29.07.2021
Специальные системы грязезащиты можно увидеть на входе многих объектов. Устанавливают их в промышленных, жилых, административных,...


29.07.2021
Стабильное электроснабжение – залог долговечной работы вашей электроники и всех электроприборов. Это даже больше относится именно...


29.07.2021
Ракушечник представляет собой натуральный камень и одну из разновидностей известняка. Этот материал широко востребован в...


29.07.2021
Продажа коммерческой недвижимости сопровождается многочисленными нюансами. При отсутствии специальных знаний, можно допустить...


29.07.2021
Главной отличительной особенностью мансардных окон считается вариант их размещения. Такие конструкции довольно часто называют...


28.07.2021
Как избежать проблем с будущей скважиной и быть уверенным в качестве бурения можно только обратившись к профессионалам. Как их...


Методы закрепления и замораживания грунтов

14.06.2016

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами. В процессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъекцирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды, особенно влажности. Важным условием применимости инъекционных методов закрепления является достаточно высокая проницаемость грунтов (табл. 4.2).
Методы закрепления и замораживания грунтов

Методы инъекционного закрепления грунтов, не сопровождаемые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений (рис. 3.47), защиты существующих зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных, сооружений, создания противофильтрационных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-экономическим расчетом.
Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов Кф более 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.
Цементационный раствор обычно состоит из цемента и воды при водоцементном отношении 0,4:1,0.
Методы закрепления и замораживания грунтов

Для цементации грунтов применяют забивные инъекторы или инъекторы-тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Инъекторы представляют собой трубу диаметром 25-100 мм, снабженную перфорированным звеном длиной 0,5-1,5 м. После погружения инъектора в грунт или скважину в трубу под давлением подается чистая вода и скважина промывается. Затем через трубу нагнетается цементный раствор, который, проникая в грунт, цементирует его (рис. 4.37).
При цементации карстовых пустот и трещиноватой скалы применяют цементационный раствор при небольшом водоцементном отношении. Кроме того, в раствор часто добавляют песок.
Радиус закрепления грунта, давление нагнетания, расход цементного раствора и прочность зацементированных грунтов устанавливают в процессе опытных работ.
Метод цементации применяют также для усиления конструкции самих фундаментов. Для этого в теле фундаментов пробуриваются шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор.
В материалах XII Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению (Рио-де-Жанейро, 1989) как перспективные предложены смеси типа «Актизол», в состав которых входят: цемент, бентонит, силикатная и минеральная добавки. Считается наиболее эффективным применение таких смесей для укрепления аллювиальных (наносных) грунтов и устройства надежных противофильтрационных завес. Основными преимуществами смеси являются отсутствие загрязнения окружающей среды, возможность использования многих типов цемента, высокая подвижность при коротком времени схватывания.
Методы закрепления и замораживания грунтов

