Методы закрепления грунтов оснований. Понятие о методах цементации и силикатизации.

Методы закрепления грунтов оснований:

1. Конструктивные методы улучшения оснований

2. Механические методы уплотнения грунтов

2.1 Поверхностное уплотнение грунтов

2.2 Глубинное уплотнение грунтов

3. Физико-химические методы улучшения оснований

3.1 Инъекционные методы

3.2 Электрические методы закрепления грунтов

3.3 Температурные методы упрочнения грунтов

 

Способы устройства искусственных оснований Таблица 9.1

Методы устройства	Вид основания или способ его устройства	Область применения по грунтовым условиям
Конструктивные методы	Песчаные подушки	Илы, связные грунты в текучем состоянии, торфы, заторфованные и насыпные грунты
Грунтовые подушки из местного связного грунта	То же, а также просадочные грунты
Каменные, песчано-гравийные и другие отсыпки	Обводненные илы и другие структурно-неустойчивые грунты.
Шпунтовые ограждения	То же
Армирование грунтов	Слабые песчаные и связные грунты
Механические методы	Поверхностное уплотнение	Уплотнение грунтов укаткой	Рыхлые песчаные и макропористые просадочные грунты, свежеуложенные связные грунты при Sr ≤ 0,7 и послойной отсыпке
Уплотнение грунтов площадочными вибраторами	Рыхлые песчаные грунты при послойной укладке
Уплотнение грунтов тяжёлыми трамбовками	Рыхлые песчаные и макропористые просадочные грунты, свежеуложенные связные и насыпные грунты при Sr ≤ 0,7
Вытрамбовывание котлованов под фундаменты	Макропористые просадочные грунты, пылевато-глинистые грунты при Sr≤ 0,7
Глубинное уплотнение	Уплотнение грунтов грунтовыми сваями	Макропористые просадочные грунты, рыхлые пылеватые и мелкие пески, слабые сильносжимаемые заторфованные грунты
Уплотнение грунтов пневмопробойниками	Макропористые просадочные грунты, пылевато-глинистые грунты при S≤ 0,7
Уплотнение грунтов раскаткой скважин	Макропористые просадочные грунты, пылевато-глинистые грунты при S≤ 0,7, торфы
Устройство известковых свай	Слабые сильносжимаемые водонасыщенные пылевато-глинистые и заторфованные грунты
Обжатие грунтов статическими нагрузками с устройством вертикальных дрен	Слабые сильносжимаемые пылевато-глинистые и заторфованные грунты
Уплотнение грунтов динамическими воздействиями	Рыхлые песчаные грунты
Уплотнение грунтов глубинными взрывами	То же
Предварительное замачивание	Макропористые просадочные грунты
Предварительное замачивание и глубинные взрывы	Макропористые просадочные грунты
Уплотнение грунтов водопонижением	Слабые сильносжимаемые водонасыщенные грунты
Физико-химические методы	Инъекцион-ные	Цементация	Трещиноватая скала, гравелистые и крупные пески
Силикатизация	Пески и макропористые просадочные грунты
Закрепление грунтов синтетическими смолами	То же
Электрохимические	Электросиликатизация	Слабые пылевато-глинистые грунты при коэффициенте фильтрации грунтов к ≤ 0,01 м/сут.
Электроосмос	То же
Электрохимическое закрепление	То же
Разрывные	Струйная технология	Пески, макропористые просадочные, пылевато-глинистые грунты
Высоконапорная инъекция	Пески, макропористые просадочные, пылевато-глинистые грунты
Напорная инъекция	Насыпные, органические и органоминеральные грунты, рыхлые пески, пылевато-глинистые грунты Ip > 0,5
Температурные	Термическое закрепление	Макропористые просадочные и другие связные грунты
Замораживание	Структурно неустойчивые водоносные грунты

 

Основоположником метода инъекций твердеющего раствора для упрочнения и закрепления грунтов основания можно считать инженера Бериньи, успешно инъектировавшего цементные растворы под давлением при ремонте ограждающих щитовых сооружений в 1802 г. в порту Дьепп во Франции.

Инъекционное закрепление грунтов производится с целью уменьшения их водопроницаемости (противофильтрационное) или увеличения прочности (укрепительное). Оно основано на постепенном нагнетании твердеющих растворов в грунт, при этом в зависимости от технологии производства работ возможны две принципиально различные схемы:

1. Нагнетание раствора осуществляется под давлением, не превышающим структурную прочность грунта. Инъектируемый раствор заполняет поровое пространство и там застывает, при этом происходит изменение свойств грунта без нарушения естественного сложения. В классической литературе такая технология называется пропиткой грунта или традиционным инъекционным закреплением.

2. Инъектирование раствора осуществляется с разрывом структуры грунта, при этом его распространение происходит по образовавшимся трещинам и слабым прослоям в массиве. В результате происходит образование жесткого каркаса из затвердевшего раствора и уплотнение грунта в местах его обжатия.

Инъекционные методы упрочнения, основанные на пропитке грунтов, в литературе традиционно связываются с названием вяжущего - цементация, силикатизация, смолизация.

