Закрепление грунтов

 

Закрепление грунтов сопровождается существенным изменением их физико-механических свойств. Способ закрепления выбирается в зависимости от грунтовых условий. Способы закрепления грунтов можно разделить на химические и физико-химические.

К химическим относятся способы, в которых введением в грунт различных реагентов искусственно создают прочные и водостойкие связи между частицами (силикатизация, цементация, полимеризация, высоконапорные инъекции) либо грунту придают гидрофобные свойства.

К физико-химическим способам относятся закрепление грунтов электрическим током (электрохимическое и электроосмотическое закрепление), электросиликатизация, обжиг.

Силикатизация грунтов.Силикатизация заключается в нагнетании в грунт (через инъекторы) химических растворов, которые, реагируя между собой или с солями, содержащимися в грунте, образуют нерастворимый гель кремниевой кислоты (SiO₂×nH₂O). Первоначально гель связан с большим количеством воды, но постепенно теряет воду, уплотняется и цементирует частицы грунта в камневидную массу. В зависимости от вида закрепляемого грунта применяют одно- и двухрастворный способ силикатизации.

Двухрастворный способ используют для закрепления песков с коэффициентом фильтрации k_f = 2–80 м/сут. В грунт поочередно, заходками на глубину, равную длине перфорированной части инъектора, увеличенной на половину радиуса закрепления, нагнетают водные растворы силиката натрия (жидкого стекла) Na₂O×nSiO₂ и хлористого кальция CaCl₂. Радиусы зоны закрепления в зависимости от вида и свойств грунта и способа закрепления приведены в таблице 3.3. Концентрация раствора силиката натрия принимается в зависимости от коэффициента фильтрации закрепляемого грунта:

 

Коэффициент фильтрации kf, м/сут	Плотность раствора жидкого стекла модуля 2,5–3,0 при t = 18 °С, т/м3
2–10 10–20 20–80	1,35–1,38 1,38–1,41 1,41–1,44

Плотность раствора хлористого кальция принимают 1,26–1,28 т/м³.

 

Таблица 3.3 – Радиус R закрепления грунта от одного инъектора

Грунты	Способ закрепления	Коэффициент фильтрации kf, м/сут	Радиус закрепления грунта R, м
Пески крупные и средние     Пески мелкие и пылеватые     Лессовые	Двухрастворная силикатизация     Однорастворная силикатизация     То же	2–10 10–20 20–50 50–80 0,3–0,5 0,5–1,0 1,0–2,0 2,0–5,0 0,1–0,3 0,3–0,5 0,5–1,0 1,0–2,0	0,3–0,4 0,4–0,6 0,6–0,8 0,8–1,0 0,3–0,4 0,4–0,6 0,6–0,8 0,8–1,0 0,3–0,4 0,4–0,6 0,6–0,9 0,9–1,0

 

Однорастворный способ применяют для закрепления лессовых грунтов, а также мелких и пылеватых песков. Для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации k_f, = 0,5–5 м/сут в грунт нагнетают жидкое стекло с добавленным в него медленно действующим отвердителем (таблица 3.4)

 

Таблица 3.4 – Составы однорастворной силикатизации песчаных грунтов

Компонент	Плотность раствора при t = 18 °С	Объемное соотношение, ч	Приготовление
Фосфорная кислота Силикат натрия	1,025 1,19	3–4	В емкость наливают заданное количество фосфорной кислоты, затем при помешивании добавляют силикат натрия
Серная кислота Сернокислый алюминий Силикат натрия	1,06   1,06 1,19	1,3   0,7 1,5	В горячей воде растворяют сернокислый алюминий, остальную воду перемешивают с концентрированной серной кис­лотой. Тонкой струей вливают силикат натрия

 

При закреплении лессовых грунтов в них инъецируется раствор жидкого стекла с модулем 2,6–3 и плотностью 1,13 т/м³. Силикат натрия вступает в реакцию с имеющимися в грунте солями, которые способствуют гелеобразованию.

При двухрастворной силикатизации вначале нагнетают в грунт жидкое стекло заходками сверху вниз, а затем раствор хлористого кальция – заходками снизу вверх.

Прочность, приобретаемая грунтами после закрепления, приведена в таблице 3.5.

 

Таблица 3.5 – Прочность закрепленного грунта

Грунты	Коэффициент фильтрации kf, м/сут	Предел прочности на сжатие через 28 сут, МПа
Крупные и средние пески     Мелкие и пылеватые пески Лессовые	5–10 10–20 20–80 0,3–5,0 0,1–2,0	3,5–3,0 3,0–2,0 2,0–1,5 0,5–0,4 0,8–0,6

 

Закрепление грунта смолизацией.В настоящее время закрепление грунтов этим способом чаще всего производят с помощью карбамидной смолы. Иногда используют фенолформальдегидные и фурфурольные смолы. Карбамидные смолы используются для омоноличивания сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 50 м/сут и для закрепления лессовых и лессовидных грунтов. Закреплению не подлежат песчаные грунты, в состав которых входит более 3 % глинистых фракций. При содержании глинистых фракций от 1 до 3 % или карбонатов от 0,1 до 3 % пески до закрепления обрабатывают 3–5 %-ным раствором соляной кислоты.

При закреплении песков карбамидную смолу используют вместе с отвердителем (раствором соляной кислоты). Гелеобразующий раствор готовится непосредственно перед инъекцией в грунт.

При смолизации лессовидных грунтов применяют раствор карбамидной смолы без добавления соляной кислоты. После закрепления этих грунтов они теряют просадочность и становятся практически водонепроницаемыми.