Силикатизация грунтов. Применяют для химического закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут, макропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут и отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени.
Песчаные грунты с коэффициентом фильтрации 2-80 м/сут закрепляются двухрастворным способом силикатизации, разработанным Б.А. Ржаницыным. Способ заключается в следующем. В грунт погружаются инъекторы, представляющие собой трубы диаметром 38 мм с нижним перфорированным звеном длиной 0,5-1,5 м. Через инъекторы в грунт нагнетается раствор силиката натрия под давлением до 1,5 МПа. Через соседнюю трубу нагнетают раствор хлористого кальция. Инъекторы погружаются попарно на расстоянии 15-25 см друг от друга. Иногда оба раствора поочередно нагнетаются через один и тот же инъектор. Раствор силиката натрия вводится в грунт заходками 1 м по глубине при погружении инъектора. Затем такими же заходками, но уже в процессе извлечения инъектора производится нагнетание второго раствора. Радиус закрепления грунта составляет 30-100 см. Процесс гелеобразования протекает очень быстро. После полного твердения геля, на что требуется 28 дней, закрепленный песчаный грунт приобретает прочность на одноосное сжатие 2-5 МПа.
При закреплении мелких песков и плывунов, имеющих коэффициент фильтрации в пределах 0,5-1,0 м/сут, в грунт нагнетается подготовленный заранее гелеобразующий раствор, представляющий собой смесь растворов крепителя и отвердителя. Варьируя состав отвердителя, можно регулировать в широких пределах (от 20-30 мин до 10-16 ч) время гелеобразования. Для обеспечения необходимого радиуса закрепления в малопроницаемых грунтах применяются рецептуры с большим временем гелеобразования.
Прочность гелей кремниевой кислоты по однорастворным рецептурам невелика. Закрепленные ими пески и плывуны приобретают прочность на одноосное сжатие порядка 0,2 МПа, за исключением кремнефторсиликатной рецептуры, придающей прочность до 2-4 МПа, и силикатно-органических рецептур.
Силикатизация эффективна для закрепления макропористых лессовых грунтов вследствие их высокой проницаемости. Особенностью силикатизации лессов является то, что в состав этих грунтов входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Поэтому силикатизация лессов проводится классическим однорастворным методом, осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс закрепления происходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может достигать для закрепленного массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию про-садочных свойств.
В нашей стране по предложению В.Е. Соколовича применяют газовую силикатизацию песчаных и макропористых лессовых грунтов, основанную на использовании в качестве отвердителя жидкого стекла углекислого газа (диоксида углерода). Технология способа состоит в том, что в грунт через забитые инъекторы или специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для предварительной активизации грунта, затем раствор силиката натрия и вторично углекислый газ для отверждения. Прочность закрепленных методом газовой силикатизации песков составляет 0,8-1,5 МПа, лессовых грунтов - 0,8-1,2 МПа.
Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в шахматном порядке. Уточнение технологической схемы и параметров закрепления производится путем проведения опытных работ. Качество закрепления грунтов проверяют бурением контрольных скважин с отбором кернов, вскрытием шурфов с отбором образцов, определением удельного водопоглощения, методами электрокаротажа и зондирования.
Смолизация. Метод закрепления грунтов смолами получил название смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями-кислотами, кислыми солями.
Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Обычное время гелеобразования 1,5—2,5 ч при времени упрочнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации 0,5-25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие закрепленного карбамидной смолой песка колеблется в пределах 1-5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.
Организация работ по закреплению грунтов смолами аналогична организации работ по силикатизации. Радиус закрепленной области основания составляет 0,3-1,0 м в зависимости от коэффициента фильтрации песка. Метод относится к числу дорогостоящих. Закрепление карбамидными смолами успешно применялось при строительстве Новолипецкого завода, Харьковского метрополитена.
В последние годы появились работы о возможности создания нетоксичных либо слаботоксичных составов для закрепления грунта с использованием карбамидных смол. Указывается, что при соблюдении предлагаемых технологически сложных приемов можно снизить канцерогенность этих смол. В связи с усиленным вниманием к охране окружающей среды необходимо более строго подходить ко всем рекомендуемым «универсальным» химическим реагентам. Так, несомненно вредное воздействие на окружающий незакрепленный грунт и подземные грунтовые воды широко рекомендуемых кислот и щелочей высокой концентрации. Специальными исследованиями В.Е. Соколовича во НИИОСПе были выявлены токсичность и экологическая несостоятельность целого ряда реагентов, рекламируемых для закрепления грунтов в условиях реконструкции, в частности, акриловых, фенольно-формальдегидных, фурановых, хромлигниновых и карбамидных смол с несвязным формальдегидом.
В рекомендациях по укреплению водонасыщенных слабых грунтов защелачиванием (Уфа, НИИпромстрой) предлагается нагнетать под давлением в слабые пылевато-глинистые грунты концентрированные растворы каустика. Предполагается, что под воздействием высококонцентрированного каустика произойдет частичное поверхностное растворение глинистых минералов с образованием щелочных алюмосиликатных гелей, способных надежно закреплять слабые грунты. Расчет указывает на чрезмерное количество опасного реагента на 1 м3 закрепляемого глинистого грунта (от 100 до 160 кг). Под небольшое общежитие в Нижнем Новгороде необходимо закачать 300 т каустической соды. Учитывая высокий уровень грунтовых вод, помимо всего прочего, можно ожидать подщелачивания вод. Сам автор Ф.Е. Волков отмечает, что «защелачивание глинистых грунтов сопровождается их активным химическим пучением, приводящим к сильным деформациям сооружений, возведенных на таких грунтах».
Глинизация и битумизация. Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Технология глинизации заключается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60 %. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.
Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к нагнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот, и массив становится практически водонепроницаемым.
Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в сочетании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают водные растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и алюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию (рис. 4.39).
Методы закрепления и замораживания грунтов