Цементация грунтов основана на нагнетании в упрочняемое основание цементных растворов, которые при твердении придают массиву необходимую прочность и монолитность. Достоинствами цементации являются техническая простота, высокая надёжность достигаемых результатов, экологическая чистота вяжущего (цемента), его широкое распространение и доступность. Основным недостатком метода является ограниченность условий применения высокопроницаемыми грунтами.

Цементный раствор не является раствором в смысле химического термина, а представляет собой водную суспензию с частицами цемента. Известно, что наиболее крупные частицы цемента обычного помола имеют диаметр частиц порядка около 0,1 мм. Для нагнетания цементного раствора в грунт поры должны быть достаточно крупными, а потому цементацию традиционно применяют для упрочнения трещиноватой скалы и крупнообломочных грунтов с коэффициентом фильтрации не ниже 100 м/сутки. При использовании цементов высокого помола этот метод с успехом может применяться для упрочнения оснований, сложенных гравелистыми песками, а также крупными и средней крупности. С повышением тонкости помола улучшаются некоторые основные свойства цементного раствора: уменьшается расслаиваемость раствора, создаётся более однородная по плотности структура, понижается скорость и объём водоотделения, увеличивается прочность цементного камня. В то же время, использование высокодисперсных цементов, особенно иностранного производства, значительно повышает стоимость работ.

При цементации расчёт параметров инъектирования (объём раствора, давление нагнетания, размеры зоны распространения раствора) производится на основе решения фильтрационных задач. Для уточнения проектных параметров выполняется опытное нагнетание в натурных условиях.

При цементации скальных трещиноватых массивов нагнетание ведётся в скважины. Интервал нагнетания ограничивается специальными тампонами ( рис. 9.12 ).

Рис. 9.12 Цементация скальных пород

1- манометр, 2 – тампон, 3 – трещины, 4 - необсаженная цементационная скважина.

 

При упрочнении гравийно-галечниковых и песчаных грунтов ( рис. 9.13 ) для нагнетания раствора используются инъекторы из стальных труб диаметром 27-150 мм. Длина перфорированной части составляет 0,8-1 м. Нагнетание раствора продолжается до прекращения поглощения раствора («отказа»), которое контролируется по резкому возрастанию давления нагнетания.

Рис. 9.13 Схема цементации дисперсных грунтов

1 - гравелистый песок, 2 - среднезернистый песок, 3 - крупный песок, 4 – гравий, 5 - стабилизированная зона, 6 – манометр, 7 - гидравлический подъемник инъектора, 8 - инъектор.

Силикатизация грунтов основана на использовании силикатных растворов и их производных, которые при соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы грунта. В зависимости от водопроницаемости грунта и его химической активности используют двух- или однорастворный способ силикатизации.

Пески с коэффициентом фильтрации 2-80 м/сутки закрепляют двухрастворной силикатизацией. Для этого через инъектор, заходками, равными длине его перфорированной части, нагнетают водные растворы силиката натрия (Na₂O ·n SiO₂) с плотностью 1,3-1,4 г/см³ и хлористого кальция (CaСl₂) с плотностью 1,26-1,28 г/см³, при взаимодействии которых образуется гидрогель кремниевой кислоты (SiO₂· n H₂O). Постепенно этот гель отвердевает и цементирует частицы песка в камневидную массу с прочностью на сжатие 2-5 МПа. Рабочее давление при нагнетании растворов назначают 0,12-0,15 МПа и не более 0,2 МПа.

Специфическим недостатком двухрастворной силикатизации является то, что хлористый кальций, являясь сильным коагулянтом, при соединении с жидким стеклом очень быстро образует гель. Это ограничивает радиус проникновения раствора в грунт.

Для закрепления мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5-5 м/сутки применяют однорастворный способ силикатизации. По этой технологии в грунт нагнетается раствор силиката натрия плотностью 1,15-1,30 г/см³ с медленно действующим отвердителем - ортофосфорной кислотой или алюминатом натрия. Образование геля в грунте при смешении этих растворов происходит в заданное время, зависящее от количества коагулянта. Прочность закрепленного грунта на сжатие доходит при этом до 2–3 МПа.

Газовая силикатизация представляет собой нагнетание в грунт двуокиси углерода для предварительной его активации с последующей закачкой силикатного раствора. После инъекции раствора производят повторное нагнетания в грунт двуокиси углерода, что усиливает процесс отвердения крепителя. Способ газовой силикатизации позволяет закреплять пылеватые пески с невысоким коэффициентом фильтрации, а также лёссовые грунты в достаточно широком диапазоне их влажности.

Лёссы и лёссовидные глинистые грунты естественной влажности с коэффициентом фильтрации 0,1-2 м/сутки закрепляют также однокомпонентным раствором “жидкого стекла” с плотностью 1,1-1,2 г/см³ без какой-либо активизации грунта. Отвердителем здесь являются содержащиеся в лёссе соли кальция (карбонаты). Прочность закрепленного однораствороной силикатизацией грунта на сжатие доходит при этом до 2-3 МПа.