 
усилителя. 
Важно отметить, что при производстве работ звукоизолирующие 
устройства для предохранения работающего персонала от вредного действия 
мощных акустических колебаний (уровень которых намного превосходит 
порог болевого ощущения человеческого уха) не требуется, так как 
преобразователь находится в скважине и ее устье закрыто. 
Термоакустический способ упрочнения грунта проверен автором в 
лабораторно – полевых условиях и получен положительный результат. 
Однако из-за нерешенности ряда важнейших вопросов. 
б) 
Технология изготовления керамических свай путем спекания и 
плавления грунтов в скважинах 
Цель достигается путем сочетания одновременного заполнения 
скважины грунтами, их спекания, плавления и формирования заданной 
конструкции керамической сваи. 
Сущность новой технологии следующая: 
- бурится скважина диаметром 20÷80 см на глубину 1,5-6,0 м. 
Для получения сваи с уширенной подошвой забой скважины уширяется 
до 1,5 м известными устройствами; 
- производится герметизация устья скважины железобетонным 
пригрузом или затвором; 
- сжигается топливо в забое скважины и на расчетной высоте создается 
тепловое напряжение при параметрах: температура Т ≥ 1200ºС и избыточное 
давление Р ≥ 0,1-1,2 ат; 
- непрерывно или порционно засыпается гранулированный грунт в 
скважину. Частицы грунта спекаются и плавятся. В результате заполнения 

---

23 
скважин расплавом грунта получится керамическая свая заданных размеров. 
Важно отметить, что скважина служит как топкой, так и формой для 
изготовления керамической сваи. 
Под керамическими сваями автор понимает искусственные 
каменно-керамические изделия, которые получаются в результате спекания и 
сплавления заполненных в скважины сырьевых материалов (грунтов, шлаков 
и зол). 
Изучению каменно-керамических материалов и изделий посвящены 
многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей /9, 11, 
12, 13, 37, 45, 80, 115, 134, 129/. 
В настоящее время керамика широко применяется в строительстве в 
виде мелкоштучных изделий (обыкновенный и пустотелый кирпич, 
керамические плиты, клинкерный кирпич и др.), искусственных пористых 
заполнителей (керамзит, аглопорит и др.) и крупных блоков. 
В зависимости от состава легкоплавких глин и температуры их 
спекания, а также способа формирования, обжиг строительной керамики 
обычно производят при температурах от 900ºС до 1050ºС в воздушной среде. 
Полученные таким путем стеновые материалы и другие изделия 
характеризуются прочностью при сжатии керамического черепка в пределах 
150-400 кГ/см
2
при объемном весе 1800-2000 кг/м
3
и водопоглощением не 
более 6-8%. 
Каменно-керамические изделия, имеющие высокую механическую 
прочность и плотность (клинкерный кирпич, керамические плитки и др.) 
изготовляют главным образом из редко встречающихся тугоплавких глин, а 
также и из легкоплавких глин, но с нормированным химическим составом. 
Обжиг их производится в пределах температур 1150-1250ºС до почти полного 
спекания и не вызывает при этом деформации и вспучивания. Клинкерный 
кирпич имеет объемный вес не менее 1900 кг/см
3
, предел прочности при 
сжатии 400-1000 кГ/см
2
и водопоглощение не более 2-6%. 

---

24 
Рядом исследований последних лет выявлена возможность получения 
высокопрочного керамического черепка из легкоплавких глин прочностью 
при сжатии от 1000 до 3000 кГ/см
2
/78, 79, 82, 85, 129/. Выявление 
максимальных возможностей повышения прочности и улучшение других 
физико – механических свойств и снижение температуры обжига 
керамических материалов и изделий являются одной из основных 
современных проблем в промышленности строительных материалов. Следует 
отметить, что каменно-керамические изделия заводского изготовления редко 
применялись в фундаментостроении (за исключением устройства столбчатых 
фундаментов из кирпича). 
Автором также предложены способы спекания грунтов в скважинах с 
использованием электрической дуги, высокочастотных токов и электронных 
лучей. Однако эти способы спекания и сплавления грунтов недостаточно 
проверены, поэтому в диссертации не рассматриваются. 
В литературе отсутствуют технологические и теплофизические 
параметры спекания грунтов в скважинах, научное объяснение технологии 
изготовления керамических свай. 
Технология изготовления керамических свай 
В настоящей главе излагаются теоретические исследования процесса 
спекания грунтов, управления технологическим режимом и выбор 
технологических схем. 
Фундаментная керамика. Керамические сваи. Строительный материал из 
керамического камня, полученного путем спекания глинистых грунтов без 
добавок или с добавками отходов промышленности (шлаки, золы и др.), песка 
и небольшого количества других компонентов в скважинах, обеспечивающий 
необходимые технические свойства камня и удовлетворяющий основным 
требованиям эксплуатации фундаментов, будем называть фундаментной 
керамикой. 
Строительную конструкцию, полученную путем заполнения различных 
типов скважин (цилиндрических, конических, квадратных, цилиндрических с 

---

25 
лучевидным уширением и т.д.) материалом фундаментной керамики, в 
диссертации будем называть керамическими сваями. 
К керамическим сваям, применяемым в качестве фундамента зданий и 
сооружений, предъявляются два основных требования: во-первых, материал 
фундаментной керамики должен после завершения периода термообработки и 
структурообразования (процесс охлаждения) приобретать такую степень 
устойчивой и необратимой связности между частицами, при которой 
обеспечивается надежная сопротивляемость внешним нагрузкам без 
возникновения деформации (прогиба и сдвига), превышающих допустимые 
пределы; во-вторых, он должен в течении длительного времени противостоять 
усилиям, возникающим от действия внешней среды, например, от разбухания 
при увлажнении и замораживании, сохранять приобретенную им структуру 
при продолжительном увлажнении и т.д. Свойство и качества материала 
фундаментной керамики, отвечающие этим требованиям, формируются в 
период тепловой обработки, являющейся важнейшим этапом в технологии 
изготовления керамических свай. 
Минералогические фазы фундаментной керамики, как и для минералов 
магматических пород, каменного литья, шлакосиликатов и др. образуется в 
результате физико-химических процессов. По мнению автора, ряд общих 
закономерностей, установленных в результате изучения искусственных 
соединений, может быть использован при проектировании фундаментной 
керамики. 
Схема получения фундаментной керамики и керамической сваи 
представлена на рис. 8. Она отличается от всех существующих схем в 
технологии строительных материалов тем, что получение материала 
(фундаментной 
керамики) 
и 
создание 
конструктивного 
элемента 
(керамической сваи) совмещаются в одном процессе – спекании сырья. 
Решая задачу получения фундаментной керамики с заданными 
свойствами необходимо: 
а) 
выбрать исходный состав; 

---

26 
б) 
подобрать эффективные добавки (или катализаторы); 
в) 
установить оптимальный режим спекания грунтов. 
Для правильного обоснования технологии разработки нового материала 
(фундаментной керамики) – необходимо знакомство с некоторыми 
известными свойствами грунтов, которые являются, во-первых, сырьем для 
фундаментной керамики, во-вторых, средой, ограничивающей форму 
топочного пространства для спекания.