Температурные методы упрочнения грунтов

Сущность методов температурного закрепления заключается в увеличении прочности структурных связей в грунте под влиянием высокой или низкой температуры. К температурным методам улучшения свойств грунтов причис­ляют все технические мероприятия, основанные на двух следу­ющих основных принципах:

- подводе тепла для высушивания или обжига грунтов;

- отводе тепла от грунтов для их замораживания или понижения отрицательной температуры.

Термическое упрочнение (обжиг) грунтов используется для улучшения физико-механических свойств связных грунтов в условиях их естественного залегания. Обжигу могут быть подвержены различные грунты (кроме заторфованных) с содержанием глинистых частиц не менее 7 % и с коэффициентом водонасыщения S_r < 0,8. Наиболее широко этот способ применяется для устранения просадочности и упрочнения лёссовых суглинков и глин.

В закрепляе­мом массиве без обсадки бурятся скважины диаметром 150-300 мм. В устье скважины устанавливаются трубы для подвода в скважину продуктов горения, монтируется камера сгорания с форсункой для подачи жидкого или газообразного топлива (рис. 9.20 ). Перед началом обжига поверх­ность грунта вокруг устья скважины надежно герметизируется.

Рис. 9.20 Схема обустройства скважины для упрочнения грунта обжигом а - закрепление грунта нижней зоны массива, б - закрепление грунта верхней зоны. 1 - форсунка, 2 - затвор, 3 - труба подачи воздуха, 4 - отсекатель, 5 - труба- удлинитель форсунки, 6 - скважина, 7 - закрепляемый массив грунта, 8 - термопары, 9 - закреплённый грунт.

 

В качестве топлива чаще всего используется природный газ. На термическую обработку 1 м³ грунта расходуется от 40 до 60 м³ природ­ного газа. Топливо сжигают непосредственно в скважине, для чего в нее подают еще и холодный сжатый воздух, поддерживающий горение и регулирующий температуру в скважине. Под избыточным давлением (~0,05 МПа) горячие газы из скважины проникают в поры грунта и обжигают его за 5–10 суток в радиусе 0,8–1,5 м. Оптимальная температура в скважине поддерживается в зависимости от целей обжига равной 400–800 °С. При температуре свыше 900 °С происходит оплавление (спекание) стенок скважины, и эффективность обжига резко снижается. При температуре закрепляемого грунта ниже 300 °С устранения просадочных свойств не происходит.

Глубина одновременного обжига грунта зависит от длины факела и составляет при сжигании газа 10–12 м, при жидком топливе 6–8 м. Когда требуемая глубина закрепления превышает длину факела горения, обжиг выполняют заходками по глубине, начиная с нижней части скважины. В этом случае фильтрацию теплоносителя регулируют с помощью отсекателя (рис. 9.20, а). Когда на первой заходке достигаются проектные параметры закрепления, отсекатель перемещают вверх и процесс обжига продолжается (рис. 9.20, б).

К достоинством термического закрепления грунтов можно отнести стойкое упрочнение грунта в результате воздействия необратимых процес­сов и химических превращений. Прочность при одноосном сжатии обожжённого грунта достигает 1–3 МПа.

Недостатками являются большие энергозатраты, относительная сложность обустройства устья скважины, а также зависимость получаемой формы закрепленного массива от газопроницаемости грунтов по глубине.

Искусственное замораживание грунтов. Сущность закрепления грунтов путём их замораживания состоит в том, что вода, содержащаяся в порах дисперсных грунтов, переходит в твердое состояние, что приводит к упрочнению структурных связей между отдельными частицами.

С возрастающим содержанием поровой воды связи между частицами становятся более прочными, так что наибольший эффект замораживания проявляется ниже уровня грунтовых вод. Поэтому искусственное замораживание применяется, как правило, для закрепления неустойчивых водоносных рыхлых пород (напри­мер, плывунных песков).

В зависимости от цели и назначения сооружения при замораживании грунта могут применяться различные техноло­гические системы. Различают циркуляционные системы (двух- и одноконтурные) и системы без возврата охладителя (охлаж­дение жидким азотом и жидким воздухом при свободном испа­рении).

Чаще всего замораживание применяют для устройства грунтовых ограждающих конструкций при строительстве подземных станций и эскалаторных тоннелей метрополитенов, фундаментов мостов, стволов горных шахт, для устройства противофильтрационных завес гидротехнических сооружений. При этом по линии ограждения в грунт погружают на определённом расстоянии друг от друга замораживающие колонки из труб диаметром 100-150 мм ( рис. 9.21 ), внутри которых циркулирует охлажденный раствор хлористого кальция.

Вокруг каждой колонки образуется цилиндрический столб из мерзлого грунта, размеры которого в процессе замораживания увеличиваются и с течением времени отдельные столбы сливаются, образуя сплошную стенку из мерзлого грунта.

Рис. 9.21 Схема замораживающей колонки:

1 - наконечни, 2 - замораживающая труба, 3 - отводящий патрубок, 4 - подводящий патрубок.

 

Обычно такой стенке придают кольцевое очертание в плане, и она может выдержать значительные давления талого грунта и воды за её наружным контуром. Толщину такой кольцевой стенки в расчёте на наибольшее возможное давление по её контуру р можно определить по формуле

(9.3)

где d 0- внутренний диаметр стенки; R м- расчетное сопротивление мерзлого грунта сжатию, зависящее от вида грунта и его отрицательной температуры в стенке [18].

