Несвязные техногенные грунты

В группе техногенных несвязных грунтов выделяется три подгруппы: 1) природные образования, измененные в условиях естественного залегания (техногенно измененные грунты), 2) природные перемещенные образования (техногенно переотложенные). 3) антропогенные образования.

Среди техногенно измененных несвязных грунтов, полученных из природных несвязных образовании методами технической мелиорации, можно выделить несколько основных типов. Прежде всего, это уплотненные несвязные грунты. Механическое уплотнение несвязных грунтов не приводит к принципиальному изменению их структурных связей - упрочнение и снижение водопроницаемости достигается за счет снижения пористости и увеличения суммарной площади контактов между частицами грунта в единице его объема. Методы уплотнения грунтов подразделяются на поверхностные, когда уплотняющее воздействие прикладывается на поверхности массива и приводит к уплотнению толщи грунтов сравнительно небольшой мощности, и глубинные при передаче уплотняющего воздействия на значительную глубину. Поверхностное уплотнение производится укаткой, трамбованием, вибрационными механизмами, подводными взрывами, методом вытрамбовывания котлованов. Для водонасыщенных песчаных грунтов наиболее эффективны методы глубинного виброуплотнения и уплотнение подводными взрывами.

Техногенно измененные несвязные грунты, возникшие как побочные продукты хозяйственной деятельности человека. образуются: 1) в результате разуплотнения и дренннирования в бортах карьеров и котлованов; 2) при обводнении массивов несвязных грунтов в результате техногенного подтопления территорий, вследствие чего снижается устойчивость грунтов. Так, разжижение песков в связи с техногенным повышением уровня грунтовых вод происходило в Кзыл-Орде (Хазанов, Х975); 3) при засолении грунтов в аридных зонах в результате неправильно организованного орошения и на территориях нефтегазовых месторождений при разливах минерализованных вод глубоких водоносных горизонтов; 4) в основании отвалов и гидроотвалов вскрышных пород, зол, шлаков, шламов, полигонов бытовых и промышленных отходов за счет уплотнения, а также изменения состава и свойств под влиянием фильтрующихся вод из техногенного водоносного горы зонта и диффузионного приноса солей; 5) при загрязнении грунтов разливами сырой нефти, нефтепродуктами на территориях нефтегазовых месторождений и нефтеперерабатывающих предприятий, по трассам нефте- и газопроводов. С ростом степени загрязнения углеводородами снижаются такие свойства песчаных грунтов, как удельный вес, высота и скорость капиллярного поднятии, но могут повышаться коэффициент пористости (за счет снятия капиллярных сил) и угол естественного откоса; 6) при техногенном оттаивании многолетнемерзлых несвязных грунтов в результате отепляющего воздействии сооружений или водохранилищ в криолитозоне. Это, пожалуй, случай наиболее существенного нецеленаправленного изменения свойств грунтов в строительной практике. Среди техногенно переотложенных несвязных грунтов выделяется две подгруппы. Насыпные техногенные несвязные грунты формируются в процессе строительства как необходимый элемент строительных конструкций, земляных сооружений или в процессе складирования строительных материалов или промышленных отходов. Толщи насыпных грунтов обычно неоднородны по составу, часто обладают неравномерной сжимаемостью и способны к самоуплотнению под весом вышележащих толщ, при вибрации и водопонижении. Наличие органических включений способствует развитию со временем дополнительных осадок за счет их разложения. В толщах насыпных грунтов могут встречаться большие пустоты или твердые включения больших размеров (обломки свай, кирпичной кладки, элементов конструкций и др.). По условиям образования насыпные несвязные грунты можно подразделить на планомерно возведенные насыпи и отвалы.

Планомерно возведенные насыпи обычно устраиваются из однородных природных грунтов для планировки территорий, устройства оснований под фундаменты, обратных засыпок котлованов, полушек на слабых грунтах. К ним также относятся многие земляные сооружения: плотины, дамбы, насыпи железных и автомобильных порог. Все качественные насыпи возводятся по специальному проекту с уплотнением укладываемых грунтов по заданной плотности дли достижения равномерной сжимаемости и требуемой прочности.