Напряжение тока при электрохимическом закреплении составляет 80-100 В, плотность тока 5-7 А/м2, расход энергии 60-100 кВтч на 1 м3 закрепляемого грунта.
Химическое закрепление грунтов позволяет успешно решать многие задачи реконструкции при достаточно сложных инженерно-геологических условиях. Приведем характерный пример из практики в Петербурге. В 1959-60 гг. для предотвращения аварийных осадок стен сценической части здания Мариинского театра было выполнено химическое закрепление грунтов в основании ленточных фундаментов. Закреплению подлежал песок пылеватый с коэффициентом фильтрации 0,5-1,5 м/сут и пористостью n = 0,44. Толща песков составляла 3—4,5 м ниже подошвы фундамента. Закрепление производили по традиционной схеме с использованием карбамидной смолы плотностью 1,076-1,08 г/см3 и 3%-ного раствора соляной кислоты.
Вначале нагнетали раствор соляной кислоты (400 л), затем - 50 л воды и после этого - раствор смолы (400 л). Нагнетание осуществлялось плунжерными насосами ПСБ-4 и НР-3 при давлении 0,3 МПа. Объем одной заходки, приходящейся на 1 инъектор, составил 0,6-0,7 м3.
Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажные пылевато-глинистые грунты, обладающие газопроницаемостью. Наиболее часто этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20 м.
Сущность метода термической обработки заключается в том, что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскаленный воздух или раскаленные газы. Под действием высокой температуры отдельные минералы, входящие в состав скелета, оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта. Кроме того, при обжиге грунты теряют значительную часть химически связанной воды, что изменяет свойства грунтов и уменьшает или полностью ликвидирует просадочность, размокаемость, способность к набуханию.
Температура газов, которыми производится обработка грунта, не должна превышать 750-850 °С. Если температура газов окажется выше, стенки скважин оплавляются и становятся газонепроницаемыми. При температурах ниже 300 °С ликвидации просадочности лессов не происходит.
Существуют различные способы, оборудование и технологические схемы термического закрепления. Одна из технологий заключается в следующем (рис. 4.40): пробуривают скважины диаметром 100-200 мм, которые закрывают специальными керамическими затворами. В затворе оборудуется камера сгорания, к которой подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть и т.п.) и воздух под давлением. Для обеспечения заданной температуры обжига необходимо, чтобы количество воздуха, нагнетаемого в скважину, было не меньше установленной величины.
Для поддержания температуры 750-850 °C расход воздуха на 1 кг горючего составляет 34-39 м3. При указанном количестве воздуха и средней газопроницаемости грунта порядка 25 м3/ч количество сгораемого горючего на 1 м длины скважины не должно превышать 0,85 кг/ч. Термическая обработка производится непрерывно в течение 5-12 сут. После обработки скважины аппаратуру затворов снимают и переставляют на скважины следующего участка. В результате термической обработки получается упрочненный конусообразный массив грунта диаметром поверху 1,5-2,5 м, а понизу на глубине 8-10 м около 0,2-0,4 диаметра поверху.
Методы закрепления и замораживания грунтов

Образуется как бы коническая свая из обожженного непросадочного грунта с прочностью до 10 МПа. Каждая такая свая вследствие понижения температуры по мере удаления от скважины окружена оболочкой просадочного грунта в пределах зоны температур ниже 300 °С.
Применяется также другая технология, которая позволяет сжигать топливо в любой по глубине части скважин, в том числе и в нижней части. В результате этого можно создавать обожженные грунтовые массивы (термосваи) постоянного сечения с уширением внизу или вверху. Сроки обжига в этом случае несколько сокращаются, упрощается технология работ.
Способ состоит в том, что по длине скважины передвигается камера сгорания, позволяющая обжигать грунт на любом участке скважины. Участок обжига отделяется от остальной части скважины жароупорными диафрагмами-отсекателями. Так, при применении жидкого или газообразного топлива форсунка для его сжигания устанавливается в верхней части передвижной камеры сгорания непосредственно под нижней регулируемой раздвижной диафрагмой.
Грунты обжигают в виде отдельных грунтостолбов под фундаменты колонн промышленных цехов или гражданских зданий, а в некоторых случаях производят обжиг грунтового массива в основании всего здания. В этом случае грунтостолбы размещают таким образом, чтобы обожженные упрочненные зоны соприкасались между собой.
Контроль процесса термического закрепления сводится к определению количества тепла, которое прошло через скважину в окружающий грунт. После окончания работ отбирают образцы закрепленного грунта на различном расстоянии от скважины и испытывают их в лабораторных условиях. При термическом закреплении массива в виде отдельных термосвай рекомендуется проведение опытного закрепления с испытанием термосвай статической нагрузкой. При сплошном обжиге грунтов в основании, когда грунтостолбы соприкасаются друг с другом, испытывают обожженный массив штампами площадью не менее 10 000 см2.
Метод предварительного замораживания грунтов применяется при откопке котлованов, опускных колодцев, проходе шахтных стволов и тоннелей в водонасыщенных плывунных грунтах. К достоинствам метода относятся: полное устранение водопритока и исключение опасности прорыва плывунов; к недостаткам - трудность разработки мерзлого грунта, высокая стоимость замораживания, отрицательная температура в забое.
Для охлаждения и замораживания грунта пробуриваются скважины, которые оборудуются замораживающими колонками. По питающей трубе диаметром 25-50 мм в колонку подается охлаждающий раствор. Поднимаясь по внешней трубе диаметром 100-114 мм, он отнимает теплоту у грунта. В качестве охлаждающего раствора чаще всего применяется водный раствор (рассол) хлористого кальция с плотностью 1,23-1,25 г/см3, температура замерзания которого равна - 28-35 °С.
Рассол выполняет функцию переносчика холода: в замораживающих скважинах он отнимает тепло у грунта, а на замораживающей станции отдает тепло, охлаждаясь сам. Получение низких температур на замораживающих станциях основано на принципах испарения кипящих при низкой температуре жидкостей - хладоагентов (аммиак, углекислота, фреоны). На холодильных установках в качестве хладоагентов чаще всего используется аммиак. Переход аммиака в газообразное состояние (испарение) происходит в испарителе. Тепло для испарения аммиак получает от рассола. Из испарителя пары аммиака всасываются компрессором при температуре -25 °C и давлении 0,155 МПа. Сжатый горячий газообразный аммиак поступает в конденсатор, где охлаждается водой до +15-20 °C и переходит в жидкое состояние. Из конденсатора под давлением 0,8-1,0 МПа аммиак направляется к испарителю, на входе которого стоит дроссель для понижения давления с 0,8-1,2 до 0,155 МПа. Аммиак закипает, температура его падает и цикл повторяется. Вторым замкнутым циклом на холодильных установках является движение рассола. Из замораживающих скважин рассол поступает нагретым на 3-5 °С.
Третьим замкнутым циклом на холодильной установке является движение воды для охлаждения. Отнимая тепло у горячего аммиака в конденсаторе, она охлаждается в градирне или водоеме.
Для нормального протекания процесса замораживании грунта холодопроизводительность установки должна быть порядка 250 ккал/ч на каждый квадратный метр площади боковой поверхности замораживающих колонок. Таким образом, для 100 колонок глубиной по 20 м необходимая хладопроизводительность составляет:
Методы закрепления и замораживания грунтов