Предел прочности на сжатие закрепленного смолизацией песка получается от 1,0 до 2,5 МПа, а лессовидных грунтов – 0,7–1,5 МПа.

Электроосмотическое осушение.При пропускании постоянного электрического тока через пылевато-глинистые грунты с коэффициентом фильтрации k_f < 0,01 м/сут. в них происходит перемещение влаги в сторону катода, а отрицательно заряженных частиц – в сторону анода. При этом резко возрастает коэффициент фильтрации и водоотдача. Данный процесс сопровождается уплотнением и осушением грунта между электродами, свертыванием водных коллоидов, химическими реакциями между составными частями грунта. Все эти процессы способствуют уплотнению и отвердеванию пылевато-глинистых грунтов. В строительстве для этих целей используют электроосмос и, как его разновидность, электрохимическое закрепление грунтов.

Электроосмос применяют в основном для повышения несущей способности и ускорения консолидации глинистых грунтов, водопонижения в мелкодисперсных грунтах.

При этом способе закрепления грунтов в грунт забивают электроды. В качестве анода используют сплошные металлические стержни, а для катодов применяют перфорированные в нижней части трубы или иглофильтры для удаления притекающей воды (рисунок 3.7).

Расстояние между электродами, м, определяют по формуле

 

,

 

где U – рабочее напряжение, В; I – плотность электрического тока на 1 м² осушаемого грунта, А; r – удельное оммическое сопротивление грунта, Ом×см; j_е – коэффициент, зависящий от размеров и расположение электродов (принимается от 2 до 3).

На практике расстояние между электродами принимается примерно 0,6–1,5 м. Напряжение на электродах принимается 40–60 В на 1 м расстояния между электродами. Плотность тока составляет 8–12 А на 1 м² сечения слоя закрепляемого грунта. Расход электроэнергии для осушения глины до границы раскатывания – около 40–50 кВт×ч/м³ осушаемого грунта.

 

 

 

Рисунок 3.7 – Схема электроуплотнения илистых грунтов: 1– аноды; 2– катоды; 3– перфорированная часть электродов; 4– уплотненная зона грунта

 

При электрохимическом закреплении в грунт по той же схеме погружают полые электроды (иглофильтры или перфорированные в нижней части трубы). В полые аноды подают закрепляющий раствор. Откачку притекающей воды производят из труб-катодов. При пропускании постоянного тока через грунт увеличивается скорость и радиус проникновения в грунт раствора, возрастает скорость протекания физико-химических процессов образования нерастворимых соединений и необратимых коллоидов, что ведет к омоноличиванию грунта.

Термическое упрочнение грунтов (обжиг).При термическом упрочнении грунтов влага испаряется из грунта – происходит его обжиг (преобразование структурных связей под действием высоких температур). При таком способе упрочнения устраняются просадочные свойства грунтов, увеличивается прочность и водостойкость.

По этому способу в скважины, герметически закрытые сверху специальными крышками с форсунками, подаются топливо (горючие газы, соляровое масло, мазут и др.) и сжатый воздух. При этом для усиления фильтрации раскаленных газов в грунте в скважине создается избыточное давление порядка 15–50 кПа. Диаметр скважины обычно принимается 10–20 см. Расстояние между осями скважин зависит от нагрузок. Продолжительность обжига обычно составляет 5–10 суток, при этом образуется столб обожженного грунта диаметром 1,5–2,5 м. Средний расход топлива на одну скважину может достигать 1–1,5 т. Прочность закрепленного грунта на сжатие может составлять 1,5–2,5 МПа.

Закрепление грунтов высоконапорными инъекциями.Данная технология используется для глубокого перемешивания грунтов с их закреплением и создания любых по конфигурации массивов. С помощью данного метода можно закрепить массив грунта под строящимся зданием, обеспечить устойчивость зданий и сооружений при глубоких проходках в непосредственной близости от них, закрепить грунты основания для передачи давления на прочные грунты.

Технология заключается в погружении устройства для перемешивания грунта с вяжущим материалом. Устройство снабжено специальными соплами, через которые подается раствор под давлением до 150 атм. Это способствует быстрой проходке и образованию массива диаметром до 3 м.

Цементация.Для укрепления песчаных, песчано-гравелистых и выветрелых скальных грунтов применяется цементация [2].

Материалами для цементации служат цемент, вода и добавки в виде песка, супеси, каменной муки, глины, искусственных химических веществ. Песок и каменная мука добавляются для экономии цемента. Супесь и суглинок снижают прочность получаемого после твердения камня, но повышают водоудерживающую способность раствора. Применение химических веществ связано с ускорением или замедлением схватывания цементного раствора. Так, добавка хлористого кальция или жидкого стекла в количестве 1–2 % уменьшает срок схватывания в 1,5–2 раза.

Оборудование для бурения скважин применяют то же, что и для силикатизации или смолизации грунтов. Верхнюю часть скважины, лежащую в нецементируемой зоне, бурят увеличенным диаметром и полностью заливают цементным раствором. После схватывания цемента скважину бурят вновь через цементный столб, который затем играет роль тампона, поскольку нагнетание ведется с давлением в несколько атмосфер.

Для цементации используют растворонасосы. Диаметр трубок-инъекто­ров составляет 25–100 мм. При небольшой глубине цементации, когда нагнетание ведется за один заход на всю зону цементации, применяют трубки малого диаметра. При глубине цементации более 6–8 м цементацию ведут нисходящими зонами. В этом случае необходимо многократно бурить в каждом месте скважину, углубляя ее через ранее зацементированную скважину.