Отвалы грунтов и отходов промышленных производств устраиваются в виде отсыпки отдельных видов грунтов при вскрытии котлованов, планировании территорий, проходке горных выработок. Уплотнение грунтов в таких отвалах не ведется, поэтому плотность и сжимаемость отвалов даже при относительной однородности состава могут изменяться по глубине и протяженности. Среди отвалов горно-технического производства можно выделить отвалы открытой разработки полезных ископаемых, основу которых составляют раздробленные вскрышные породы, и терриконы, формирующиеся при подземной добыче углей, в составе которых присутствуют горючие компоненты - уголь, углистые сланцы, сера и др. Строительные отвалы представляют собой непланомерно отсыпанные массивы техногенных грунтов и сложены строительным мусором и природными грунтами, перемещенными при планировке местности и проходке котлованов.

Намывные несвязные техногенные грунты создаются в понижениях рельефа при подготовке территории к строительству, как намывные сооружении из грунтовых материалов, как запасы строительного материала или устройства насыпей при последующем освоении территорий или гидроотвалы горного производства.

Массивы намывных грунтов созданы во многих крупных городах. Для намыва обычно используются пески русловой фации аллювия, уплотнение и дегидратация которых после укладки происходят достаточно быстро. В последующем наблюдается постепенное упрочнение намытых грунтов во времени, обусловленное возникновением дополнительных структурных связей за счет отложенных на контактах соединений кремния, железа, алюминия и кальция.

Гидронамыв применяется при строительстве плотин на равнинных реках, а также оградительных дамб разного назначения. По строению намывные плотины подразделяются на однородные (возводимые из грунтовых материалов одинаковой дисперсности) и разнородные, содержащие в центральной часты противофильтрационное ядро из более дисперсного материала. Технология намыва этих земляных сооружений несколько различается.

Своеобразные намывные грунты образуются при работе ирригационных систем. По свойствам они могут быть близки к аллювиальным отложениям, но часто характеризуются большей однородностью по составу и меньшей изменчивостью свойств в пространстве, поскольку образование таких грунтов происходит в потоках, регулируемых человеком. Несвязные техногенные грунты гидроотвалов формируются при использовании гидромеханизации земляных работ в горно-техническом производстве: разработке вскрышных пород, добыче песчано-гравийных строительных материалов и др. Со временем в этих грунтах часто происходят неравномерные осaдки, являющиеся результатом кратковременности накопления и пространственной изменчивости состава намываемых грунтов. Антропогенно образованные несвязные грунты, вещественный состав которых не имеет аналогов в природе, представляют собой промышленные отходы. По механизму образовании их (так же как и техногенно переотложенные грунты) можно подразделить на насыпные и намывные. Несвязные антропогенные образовании представлены отвалами и гидроотвалами шлаков металлургического производства, золошлаков, образующихся на тепловых электростанциях при сжигании твердого топлива, а также шламами хвостохранилищ горно-обогатительных производств.

Шлаки черной металургии (доменные. мартеновские, ферромарганцевые) представляют собой побочный продукт выплавки чугуна и стали из железных руд. Выход шлаков очень велик и составляет 0,4-0,65 т на 1 т чугуна. В состав этих шлаков входит до 30 различных химических элементов, преимущественно в виде оксидов. Состав шлака зависит от состава кокса и пустой породы. Доменные шлаки используются в цементной промышленности для производства шлакопортландцимента, заполнителей для бетонов, шлакоситаллов и других искусственных каменных строительных материалов. Особенно широко используются гранулированные шлаки, получаемые при быстром охлаждении шлакового расплава, в результате которого шлак приобретает стекловидную структуру и высокую активность. Но все же очень много шлаков скапливается в отвалах, где идет их постепенный распад и химическое преобразование.