Серийно выпускаемые замораживающие установки (рис. 4.42) имеют производительность от 60 до 400 тыс. ккал/ч. Радиальная скорость нарастания ледогрунтового цилиндра вокруг скважин составляет в среднем в песках -2,5 см/сут, в глинах -1—1,5 см/сут. Замораживающие скважины располагают на расстоянии друг от друга 0,9-1,2 м; таким образом, теоретически за 20-30 дней образуется сплошная, водонепроницаемая, прочная ледопородная стена. Практически промораживание ведут не менее двух месяцев. После этого холодопроизводитель-ность может быть снижена до 30-40 % от первоначальной; этого достаточно для поддержания грунта в замороженном состоянии.
В интервале температур от -10 до -20 °C предел прочности льда на сжатие составляет 2,0-4,0 МПа, глины - 7-15 МПа. При расчетах ледогрунтовых стенок на прочность величина расчетного сопротивления принимается ~25 % от предела прочности (табл. 4.3), так как льдистые грунты при напряжениях свыше этого уровня проявляют значительную ползучесть.
Методы закрепления и замораживания грунтов

Толщина стенки замороженного грунта 5 (м) определяется расчетом на давление воды и давление грунта во взвешенном состоянии. При кольцевой форме стенки в плане и осесимметричной гидростатической нагрузке расчет выполняют по формуле Ломе:
Методы закрепления и замораживания грунтов

где Dв - внутренний диаметр ледопородной стенки, м; R - расчетное сопротивление на сжатие мерзлого грунта, МПа; р - суммарное расчетное давление воды и грунта на ледопородную стенку на уровне дна котлована, МПа.
В мировой практике существует богатый арсенал различных химических реагентов, способных закрепить грунт основания на достаточно длительный период. К достоинствам химических способов относятся: высокая степень механизации всех операций; возможность упрочнения грунтов до заданных проектом параметров в их естественном залегании; сравнительно малая трудоемкость, резкое сокращение ручного неквалифицированного труда по откопке траншей, а также сравнительно невысокая стоимость исходных материалов (возможность использования отходов производства) (рис. 4.43). В начале 60-х гг. для улучшения свойств грунтов основания широко использовался кубовый остаток - отход производства кремнийорганических соединений (этилсиликат натрия). Были укреплены грунты в основании фундаментов здания тяговой подстанции трамвая в г. Усолье-Сибирское Иркутской области. Деформации этого относительно легкого здания произошли из-за неравномерных поднятий силами морозного пучения и соответствующих просадок при оттаивании расструктуренного грунта. Фундаменты имели заглубление 1,2 м от планировочной отметки при промерзании грунтов в этом регионе до 2,7-3,0 м. С использованием этилсиликата натрия были стабилизированы аварийные осадки двух складских неотапливаемых построек и одного жилого здания на морозоопасных и просадочных грунтах.
Методы закрепления и замораживания грунтов


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна