1. Общие положения
Закрепление грунтов — это искусственное преобразование строительных свойств грунтов, используемых в строительстве, различными физико-химическими способами в условиях их естественного залегания.
Искусственное преобразование грунтов предполагает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение водопроницаемости, сжимаемости, а также ослабление чувствительности природной прочности грунтов к изменению внешней среды, особенно влажности.
Рациональное применение физико-химических способов закрепления грунтов на современном уровне» их развития решает следующие вопросы строительной практики:
усиление фундаментов под существующими сооружениями;
строительство промышленных и гражданских сооружений на просадочных грунтах;
вскрытие насухо котлованов в водонасыщенных грунтах;
проходка подземных выработок;
создание протпвофильтрационных завес в аллювиальных грунтах в связи со строительством на них вы-
сотных земляных и каменнонабросных плотин;
защита бетонных сооружений (фундаментов) от вредного влияния агрессивных грунтовых вод нагнетанием (инъекции) в грунты затвердевающих химических реагентов, а также введением специальных противокоррозионных добавок в грунты обратной засыпки;
увеличение несущей способности свай и опор большого диаметра последующим закреплением грунта ниже их конца [19, 45].
В зависимости от требований, предъявляемых к закрепленному грунту, можно выделить две категории способов:
быстро и прочно закрепляющие грунты. К ним относятся двухрастворная силикатизация, однорастворная силикатизация с применением кремнефтористоводородной кислоты, однорастворная силикатизация лессов, смолизация и инъекция цемеитно-глинистых растворов;
придающие грунтам водонепроницаемость и малую прочность. К ним относятся случаи использования глино-силикатных, глиноалюмосиликатных и силикатных там-попажных растворов [30].
Закрепление осуществляется нагнетанием в грунт под давлением через скважины-инъекторы маловязких химических растворов, а также воздействием на грунт электрического тока, нагреванием и охлаждением. Химические растворы с течением времени затвердевают, превращая водонепроницаемый грунт в камень.
Основным критерием, необходимым при выборе способа закрепления грунтов, является их проницаемость, характеризующаяся коэффициентом фильтрации. Чем меньше коэффициент фильтрации грунта, т. е. чем меньше его проницаемость, тем труднее осуществлять инъекцию химических растворов. Поэтому инъекции легко поддаются трещиноватые, кавернозные несвязные грунты с достаточно высоким коэффициентом фильтрации и практически исключаются глины и илы, проницаемость которых ничтожно мала.
Для того чтобы инъекция стала возможной, необходимо соблюдать строгое соотношение между размерами частиц раствора и инъектируемой среды. Это соотношение соответствует полному пропитыванию среды и основывается не только на проницаемости первой, но и на вязкости применяемых химических растворов: чем меньше вязкость, тем выше их проникание. При глубинном закреплении не нарушается естественное сложение грунтов. Для глубинного воздействия на грунты используются указанные выше способы.
Химическое закрепление долговечно и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами (замораживанием, кессонным и др.). Основные преимущества:
простота производства работ;
портативность применяемого оборудования;
короткие сроки выполнения работ;
возможность закрепления грунта на любой глубине без проведения каких-либо специальных выработок и земляных работ;
вероятность проведения подземных работ без прекращения эксплуатации здания или сооружения.
Рис. VIII-1. Классификация физико-химических способов закрепления грунтов проф. Б. А. Ржаницьша
Выше приведена классификация способов закрепления грунтов, предложенная д-ром техн. наук, проф. Б. А. Ржаницыным, проиллюстрированная рис. VIII-1. В этой классификации указаны химические реагенты, используемые в различных рецептурах, границы применения этих рецептур, характер геля и закрепления.
По горизонтали в таблице приведены наименования грунтов и величина их коэффициента фильтрации. При этом наиболее крупнозернистые, более проницаемые грунты расположены в левой части таблицы с постепенным уменьшением их водопроницаемости по направлению к глинам, помещенным в правой части таблицы. Исходные материалы для закрепления грунтов представлены цементом, силикатом и смолами. Введение химических растворов в глинистые грунты осуществляется под действием постоянного электрического тока.
Для хорошо проницаемых грунтов разработана рецептура цементно-глинистых растворов. Поскольку современный помол цемента не позволяет цементным частицам проникать в поры песков, то закрепляются эти грунты раствором, состоящим из силиката и глины. При этом в зависимости от качества используемой глины границы применимости характеризуются грунтами с коэффициентом фильтрации 50—100 м/сут для местных глин в 20—50 м/сут для бентонитовых глин.
Для прочного закрепления песчаных грунтов разработан способ, основанный на поочередном нагнетании двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции между этими двумя растворами в порах песчаного грунта выделяется гель кремневой кислоты, грунт быстро закрепляется, становится водонепроницаемым с прочностью закрепления 1,5—5 МПа, а само закрепление долговечно.
Для мелкозернистых песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации 0,5—5 м/сут, разработан способ одиорастворной силикатизации с помощью фосфорной кислоты, серной кислоты и сернокислого алюминия, алюмината натрия, кремнефтористоводородной кислоты. При этом способ одиорастворной силикатизации с помощью кремнефтористоводородной кислоты более эффективен и дает значительную прочность закрепления порядка 2—4 МПа.
Закрепление мелкозернистых песчаных грунтов карбамидной смолой (КМ с отвердителем в виде 3%-ной или 5%-ной HCI) обеспечивает этим грунтам достаточно высокую прочность закрепления порядка 5 МПа. Способ смолизации, основанный на использовании карбамидпой смолы и соляной кислоты в качестве отвердителя, успешно применяется в строительстве и в связи с развитием химии и удешевлением исходных для закрепления химических продуктов находит все более широкую сферу применения.
Способ смолизации карбонатных песков заключается в использовании для предварительной обработки этих грунтов, а также для гелеобразования растворов, кислот, образующих на поверхности карбонатов защитные пленки, препятствующие нейтрализации отвердителей из карбамидных золей. В качестве таковых используются растворы щавелевой и кремнефтористоводородной кислот.
Просадочные лессовые грунты закрепляются с помощью однорастворной силикатизации, в рецептуру которой входит раствор силиката натрия с плотностью 1,13 г/см3. Прочность закрепления 1,6—2 МПа.
Закрепление глинистых грунтов основано на явлении электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов глинистому грунту сообщается водоустойчивость и ликвидируется пучинность. Этот способ применяется для придания устойчивости откосам железнодорожных выемок в глинистых грунтах.
Прочно вошли в практику гидротехнического строительства тампонажные глинистосиликатные, силикатные и алюмосиликатные растворы.
В приводимую классификацию вошли два новых способа — аммонизация и газовая силикатизация, разработанные в 1968 г. Аммонизация предназначена для закрепления просадочных лессовых грунтов в целях придания им свойств непросадочности при обильном замачивании их в основании зданий. В основу метода положено свойство газообразного аммиака, вводимого в грунт под небольшим давлением через инъекторы, взаимодействовать с его поглощающим комплексом, в результате чего образуется высокодисперсный Са(ОН)2, который в свою очередь, реагируя с кремнеземом и коллоидной кремневой кислотой грунта, образует известко-вистокремнеземистое вяжущее, стабилизирующее грунт [23,43].
Газовая силикатизация применима для песчаных и лессовых грунтов. Она осуществляется по двум схемам: без предварительной обработки грунта углекислым газом— грунт+раствор силиката натрия NaС02 и с предварительной обработкой — СОг+грунт+раствор силиката натрия+С02. В результате взаимодействия углекислого газа с раствором силиката натрия последний отверждается (выпадает гель Si02), что и сообщает грунту прочность и водоустойчивость. Предварительная активизация грунтов углекислым газом повышает прочность закрепления на 25—30% в инертных песках и на 50% в карбонатных песках и лессах [23, 43, 45].
|