Золы и шлаки тепловых электростанций - это минеральный остаток, получающийся при сжигании твердого топлива - угля, торфа, горючих сланцев. Одна ТЭС средней мощности ежегодно выбрасывает в отвалы до 1 млн т золы и шлаков, а ТЭС, сжигающая многозольное топливо (например, сланцы), -до 5 млн т. По химическому составу топливные золы и шлаки состоят из оксидов кремния, алюминия, железа, кaльция и др., а также содержат несгоревшее топливо. На современных ТЭС уголь сжигают в пылевидном состоянии. Шлак образуется в результате слипания размягченных частиц золы и объеме топки и накапливается в шлаковом бункере под топкой. После охлаждения расплава в водяной бане кусковой шлак подвергается дроблению и направляется в систему гидроудаления. Размер зерен шлака колеблется от 0,3 до 50 мм. Зола представляет собой тонкодисперсный порошок, образующийся из минеральной части твердого топлива, уносится из топки с дымовыми газами (зола уноса) и улавливается при их очистке в циклонах и электрофильтрах. Зола состоит из частиц сферической формы размером от нескольких до 50-60 мкм, имеющих гладкую остеклованную поверхность. На микроуровне эти частицы имеют пемзовидное строение, обусловленное формированием пустот при быстром остывании материала. При совместном гидроудалении отколов формируются гидроотвалы золошлаков -смеси тонкодисперсной золы и зернистого остатка. Золы и шлаки ТЭС широко используются при изготовлении тяжелых бетонов и строительных растворов, в дорожном строительстве, а также при закреплении дисперсных грунтом. Применение основано на способности золы связывать свободный гидрат окиси кальции, формирующийся при гидратации цемента, улучшая характеристика затвердевшего бетона.

Шламы образуются при получении цветных металлов по ряду так называемых "мокрых" технологий. Шлам - это общее названые осадков суспензий, получаемых в металлургических и химических производствах в результате процессов, осуществляемых гидрохимическим методом. Например, побочным продуктом производства алюминия является бокситовый шлам - рыхлый сыпучий материал красного цвета (красный шлам). Выход его от 1 до 2,5 т на 1 т глинозема, химический состав - оксиды кремния и, алюминия, кальция, железа, натрия и др. При получении глинозема из нефелинового сырья в качестве побочного продукта образуется нефелиновый шлам. Он называется белитовым шламом, так как состоит в основном из мелких кристаллов клинкерного минерала белита (2СаО SiO2) и образуется в количестве 6 т на 1 т глинозема. Очевидно, что большинство шламов представляют собой глинистые техногенные образования, однако в связи с четким фракционированием взнеси в регулируемом потоке пульпы возможно формирование как отдельных прослоев, так и зон несвязных отложений в теле хвостохранилищ.

Несвязные антропогенные образования могут встречаться и среди других промышленных отходов - гранулированных электротермофосфорных шлаков, пиритных огарков и других, а также в толще так называемого культурного слоя.

 

 

Связные техногенные ГРУНТЫ

В группе техногенных связных грунтов выделяются три подгруппы: 1) природных образований, измененных в условиях естественного залегания (техногенно измененные грунты), 2) природных перемещенных образований (техногенно переотложенные), 3) антропогенных образовании. Это, пожалуй, наиболее широкая по набору возможных разновидностей группа искусственных грунтов

Техногенно измененные связные грунты могут быть получены методами тех­нической мелиорации из природных как несвязных, гак и связных образова­ний. В первом случае они являются результатом инъекционного закрепления несвязных грунтов с помошыо глинистых суспензий или органических вяжущих. Глинизация применяется в основном для снижения водопроницаемости пес­ков с коэффициентом фильтрации 20—40 м/сут, для которых эффективное тампонирование цементными и глиноцементными суспензиями невозможно. Хорошую проникающую способность имеют суспензии бентонитовых глин, однако из-за удаленности месторождений бентонитов и их ограниченной до­бычи шире используются более дешевые местные глины. В некоторых случаях для повышения суффозионной устойчивости создаваемого грунта в суспен­зию добавляется немного (3—10% от массы глины) силикатного раствора, что позволяет получить гель, устойчивый при градиентах напора 300 и более.

При создании водонепроницаемых завес для борьбы с фильтрацией ис­пользуется обработка песчаных грунтов методом холодной битумизации. Он заключается в нагнетании битумной эмульсии через систему инъекторов. По мере поступления в грунт битумной эмульсии она оттесняет воду, частично смешиваясь с ней и заполняя поры. В дальнейшем под влиянием коагулирую­щих веществ, которые вводятся во время или после инъекции, битумная эмуль­сия распадается, и частицы битума заполняют поры в виде прерывистой пленки. В результате этого у песков снижается водопроницаемость в 4—100 раз, и они приобретают связность. Метод холодной битумизации применим для песков с Кф⁼16—100 м/сут и обычно используется в гидротехническом строительстве.

