Виды и способы закрепления грунтов



В данной статье приводится краткий обзор современных методов и видов закрепления грунтов.

Известно, что грунты — это искусственные изменения строительных свойств природных грунтов, применяемых в строительном комплексе и обладающие различными физическими свойствами и способами их залегания. Так, для искусственного изменения грунтов необходимо увеличение их устойчивости, прочности, улучшения проницаемости, сжимаемости, и уменьшения природной чувствительности грунтов к изменению внешней среды, особенно влажности.

Усиляемые грунты должны обладать достаточной природной проницаемостью. Мы знаем, что суглинистые и глинистые грунты в связи с низкой проницаемостью очень плохо поддается химическому закреплению, соответственно, хорошо фильтрующие грунты поддаются закреплению, внедряя в их поры вяжущие вещества. Метод закрепления выбирается в зависимости от грунтовых условий района строительства и производственных возможностей их выполнения.

Существующие разработанные химические способы закрепления очень эффективны для улучшения свойств грунтов под фундаменты существующих построек. Это обусловлено тем, что изменение грунта под фундаментом в камневидное состояние проходит без нарушения эксплуатации здания и сооружения.

Закрепление грунтов является актуальной проблемой современного этапа проведения строительных работ на площадке. В крупных и быстро растущих городах последние несколько лет наблюдается тенденция к замачиванию грунтов техногенными водами, что приводит к ослаблению фундаментов.

Химическое закрепление долговечно и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами. Основными преимуществами являются 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.

Как один из видов производства строительных работ закрепление грунтов в самом общем виде представляет собой целенаправленное искусственное преобразование строительных свойств грунтов посредством их химической или физико-химической, механической и термической обработки, с применением соответствующих технологий [1].

В зависимости от способа обработки грунтов, в результате которого улучшаются их свойства, закрепление грунтов подразделяется на следующие виды:

– химическое — когда его основу составляют химические и физико-химические процессы, возникающие в грунтах в результате введения в них определенных химреагентов;

– электрохимическое закрепление, основанное на вторичных химических и физико-химических явлениях электролиза, возникающих в грунтах под действием внешнего поля постоянного электрического тока;

– термическое закрепление, когда улучшение свойств грунтов достигается в результате их обжига в скважинах раскаленными газами или электропрогревом;

– термоконсолидация глинистых водонасыщенных грунтов, когда улучшение строительных свойств достигается самоуплотнением грунтов, обусловленным их нагревом в пределах 50–80 °С.

Так, химическое закрепление в зависимости от способа введения в грунты химических реагентов имеет два направления:

– инъекционное химическое закрепление, когда реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунты без нарушения их естественного сложения нагнетанием под давлением;

– буросмесительное закрепление грунтов, осуществляемое с нарушением их естественного сложения, механическим перемешиванием с цементами или другими химическими реагентами и добавками при бурении скважин большого диаметра.

К первому направлению относятся способы силикатизации, смолизации, цементации; второе представлено способом буросмесительного закрепления илов и других сопутствующих им грунтов.

Каждый из способов закрепления имеет свою область применения, строго ограниченную номенклатурой грунтов и определенными характеристиками, а именно: водопроницаемостью и химическими свойствами для всех грунтов, степенью влажности и емкостью поглощения для глинистых грунтов и др.

Основные способы закрепления грунтов и примерные границы их практического применения по номенклатуре, влажности и водопроницаемости приведены в таблице 1.

Силикатизация и смолизация грунтов, в свою очередь, дифференцируются на ряд конкретных способов, которые различаются между собой химической технологией (рецептурой) и целенаправленно применяются для закрепления определенных разновидностей песчаных и просадочных грунтов сообразно их природным свойствам.

Закреплением указанными выше способами достигается значительное повышение несущей способности, прочности и устойчивости всех видов грунтов, с одновременным обеспечением их водостойкости, что открывает большие возможности для практического применения этих способов при строительстве в слабых грунтах.

Для всех без исключения фильтрующих грунтов закрепление позволяет уменьшать или практически полностью устранять их водопроницаемость, что расширяет область его практического применения в качестве противофильтрационных мероприятий, а также мероприятий против неустойчивости этих грунтов в водонасыщенном состоянии, при подземных строительных работах [2].

