2.6. Искусственное закрепление грунтов.

Совокупность воздействий, в результате которых повышается прочность грунта, он становится неразмываемым, а в некоторых случаях и водонепроницаемым, представляет собой искусственное закрепление грунтов.

Закрепляют грунты для создания вокруг разрабатываемых вы­емок водонепроницаемых завес и повышения несущей способности грунтовых оснований. В зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, требуемой степени и назначения закрепления существуют следующие способы искусственного за­крепления грунтов: замораживание, цементация, битумизация, хи­мический, электрохимический и др.

Замораживание грунтов применяют в сильноводонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок. Для этого по периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенные между собой трубопроводом, по которому нагнетают специальную жидкость - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный холодильной установкой до -20...-25°С (рис.2.7.).

Рис. 2.7. Схема искусственного замо­раживания грунтов (размеры в м): 1 - охлаждающая колонка: 2 - замораживаю­щая труба;

3 - питающая труба; 4 - патрубок для подсоединения к холодильной установке;

5 - за­мороженный грунт; 6 - талый грунт.

Охлаждающие иглы состоят из наружных труб, закрытых и за­остренных снизу, и внутренних, вставленных в них коаксиально и открытых снизу. Рассол поступает во внутреннюю трубу, а в ниж­ней части колонки переходит в наружную трубу, по которой подни­мается вверх, после чего направляется к следующей колонке. Окру­жающий грунт замерзает концентрическими цилиндрами с посте­пенно увеличивающимися диаметрами. Эти цилиндры смерзаются в сплошную стенку мерзлого грунта, которая выполняет функцию ограждения временной выемки.

Способ замораживания имеет следующие недостатки: времен­ное сохранение эффекта (на период действия замораживающей установки), длительный процесс естественного оттаивания, повы­шение влажности грунта за счет миграции воды из теплых слоев грунта к охлажденным (под действием градиента температур) и др. Однако технология замораживания и технические средства для ее выполнения достаточно отработаны, и поэтому, несмотря на указанные недостатки, этот способ широко используют.

Цементация и битумизация заключаются в инъецировании соот­ветственно цементного раствора или разогретых битумов в пористые грунты с высоким коэффициентом фильтрации, а также в трещино­ватые скальные породы.

Химическим способом закрепляют песчаные и лессовые грунты нагнетанием в них через инъекторы химических растворов.

Химический способ может быть двух- и однорастворный. Двухрастворное закрепление состоит в последовательном нагнета­нии в грунт сначала водного раствора силиката натрия (Na₂SiO₃), а затем хлористого кальция (СаС1₂). Растворы вступают в реак­цию и образуют гель кремниевой кислоты (nSiO₂mH₂O), который обволакивает зерна грунта и, твердея, связывает их в монолит. Этот способ применяют в достаточно хорошо дренирующих грунтах (коэффициент фильтрации 2...80 м/сут). При этом прочность грун­та достигает 1,5...3 МПа.

Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) используют для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта 0,3...0,6 МПа.

Раствор при химическом закреплении нагнетают специальными трубами-инъекторами (рис.2.8.), погружаемыми раздельно или пакетами по 5 шт. Расстояния между инъекторами принимают в за­висимости от вязкости раствора и типа грунта, уточняют экспери­ментально.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грун­ты. Заключается он в пропуске через грунт постоянного электричес­кого тока с напряженностью поля 0,5...1 В/см и плотностью тока 1...5 А/м². При этом глина осушается, сильно уплотняется и те­ряет способность к пучению.

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током в грунт вводят через трубу, являющуюся катодом и служащую инъектором, растворы химичес­ких добавок, увеличивающие проводимость тока (силикат натрия, хлористый кальций, хлористое железо и др.). Благодаря этому ин­тенсивность процесса закрепления грунта возрастает.

Рис 2.8. Схема установки для химического закрепления грунтов:

а - установка, б - инъектор;

1 - распределитель­ный напорный коллектор; 2 - насос; 3 - емкость для раствора;

4 - инъектор; 5 - массив закреплен­ного фунта; 6 - слабый грунт;

7 - прочный подстилающий грунт; 8 - наголовник; 9 - глухие звенья;

10 - перфорированное звено (с отверстиями диаметром 1…3 мм); 11 - наконечник