 

Связные грунты могут существенно изменять свои свойства, в частности повышать прочность и несущую способность при уменьшении их влажности. Этот механизм положен в основу получения техногенных осушенных грунтов. Обезвоживание связных грунтов самотечным или гидродинамическим дрени­рованием неэффективно, и для них применяется вакуумное водопонижение или электроосмотическое осушение. Вакуумное водопонижение эффективно в грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,01 до 2 м/сут (обычно это супеси, иногда легкие суглинки). В основе метода лежит создание вакуума в песчаной «дрене» и подтягивание к ней воды из прилегающего массива под действием разрежения 26-78 кПа, которое повышает интенсивность водопритока к дренажной скважине в 2-3 раза. Водопонижение ведется с помощью системы скважин по заданному контуру. В забое каждой скважины ставится фильтр, выше она засыпается песком, а приустьевой участок

тампонируется глиной или битумом. Вакуумное водопонижение позволяет удалять не только свободную, но и капиллярную влагу, что способствует уплотнению и упрочнению породы. Для обезвоживания глинистых грунтов может использоваться их электроосмотрическое осушение. Метод заключается в том, что при наложении на водонасыщенный глинистый грунт постоянного тока вода от анода передвигается в сторону катода за счет электроосмотического смещения жидкой фазы относительно поверхности частиц. Глубина заложения электродов в грунт зависит от мощности осушаемого слоя. Перфорированные трубы- катоды соединяются в единую сеть водосборного коллектора, из которого ведется откачка воды (рис. 20.5). Затраты электроэнергии составляют 4—5 кВт ч на I м³ грунта. В разнородных по водопроницаемости грунтах (например, при переслаива­нии) возможно сочетание электроосмотического водопонижения с вакуумным.

Техногенные связные грунты целенаправленно фор­мируются с помощью различных методов уплотнения при­родных пылевато-глинистых грунтов с целью повышения их несущей способности. Уплотнение может вестись трамбованием, подводными взрывами, методом вытрам­бовывания котлованов. Для уплотнения сильносжимаемых и заторфованных грунтов применяют песчаные или изве­стковые сваи. Наиболее разнообразны способы ликвида­ции просадочности лёссовых грунтов — кроме перечис­ленных методов для них также применяются замачивание

и гидровиброуплотнение.

 

Трамбование может вестись тяжелыми трамбовками, сбрасываемыми с по­мощью крана-экскаватора на поверхность грунтов, или трамбующими маши­нами ударного действия. Метод эффективен для фунтов при степени влажнос­ти менее 0,7. Уплотнение подводными взрывами эффективно для просадочных лёссовых и рыхлых пылевато-глинистых фунтов при степени влажности 0,7— 0 8 При меньшей влажности проводится их предварительное замачивание.

 

Вытрамбовывание котлованов заключается в образовании в грунтовом массиве полости сбрасыванием в одно и то же место трамбовки имеющей форму будущего фундамента. Впоследствии полость заполняется бетонной смесью, после твердения которой образуется фундаментная конструкция. Суть метол заключается в уплотнении грунта вокруг вытрамбовываемой полости с повышением несущей способности.

Для слабых водонасыщенных связных грунтов большой мощности приме­няется предварительное уплотнение статической нагрузкой, которая создает­ся отсыпкой на уплотняемой площади насыпи из местных материалов. Для ускорения консолидации устраиваются вертикальные дрены разных конст­рукций (песчаные, бумажные комбинированные и др.).

Наиболее надежным и распространенным способом уплотнения лёссовых грунтов считается их предварительное замачивание в котлованах. Для повыше­ния его эффективности в толще просадочных грунтов бурятся скважины, за­сыпаемые хорошо фильтрующим материалом, через которые пропускают воду. Гидровиброуплотнение применяется для уплотнения лёссов в заданном боко­вом направлении пучком направленных вибрационных воздействий при од­новременном замачивании. Для этого в контурные траншеи опускаются узкие плоскостные виброштампы направленного действия со скошенной нижней поверхностью. Для глубинного уплотнения просадочных грунтов второго типа большой мощности И.М.Литвиновым был разработан ускоренный способ замачивания совместно с взрывом с предварительным оконтуриванием зоны уплотнения траншеями.

