4.3.3. Искусственное крепление откосов выемок, закрепление грунтов

Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и за­щиты от поступления грунто­вых вод применяют следующие спо­собы закрепления грунта: шпунтовые ограждения, замораживание, цементацию, силикатизацию, битумизацию, термический, химиче­ский, электрохимический и другие способы искусственного закрепле­ния грунта.

1. ШПУНТОВОЕ ОГРАЖДЕНИЕ. Временное крепление стенок земляного сооружения может быть выполнено в виде деревянного или металлического шпунта, деревян­ных щитов с опорными стойками при подкосном креплении стенок (рис. 4.5).

Шпунт забивают в грунт на глубину, превышающую глубину будущего котлована на 2..3 м, чем обеспечивают устойчивое и естест­венное состояние грунта за пределами выемки. В качестве металличе­ских стоек используют прокатные профили или специально выпускаемый прокат (рис. 4.5, д). Шпунт может быть сплошным в виде единой стенки, если шпунт прерывистый, то между стойками по мере отрывки котлована забива­ют деревянную забирку - щиты, отдельные доски, брусья.

Рис 4.5. Способы крепления стенок выемок:

а - подкосное; б - анкерное; в - консольное; г - консольное из буронабивных свай или «стены в грунте»; д - из различных типов стальных шпунтов;

е - распорное с горизонтальными щитами; ж — инвентарная трубчатая распорная рама; з — инвентарные щиты ограждений (забирка);

1 - щит забирки сплошной; 2 — полость, засыпаемая землей; 3 - стойка деревянная; 4 — распорка; 5 - подкос; 6 - клин-анкер; 7 - дно котлована;

8 - анкерная тяга; 9 - щит забирки с зазорами; 10 - трубчатая распорная рама; 11 - типы стального шпунта; 12 - стяжная муфта; 13 - шпунтовая стенка; 14 - буронабивные сваи; 15 - то же, в обсадной трубе; 16 – металлическая распорка; 17 - стойка распорной рамы;

18, 19 - наружная в внутренняя трубы распорки

Для обеспечения устойчивости шпунтового ограждения могут применять: распорное крепление (для узких траншей рис. 4.5, ж), анкерное крепление, подносное крепление.

2. ЗАМОРАЖИВАНИЕ. В сильно водонасыщенных грунтах создаются противофильтрационные завесы при помощи естественного или искусственного замора­живания грунтов.

Естественное замораживание применяют в районах с низкими температурами. В летнее время выкапывают котлован до уровня грунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20...30 см. После этого послойно (10... 15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

Искусственное замораживание грунтов применяют при высоком уровне грунтовых вод (рис. 4.6).

По периметру разрабатываемого котлована погружают заморажи­вающие колонки из труб, соединенных между собой сетью из двух трубопроводов, которые подключены к холодильной камере. Для замораживания грунтов используют холодильную установ­ку, подающую охлаждающий рас­твор - рассол в погруженные в грунт замораживающие колонки. Расстояние между колонками в пределах 1,5-3 м.

Вокруг охлаждающей колонки, по которой проходит рассол, со временем образуется цилиндр замороженного грунта. Через некоторое время после начала замораживания, соседние цилиндры замороженного грунта сливаются в сплошную стенку мерзлого грунта, которая препят­ствует проникновению грунтовой воды в котлован.

Рис 4.6. Принципиальная схема искусственного замораживания грунтов: а - площадка в процессе замораживания грунта; б - схема замораживающей колонки; 1 - колон­ки; 2 - льдогрунтовые цилиндры; 3 - котлован; 4 - холодильная установка; 5 - замораживающая колонка; 6 - труба для подачи замораживающего раствора; 7 - труба для отвода использованного раствора в холодильную установку; 8 - замороженный цилиндр грунта; 9 – водонепроницаемый пласт грунта

3. ЦЕМЕНТАЦИЯ осуществляется для закрепления крупно- и среднезернистых песков и трещиноватых скальных пород и выполняется путем нагнетания в грунт цементного раствора через инъекторы (рис. 4.7). На глубину до 15 м инъекторы погружаются забивкой пневматическими молотами, вибропогружателями, при больших глубинах погружения предвари­тельно пробуривают скважины, в которые трубы и опускают.

Р и с. 4.7. Цементация оснований:

а — погружение инъектора; б — нагнетание раствора; в — последовательность нагнетания раствора при устройстве противофилътрационной завесы; г — схема цементации нисходящими зонами; д — схема цементации восходящими зонами; 1 — отбойный молоток, 2 — оголовок; 3 - труба-удлинитель; 4 - перфорированная часть с острием; 6 - домкраты; 7 - растворопровод; 8 - зоны цемента­ции; 9 — скважины

4. СИЛИКАТИЗАЦИЯ (химический способ) - последовательное на­гнетание в грунт водного раствора силиката натрия (жидкого стек­ла) и ускорителя твердения (раствора соли хлора, обычно хлористо­го кальция). Применима силикатизация в песках. В грунт последовательно нагнетают при давлении до 15 атм (1,5 МПа) раствор жидкого стек­ла и хлористого кальция, которые в результате химической реакции образуют нерастворимое вещество (гель кремниевой кислоты), прочно соединяющее в единый монолит примыкающий естествен­ный грунт (рис. 4.8). Инъекторы аналогичны применяемым при цементации.

Р и с. 4.8. Химическое закрепление грунтов:

а - точечное закрепление: 6 - закрепление массива; 1- инъектор; 2 - зона закрепления; 3 - пер­форированная часть инъектора

5. БИТУМИЗАЦИЯ применяется для закрепления песчаных и сильно трещиноватых грунтов. Горячий битум нагнетают в грунт через инъекторы, установленные в ранее пробуренных скважинах, К инъекторам, обог­реваемым электрическим током, горячий битум подается из котлов на­сосом по трубам по давлением. Нагнета ние битума осуществляется в несколько приемов. После первого на­гнетания под давлением 2...3 атм (0,2,„0,3 МПа) битуму дать возмож­ность растечься по всем заполняемым полостям и начать затвердевать. уменьшаясь в объеме. Перед последующими нагнетаниями битум в скважине разогревают электронагревателями инъектора. Песчаные грунты можно закреплять холодной битумной эмульсией.

6. ТЕРМИЧЕСКОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ заключается в обжиге лессо­видных и пористых суглинистых грунтов раскаленными газами через пробуренные в грунте скважины диаметром 10...20 см. Скважины про­буривают в шахматном порядке на расстоянии друг от друга 2...3 м и на глубину до 15 м, сверху устье скважины заканчивается бетонным оголовком, в котором размещается форсунка для сжигания топлива. К этой форсунке по самостоятельным шлангам подается топливо и сжатый воздух. В процессе обжига в скважине поддерживается температура 600...1000°C. За счет такой высокой температуры происходит процесс расплавления и последующего спекания грунта.

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ основан на использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток. В результате действия тока глина осушается, сильно уплотняется и теряет способность к пу­чению.

8. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ закрепление грунтов. Это способ применя­ют для глинистых и илистых грунтов. В грунт параллельными рядами через 0,6.-1,0 м забивают металлические стержни и трубы, по кото­рым пропускают постоянный электрический ток. Специфика электрохимического способа заключается в том, что при погружении в грунт чередуют через ряд металлические стержни (аноды) и трубы (катоды), через которые в грунт подается раствор хлористого кальция, силиката натрия, хлорного железа и других химических добавок, увеличивающих проходимость тока, а значит и интен­сивность процесса закрепления грунта.