11.2 Закрепление грунтов

В строительной практике могут возникать ситуации, когда свойства грунта целесообразно изменить в том или ином направлении, например, повысить его прочность, уменьшить сжимаемость, водопроницаемость и т.д. Над этими вопросами уже давно работают ученые, как в нашей стране, так и за рубежом, в результате чего предложено множество методов искусственного изменения свойств грунтов. На практике они чаще всего применяются при ремонтно-восстановительных работах или при реконструкции сооружений (усиление оснований). Обычно такие работы по улучшению свойств грунтов, связанные с повышением их прочности, называют «закреплением грунтов».

В отдельных случаях необходимо лишь временное закрепление грунта на период производства работ, однако значительно чаще требуется закрепление на весь срок службы сооружения (постоянное закрепление). Постоянному закреплению подвергаются в большинстве случаев рыхлые пески, слабые водонасыщенные глинистые грунты, просадочные грунты и проч. Однако при усилении оснований реконструируемых зданий и сооружений иногда целесообразно закреплять любые нескальные грунты.

Существует множество способов закрепления грунтов, среди которых наиболее известны:

• замораживание,

• цементация,

• битумизация,

• силикатизация,

• смолизация (полимеризация),

• защелачивание

• электрический способы,

и т.д.

Замораживание грунта является временным закреплением, когда требуется повысить прочность грунта только на время производства работ. Оно применяется при устройстве глубоких выемок в сильно водонасыщенных грунтах, чаще всего в плывунах.

Наиболее типичный случай – закрепление откосов котлована в плывунных песках (рисунок 90). По периметру котлована погружают в грунт замораживающие колонки из стальных труб 1. Колонки соединяют с трубопроводом, по которому с помощью насоса и холодильной установки непрерывно циркулирует охл ажденный до -20… -25⁰С солевой раствор с очень низкой температурой замерзания (CaCl₂, NaCl и проч.).

Образующийся мерзлый грунт создает защитную стену, под прикрытием которой ведутся необходимые работы.

Цементация грунта, как и остальные методы, рассматриваемые ниже, является постоянным закреплением, рассчитанным на весь срок эксплуатации сооружения. Она основана на закачивании (инъекции) жидкого цементного раствора в грунт через специальные инъекционные трубы (инъекторы), как это показано на рисунке 91. Цементация применима к грунтам, обладающим достаточно и высоким коэффициентом фильтрации – пескам, гравелистым грунтам, сильно выветрелым (трещиноватым) скальным породам и проч. Нагнетание цементного раствора осуществляется обычно плунжерными насосами или пневмонагнетательными установками под давлением, на 0,2…0,3МПа превышающим давление в грунтовой воде.

Рисунок 91 Схеме работ по цементации грунтов:

а – схема проведения инъекции цементного раствора в грунт, б – возможный план зоны закрепленного грунта (при инъекции по двум ортогональным рядам): 1 – цементационная скважина, 2 – кондуктор, 3 – цементационный насос, 4 – смеситель, 5 – насос-дозатор, 6 – зона закрепления, 7 – точки инъекции

Используются цементы марки не ниже М300, для сокращения сроков схватывания в раствор могут вводиться химические добавки. Инъекционные трубы погружают в грунт в предварительно пробуренные скважины или забивкой. Радиус закрепления грунта вокруг инъекционной трубы зависит от коэффициента фильтрации этого грунта и обычно колеблется в пределах 0,3…1,5м.

Цементация грунтов – один из наиболее распространенных в РФ способов усиления оснований и создания противофильтрационных завес.

Битумизация – способ закрепления, отличающийся от цементации тем, что в грунт нагнетается не цементный раствор, а битум (битумная мастика). Различают горячую битумизацию, когда нагнетается битум, разогретый до температуры 190⁰С., и холодную битумизацию, когда нагнетается мастика включающая битум и органический растворитель. Целью битумизации является не повышение прочности грунта, а обеспечение его водонепроницаемости (противофильтрационные завесы). Областью применения являются трещиноватые скальные породы и сухие грунты с высоким коэффициентом фильтрации. Используется оборудование, сходное с оборудованием для цементации. При горячей битумизации производится дополнительный подогрев битума электронагревателями, помещаемыми в скважину. Битумизация в нашей стране применяется сравнительно редко.

Глинизация отличается от цементации и битумизации только тем, что в грунт нагнетается глинистый раствор. Область применения глинизации примерно такая же, как и у битумизации, т.е. противофильтрационные завесы в грунтах с высоким коэффициентом фильтрации. Это сравнительно дешевый способ, но получающиеся противофильтрационные завесы обычно недолговечны.