Армирование природных связных грунтов проводится разными способами. Песчаные сваи применяют для уплотнения сильносжимаемых дисперсных грун­тов на глубину до 18—20 м. Способ заключается в погружении металлической трубы с самораскрывающимся наконечником. Затем в нее порциями засыпа­ют песок и поднимают трубу с одновременной передачей на нее вибрации. После полного извлечения трубы в основании остается столб уплотненного песка (песчаная свая), вокруг которого грунт также находится в уплотненном состоянии. Глубинное уплотнение лёссов грунтовыми сваями заключается в устройстве вертикальной полости в основании, которая затем засыпается местным грунтом с послойным уплотнением. Полость может устраиваться ударно-канатным бурением или взрывом. Для глубинного уплотнения водо­насыщенных связных грунтов применяют также известковые сваи. Приготов­ленные скважины заполняются негашеной комовой известью с трамбовани­ем, которая затем гасится при взаимодействии с поровой водой и в процессе гашения значительно увеличивается в объеме, уплотняя окружающий полость грунт. Выделяющееся при гашении извести тепло повышает температуру сваи до 300°С, под действием которой происходит частичное испарение воды и ускоряется упрочнение грунта. Кроме того, по периметру сваи происходит и физико-химическое закрепление грунта.

Техногенно-измененные связные фунты могут представлять собой и по­бочные продукты хозяйственной деятельности человека, так же как и несвяз­ные формируются в бортах карьеров и других выемок, при подтоплении мас­сивов связных грунтов или в результате их засоления, в основании отвалов и гидроотвалов вскрышных пород, зол, шлаков, шламов, полигонов бытовых и промышленных отходов, а также при загрязнении фунтов разливами нефти и нефтепродуктов, наконец, при техногенном оттаивании многолетнемерзлых связных грунтов

 

Техногенно переотложенные связные грунты аналогично несвязным подразделяются на насыпные (планомерно возведенные насыпи и отвалы) и намывные. Все толщи насыпных грунтов способны самоуплотняться во времени от собственного веса, но отличительной особенностью связных насыпных грунтов является гораздо больший период их самоуплотнения (2—5 лет) по сравнению с песчаными (6 месяцев—2 года). Строительство однородных на­сыпных плотин из глинистых грунтов ведется послойной укладкой насухо с уплотнением или отсыпкой их в воду, а при возведении однородных плотин из супесей или суглинков (в том числе лёссовидных) средствами гидромеха­низации используется двусторонний намыв с дамбами обвалования на отко­сах для их принудительного формирования. Насыпные связные грунты фор­мируются также при устройстве разнородных земляных плотин, например каменно-земляных с глинистым ядром. А поскольку с повышением дисперс­ности и грунта удлиняется время его консолидации, то в последнем случае со­держание в ядре глинистых частиц не должно превышать 20%. Наиболее при­годны для противофильтрационных устройств глинистые грунты с коэффи­циентом фильтрации (в уплотненном состоянии) менее 0,1 м/сут. Кроме того, допускается использование и искусственной грунтовой смеси из глинистых, пылеватых и крупнообломочных грунтов.

Связные антропогенно образованные грунты представлены наиболее тонко­дисперсными фациями в отвалах и гидроотвалах золошлаков, глинистыми шламами хвостохранилищ горно-обогатительных производств, осадками, фор­мирующимися при очистке промышленных и бытовых сточных вод, свалками

и культурными слоями.

Золы гидроудаления тепловых электростанций могут быть представлены гранулометрическими разностями от супесей и даже мелких песков до пыле­ватых суглинков и глин. Обычно преобладают супеси. В прудах — отстойниках гидроотвалов образуются донные илы глинисто-пылеватого состава, для ко­торых характерна текучая консистенция

.

Шламы существенно глинистого состава формируются в гидрохимических процессах металлургических и химических, а также горно-обогатительных про­изводств. Так, при получении глинозема из высокоалюминатных глин в строи­тельной индустрии в качестве побочного продукта образуется каолиновый шлам. В хвостах Архангельского месторождения алмазов накапливается боль­шое количество глинистого минерала сапонита. При механической, физико­химической и биологической очистке сточных вод в целлюлозно-бумажной промышленности образуется скоп — осадок, состоящий в основном из воло­кон целлюлозы и частиц каолинита, шламы и активный ил коллоидной дис­персности.