Искусственное понижение отрицательных температур применяют для усиления многолетнемерзлого состояния грунтов в основаниях сооружений.

Эффективное понижение температуры мерзлых грунтов может быть достигнуто с помощью вентилируемых буровых скважин или пустотелых свай, устраиваемых на глубину охлаждаемой зоны основания в качестве вертикальных элементов стока тепла из грунта в атмосферу. В качестве хладоносителя, циркулирующего через полость скважины или сваи ( рис. 9.22, а ), чаще используют наружный зимний воздух. Охлаждение грунтов этим способом эффективно лишь при низких температурах воздуха ( рис. 9.22, б ): ниже –20 °С для глинистых грунтов и ниже –10…15 °С - для песчаных. При более высоких температурах воздуха время, потребное для охлаждения грунта вокруг скважины, резко возрастает [12].

 

 

 

 

Рис. 9.22Охлаждение мерзлых грунтов скважиной с циркулирующим холодным воздухом

а - схема обустройства охлаждающей скважины, б - время охлаждения заданного объема грунта в зависимости от температуры наружного воздуха

1 - всасывающие трубки, 2 – шланг, 3 – щит, 4 - циркуляционная труба,

5 - для песков, 6 - для глинистых грунтов.

 

Для охлаждения высокотемпературных вечномерзлых грунтов, а также для восстановления мерзлого состояния оснований, протаявших по той или иной причине во время эксплуатации сооружений, широко применяют автоматические самонастраивающиеся охлаждающие установки (СОУ), которые бывают двух типов: парожидкостные и жидкостные.

Парожидкостная установка ( рис. 9.23, а ) представляет собой стальную трубу, погруженную в зону охлаждения грунта, с выступающей оребренной наружной частью (радиатор). В полости трубы под давлением 0,4 МПа находится сжиженный газ-пропан или аммиак. При снижении температуры радиатора установки ниже температуры охлаждаемого грунта у её нижнего конца происходит кипение и испарение пропана, пары которого поднимаются, унося с собой тепло из грунта в верхнюю, более охлажденную часть трубы. Здесь пропан, охлаждаясь до температуры наружного воздуха, конденсируется на стенках трубы и стекает в её нижнюю часть. При положительных температурах наружного воздуха (в летнее время) вертикальная циркуляция пропана в трубе прекращается сама по себе и теплообмен грунта с атмосферой через установку останавливается.

Рис. 9.23 Самонастраивающиеся охлаждающие установки (СОУ) а – парожидкостная, б - жидкостная 1- стальные трубы, 2 - ребристый радиатор, 3 - штуцер для контроля рабочей жидкости, 4 - жидкий пропан, 5 – керосин.

Жидкостные СОУ (рис. 923,б) чаще изготавливают двухтрубными из труб разного диаметра, соединённых в замкнутую систему, в которой происходит циркуляция жидкости - керосина. В трубе меньшего диаметра керосин охлаждается быстрее, чем в трубе большего диаметра, и плотность его в тонкой трубе больше. Это и является причиной циркуляции керосина в холодный период года: по тонкой трубе - вниз, по трубе большего диаметра - вверх. В летний период охлаждённый керосин находится в нижней части установки и плотность его здесь больше, чем в верхней, более нагретой части, в результате чего установка из теплообмена автоматически отключается.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Березанцев В.Г. Расчет оснований сооружений. - Л.: Стройиздат, 1970. 208 с.

2. Глотов Н.М., Силин К.С. Строительство фундаментов глубокого заложения. - М.: Транспорт, 1985. 247 с.

3. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. - М., 1984. 679 с.

4. ГОСТ 25100 - 95 Грунты. Классификация. Стройиздат. М. 1995

5. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. 4-е изд.перераб. и доп. - М.: ВНИИНТПИ, 2000. 318 с.

6. Костерин Э.В. Основания и фундаменты. - М.: Высш. школа, 1990. 430 с.

7. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений / Под ред. Б.И. Далматова; 3-е изд. - М.: АСВ, 2006. 428 с.

8. Механика грунтов, основания и фундаменты / Под ред. С.Б. Ухова - 2 –ое изд. - М.: Высш. школа., 2002. - 566 с.

9. Основания и фундаменты мостов: Справочник / Под ред. Силина К.С. - М.: Транспорт. 1990. 240 с.

10. Основания и фундаменты транспортных сооружений / Под ред. Г.П. Соловьева. - М.: Транспорт, 1995. 336 с.

11. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.

12. Пусков В.И. Основания и фундаменты транспортных сооружений. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2001 214 с.

13. Силин К.С., Глотов Н.М., Завриев К.С. Проектирование фундаментов глубокого заложения М.: Транспорт, 1981. 252 с.

14. Смородинов М.И., Федоров Б.С. Устройство фундаментов и конструкций способом стена в грунте. - М., 1976.

15. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. 40 с.

16. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы / Госстрой СССР. М., 1988. 200 с.

17. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. М., 1986. 48 с.

18. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Госстрой СССР. М., 1990. 55 с.

19. СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических районах. - М., Стройиздат. 1982. 91 с.

20. СП 32-104-98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм. - М., Стройиздат. 1999.

21. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. - М., Стройиздат. 2004. 70 с.

22. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - М., Стройиздат. 2004. 130 с.

23. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. - М.: АСВ, 2005. - 488 с.

24. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Высшая школа, 1983. - 268 с.