Силикатизация – это инъекция силиката натрия (растворимого стекла) в грунт, в результате чего образуется прочное водонепроницаемое соединение. Такой метод применяется для упрочнения грунтов (усиление оснований аварийных или реконструируемых объектов), иногда для придания им водонепроницаемости. Он применяется в грунтах с коэффициентом фильтрации более 0,2м/сут., т.е. в песках, супесях, пылеватых суглинках, в том числе лессах и проч. Существуют два метода силикатизации:

• однорастворный, при котором в грунт нагнетают силикат натрия либо чистый, либо с небольшими химическими добавками, понижающими вязкость раствора (соляная, фосфорная кислота сернокислый алюминий);

• двухрастворный, при котором используется два взаимодействующих вещества – силикат натрия и хлористый кальций; они либо нагнетаются в грунт поочередно, либо сначала перемешиваются друг с другом, а затем полученная смесь в грунт инъецируется в грунт.

Технология силикатизации сходна с цементацией. Отличаются конструкции используемых насосов, установок для приготовления растворов, но принципы закрепления грунта остаются теми же. Силикатизация впервые разработана в нашей стране еще в 30-х годах, она достаточно хорошо изучена и является одним из наиболее распространенных в РФ способов усиления оснований.

Смолизация основана на инъекции в грунт синтетических смол (карбамидных, эпоксидных и др.) и специальных отвердителей (обычно кислоты, соли). Технология смолизации также сходна с технологией цементации или силикатизации, используется примерно такое же оборудование. Областью применения по грунтовым условиям являются пески, супеси, суглинки с коэффициентом фильтрации более 0,3м/сут., при этом содержание карбонатов кальция или магния не должно превышать 3% (при большем содержании смолизация малоэффективна). Способом смолизации обычно производят усиление оснований аварийных или реконструируемых сооружений. Смолизация позволяет повышать прочность грунта до 25МПа, но стоимость ее довольно высока.

Защелачивание основано на инъекции в грунт щелочи (NaOH), которая, вступая в реакцию с глинистыми минералами, образует довольно прочный материал. Этот способ, разработанный в 70-х годах в нашей стране (институтом БашНИИстрой), предназначен для закрепления глинистых грунтов – глин, суглинков, супесей. Технология защелачивания аналогична описанным выше способам силикатизации, смолизации и проч. Оборудование для смолизации может использоваться в неизменном виде и для защелачивания. Прочность закрепленного грунта зависит от конкретных условий и обычно составляет 0,3…2МПа. Используется защелачивание в основном для усиления оснований аварийных или реконструируемых сооружений.

Электрический способ основан на использовании явления электроосмоса, т.е. способности перемещения влаги в грунте от положительного электрода (анода) к отрицательному (катоду). Областью применения этого способа является закрепление водонасыщенных глинистых грунтов – глин суглинков, супесей. В грунт погружают электроды и пропускают постоянный ток. Под действием тока влага мигрирует, влажность грунта уменьшается и грунт самоуплотняется. Скапливающуюся у катода воду удаляют.

Электрохимический способ (рисунок 92) отличается от электрического тем, что одновременно с пропуском электрического тока в грунт вводят раствор химических добавок – силиката натрия, хлористого кальция, хлорного железа. Такие растворы вводят через инъекционные трубки, которые одновременно

Рисунок 92 Схема электрохимического закрепления грунтов:

1 – водосборный коллектор, 2 – насосный агрегат, 3 – мотор-генератор, 4 – иглофильтр-катод, 5 – металлическая труба-анод, 6 – уровень подземных вод (УПВ) до закрепления, 7 – зона закрепления грунтов, 8 – контур котлована, 9 – УПВ после закрепления

выполняют функцию катода.

Интенсивность процессов закрепления грунта при электрохимическом способе выше, чем при электрическом.

Кроме перечисленных, существует ряд других методов закрепления грунтов (термический, буросмесительный и т.д.), но они применяются реже и для объектов природообустройства не характерны.

Достоинством инъекционных способов закрепления грунта является их малая трудоемкость. При усилении оснований и фундаментов аварийных или реконструируемых сооружений любыми другими способами, кроме инъекционных, приходится выполнять большие объемы земляных и бетонных работ вручную, в крайне сложных, стесненных условиях. Инъекционные методы такие проблемы устраняют.

Недостатком инъекционных способов закрепления грунта является трудность обеспечения однородности закрепленного массива и контроля качества закрепления. Процесс закрепления всегда идет неравномерно: в разных зонах прочность оказывается неодинаковой, отдельные мелкие участки могут оказываться незакрепленными. Так как объемы закрепленных зон обычно исчисляются десятками или сотнями м³, то проконтролировать бурением или зондированием каждый м³ (и тем более каждый дм³) чрезвычайно трудно. По этим причинам закрепления грунтов применяется относительно редко.

Контрольные вопросы:

1. Каким способом можно временно закрепить грунт (на несколько дней или недель)?

2. Какие способы инъекционного закрепления могут быть пригодны для песков?

3. Какие способы инъекционного закрепления могут быть пригодны для глинистых грунтов?