 

Твердые бытовые отходы (ТБО) неизбежно образуются в ходе хозяйствен­ной деятельности человека в огромных количествах - крупные страны ежедневно производят сотни миллионов тонн ТБО.

Культурные слои представляют собой верхнюю часть разреза крупных на­селенных пунктов, несущую на себе отпечаток деятельности человека. По со­ставу и свойствам они резко отличаются от нижележащих грунтов. В культур­ных слоях встречаются разнообразные остатки: строительный мусор, битый кирпич и камень, глиняные черепки, предметы домашнего обихода. Форми­рование культурного слоя связано, с одной стороны, с геологическими и геоморфологическими условиями местности, с другой — с историей насе­ленного пункта и характером хозяйственной деятельности человека.

 

Ф.П.Саваренский (1938) подразделил культурные слои по времени обра­зования на древние и современные. Под современным понимается рыхлый, не слежавшийся грунт, иногда содержащий много неразложившихся органи­ческих остатков. Современный культурный слой малопригоден для возведе­ния на нем фундаментов. Древние накопления культурного слоя уже успели уплотниться, благодаря чему их используют при строительстве дорог и зало­жении фундаментов зданий.

 

Интенсивное накопление культурного слоя происходит при земляных ра­ботах, при подсыпках грунта для повышения отметки строительной площад­ки, при благоустройстве населенного пункта и за счет накопления различно­го мусора. Так, значительные объемы грунта издавна извлекались в Москве, например, при строительстве оборонительных рвов вокруг Кремля, Китай- города, Белого и Земляного городов. Накопление культурного слоя связано с

 

Мощность культурного слоя может колебаться в широких пределах — от нескольких сантиметров до десятков метров (например, в Москве на отдель­ных участках она превышает 20 м) и зависит от времени и продолжитель­ности существования населенного пункта, рельефа местности и др.Местами накопления насыпного культурного слоя обычно служат овраги, речные до­лины, болота, засыпаемые при вертикальной планировке населенных пунк­та и служащие для свалок мусора. Культурный слой характеризуется своеоб­разным неоднородным составом, причем резкая неоднородность грунтов культурного слоя прослеживается как по вертикали, так и в горизонтальном направлении. Также отмечается много органического вещества, как в рассеянном состоянии, так и в виде концентрированных включений – гнезд, линз.

 

УЛУЧШЕННЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ ГРУНТЫ

 

Преобразование свойств дисперсных грунтов осуществляется преимуще­ственно для повышения их прочности и несущей способности, а в отдельных случаях также и для изменения водопроницаемости. Спектр методов измене­ния свойств дисперсных грунтов в их природном залегании гораздо шире, чем для скальных. По механизму преобразования состава и свойств все улуч­шенные дисперсные грунты можно разделить на три группы.

Физически измененные дисперсные грунты — модифицированные ме­ханическим воздействием и наложением электромагнитного или температур­ного поля, включающие следующие разновидности грунтов: уплотненные, осушенные, термически упрочненные, промороженные, с оптимизирован­ным гранулометрическим составом (в том числе закольматированные).

Физико-химически измененные — грунты, закрепленные внесением вяжущих и специальных добавок (коагулирующих, диспергирующих), а так­же веществ, вступающих в химические реакции с жидкой и твердой компо­нентами грунта, в результате которых формируются новые кристаллизацион­ные и конденсационные структурные связи. Эта группа включает грунты, полученные способами инъекционного закрепления (цементацией, глиниза­цией, силикатизацией и электросиликатизацией, аммонизацией, смолизацией, битумизацией, защелачиванием), солонцеванием, известкованием и другими способами, а также электролитически закрепленные дисперсные грунты. Эффект упрочнения и изменения водопроницаемости достигается за счет образования дополнительных структурных связей между вяжущим и час­тицами грунта, заполнения пор вяжущим, изменения микроагрегатного со­става грунта и формированием новых кристаллизационных и конденсацион­ных структурных связей в результате физико-химических процессов. По своим прочностным и деформационным характеристикам некоторые улучшенные дисперсные грунты (физико-химически и термически закрепленные) могут соответствовать полускальным.

Армированные грунты. При армировании в условиях естественного зале­гания свойства дисперсных грунтов практически не изменяются, но возника­ет массив техногенных грунтов с улучшенными свойствами.

 

Среди улучшенных несвязных грунтов, измененных методами пер­вой группы, широко распространены уплотненные разности. Они формируются механическими методами поверхностного или глубинного уплотнения (трамбованием вибрационными механизмами, вытрамбовыванием котлованов глубинным виброуплотнением и подводными взрывами), а также водопонижением, во всех случаях упрочнение и снижение водопроницаемости достигает за счет пористости и увеличения суммарной площади контактов между частицами грунта в единице его объема. При оптимизации гранулометрического состава несвязных грунтов тот же эффект достигается внесением в них дисперсных добавок.

Эффективность закрепления определяется дисперсностью, плотностью сложения, степенью влажности и величиной угла внутреннего трения грунта, а также интенсивностью воздействия. Так, глубинное уплотнение наиболее эффективно для водонасыщенных песчаных грунтов, а уплотнение водопонижением — для мелких и пылеватых разностей. Грубообломочные грунты при необходимости уплотняются трамбованием или укаткой после внесения в них дисперсных добавок.

 

Термически упрочненные несвязные грунты образуются в результате элект­роплавления плывунных песков при температурах около 2500°С. Прилегаю­щий к электродам грунт постепенно спекается при температурах 1500— 1600°С и в конце концов плавится, образуя прочную тонкую (20—50 см) стенку. При спекании формируются новые жесткие структурные связи и характерные черты несвязных грунтов утрачиваются — прочность застывшего расплава может достигать 26—43 МПа.

 

Промороженные несвязные грунты иногда формируют при проходке водо­насыщенных плывунных песков. Такие замороженные грунты обычно облада­ют высокой прочностью (от 0,9 до 13 МПа) и водонепроницаемостью. Одна­ко в отличие от термического это закрепление носит временный характер — до тех пор, пока осуществляется воздействие хладоносителя на массив. Впос­ледствии грунты постепенно (в течение нескольких месяцев, иногда до года) оттаивают с восстановлением плывунных свойств.

 

Физико-химически измененные несвязные грунты развиты также широко. При инъекционном закреплении различными вяжущими свойства несвязных грунтов могут преобразовываться настолько радикально, что формируются техногенные связные или даже полускальные грунты. Гак, прочность на од­ноосное сжатие песков после их силикатизации часто достигает 2-4 МПа. Крупнообломочные грунты, химически инертные и крупнопористые, хоро­шо закрепляются цементными растворами. Для упрочнения песчаных грунтов помимо цементации применяется силикатизация, известкование, обработка карбамидными, фенолформальдегидными, фурановыми, акриловыми и дру­гими смолами.

 

Цементация песков осуществляется суспензиями портландцемента с до­бавками ПАВ Дисперсность цемента накладывает ограничения на примени­мость этого метода: обработке могут подвергаться только гравелистые и круп­нозернистые пески с коэффициентом фильтрации нс менее 50 м/сут. После цементации коэффициент фильтрации разных песков снижается в 50-500

раз вблизии инъектора и в 20-50 раз на периферии закрепленного массива. Добавки глин повышают проникающую способность суспензии.

При всех рецептурах и способах силикатизации (двухрастворная, однора­створная, газовая и др.) песков основным цементирующим веществом, обес­печивающим повышение прочности и снижение водопроницаемости, явля­ется гель кремневой кислоты. Конечная прочность техногенного грунта зави­сит от состава и свойств жидкого стекла, состава и степени влажности грунта, а также времени — основное нарастание прочности (до 80%) происходит в первые 10 суток, затем она увеличивается в течение трех месяцев. Чем выше дисперсность и неоднородность песка, тем выше его конечная прочность после силикатизации, однако присутствие глинистых частиц также снижает прони­цаемость грунта и радиус его закрепления. Так, уменьшение в песках содер­жания частиц крупнее 0,25 мм повышает прочность закрепленного песка, которая растет практически линейно с содержанием частиц диаметром 0,01 — 0,1 мм. Зависимость прочности обработанного песка от его минерального со­става может быть представлена (для газовой силикатизации) в виде ряда убы­вания: кальцит > микроклин > роговая обманка > кварц > мусковит, что определяется характером соединений, образующихся на поверхности частиц, и их адгезионной способности к последней. Существенное значение для эф­фекта закрепления песка силикатизацией имеет и состав поверхностных пле­нок, которые по своему влиянию на прочность грунта при закреплении рас­полагаются в виде ряда убывания: железистые > гидратированные кремнезе­мистые > слабоожелезненные > органоминеральные > гумусовые. Ряд этот обусловлен усилением контактного взаимодействия между зернами песка и гелем в результате встраивания пленок в структурную сетку геля (железистые и гидратированные кремнеземистые пленки) либо экранирующим действи­ем органических пленок, с одной стороны, и изменением состава инъеци­руемого раствора силиката натрия — с другой. Двухрастворная силикатизация применима для песков с коэффициентом фильтрации от 6 до 80 м/сут. (при более высокой водопроницаемости целесообразнее использовать более деше­вую цементацию) и позволяет получить техногенные грунты с прочностью на одноосное сжатие до 7,5—8 МПа. Другие способы могут использоваться для закрепления даже мелких песков с коэффициентом фильтрации до 0,2— 0.5 м/сут, однако конечная прочность грунта нс превышает 3—4 МПа, сни­жаясь в отдельных случаях до 0,1—0,3 МПа.

 

Смолизация применима для песков с коэффициентом фильтрации 0,3— 50 м/сут, она приводит к снижению водопроницаемости и повышению проч­ности на одноосное сжатие закрепленного грунта до 5—7 МПа. Повышение дисперсности песка способствует усилению образующихся связей в системе песок—смола при увеличении общей поверхности взаимодействия и мест некомпенсированных зарядов на сколах зерен, однако с уменьшением ис­ходной проницаемости грунта снижается радиус закрепления. Влияние мине­рального состава песков на их прочность после закрепления определяется разной смачиваемостью минералов смолой. Только кварцевые пески способ­ны образовывать со смолой прочные водостойкие и морозостойкие соедине­ния.

 

Для снижения водопроницаемости несвязных грунтов применяются гли­низация (Кф=20—40 м/сут.) и холодная битумизация (Кф= 10— 100 м/сут). Гли­нистые суспензии, использующиеся для тампонирования песков, должны обладать: 1) высокой проникающей способностью, 2) стабильностью и ма­лой водоотдачей при распространении, 3) суффозионной устойчивостью в порах затампонированного грунта.

Улучшенные физически измененные связные грунты также создаются разными способами. Уплотненные связные грунты получают для повышения их несущей способности. Уплотнение проводят трамбованием, подводными взрывами, вытрамбовыванием котлованов. Для уплотнения силь- носжимаемых и заторфованных грунтов применяют уплотнение статически­ми нагрузками. Наиболее разнообразны способы ликвидации просадочности лёссовых грунтов — кроме перечисленных методов для них применяют также замачивание и гидровиброуплотнение. Поверхностное трамбование лёссов приводит к созданию слабопроницаемого слоя мощностью 2—2,5 м с плотно­стью не менее 1,55 г/см³, но не устраняет просадочные свойства всей толщи. Эффективность уплотнения определяется в основном дисперсностью, степе­нью влажности и характеристиками воздействия. Так, трамбование проводит­ся только при степени влажности менее 0,7, а уплотнение подводными взры­вами при S=0,7—0,8. Вытрамбовывание котлованов применяется при устрой­стве фундаментов на просадочных и глинистых грунтах с плотностью скелета до 1,65—1,7 г/см³.

 

Осушенные связные грунты получают методами вакуумного водопониже- ния (при Kф от 0,01 до 2 м/сут — обычно это супеси, а иногда и легкие суглинки) либо элсктроосмотического осушения (при Кф< 0,01 м/сут). Ваку­умирование позволяет удалять не только свободную (как при гравитационном дренировании), но и капиллярную воду, способствуя уплотнению и опреде­ленному упрочнению породы. Наиболее эффективное электроосмотическое осушение и закрепление грунтов происходит при содержании частиц мельче 0,01 мм более 50% и при Кф< 0,01 м/сут, однако результаты такой обработки грунтов со временем могут'утрачиваться. Эфф