Таблица 1

Номенклатура влажности иводонепроницаемости

Способ закрепления	Вид грунтов	Природная степень влажности	Коэффициент фильтрации, м/сут
Силикатизация	Просадочные лессы, лессовидные и некоторые виды покровных суглинков	Не более 0,7	Не менее 0,2
	Песчаные	Независимо от влажности	0,5–80
Смолизация	Песчаные	Независимо влажности	0,5–50
Цементация	Пустоты большого размера. Трещиноватые скальные, крупнообломочные и гравелистые песчаные	-	Для скальных 0,01 Для нескальных 50
Буросмесительное закрепление	Илы. а также сопутствующие им глины в суглинки мягкопластичной, текучепластичной, текучей консистенции, рыхлые и средней плотности пески	-	Независимо от водопроницаемости
Термическое закрепление	Просадочные лессы и лессовидные суглинки, непросадочные суглинки и глины	Не более 0,5	Независимо от водопроницаемости

Разработанные лабораторией и применяемые в строительстве химические способы закрепления гравий-илистых, песчаных, суглинистых и глинистых грунтов основаны на инъекции, т. е. нагнетании химических растворов в грунт. Очевидно, что процесс нагнетание может быть осуществлен только при условии, когда закрепляющие растворы будут проникать в грунт без нарушения его структуры. Отсюда следует, что технология определяет границы применимости того или иного способа. В первую очередь это связано с вязкостью нагнетаемых растворов, единичным расходом и давлением при нагнетании. Одновременно с этим границы применения способов должны учитывать также радиус закрепления, прочность создаваемого массива грунта или степень снижения его водонепроницаемости. Нижняя граница применения способа указывает на обеспечение необходимого радиуса закрепления, а значит и монолитного закрепления или уплотнения грунта [3].

Границы применения всех способов даны по коэффициенту фильтрации (рис.1).

Одновременно с этим некоторые из способов сообщают закрепленному грунту различные свойства; по ним способы можно разделить на следующие классы:

1) Резко изменяют строительные свойства закрепленного грунта и значительно повышают его механическую прочность и водонепроницаемость;

2) Сообщают закрепляемому грунту только водонепроницаемость;

3) Увеличивают водоустойчивость и плотность грунта.

Рис. 1. Классификация химических способов закрепления грунтов проф. Б. А. Ржаницына: 1 — закрепление с прочностью от 10 до 50 МПа; 2 — уплотнение с прочностью от 2 до 5 МПа; 3 — стабилизация; 4 — кислый гель; 5 — щелочный гель.

Из данных приведенных на рисунке видно, что цементацию следует применять для прочного закрепления гравелистых и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 80 до 500 м/сут. Нижний предел характеризуется крупными песками, в поры которых могут проникать частицы цемента современного помола. Для придания водонепроницаемости песчаным грунтам, в которых применение цемента физически невозможно, его заменяют силикатными глиносиликатными растворами, которые могут придавать водонепроницаемость песчаным грунтам с коэффициентом фильтрации от 20 до 100м/сут.

Прочное закрепление песчаного грунта осуществляется путем применения двухрастворного способа силикатизации. Этот способ целесообразно применять в грунтах с коэффициентом фильтрации от 2 до 80м/сут.

Ряд однорастворных способов силикатизации может применяться в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 5м/сут. Эти способы сообщают грунтам, главным образом, водонепроницаемость. Однорастворный способ силикатизации с применением кремнефтористоводородной кислоты сообщает песчаным грунтам значительную прочность и водонепроницаемость и может быть применен в грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 20м/сут.

Одонорастворный способ силикатизации, при котором используется химически активные вещества самого грунта, разработан для закрепления просадочных лессовых грунтов. Способ применим в просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0м/сут, причем влажность его не должна превышать 17 %, т. е. толща лесса должна находиться выше уровня грунтовых вод. При большой влажности, порядка 20–22 %, применяется газовая силикатизация, когда сначала в грунт нагнетается углекислый газ, затем силикат и затем опять углекислый газ. Проведение этих работ может осуществляться только весьма опытными специалистами. В результате применения газовой силикатизация грунту сообщается прочность и водоустойчивость.

Прочное закрепление песчаных грунтов с приданием массиву водонепроницаемости выполняется способом смолизации, если грунт имеет коэффициент фильтрации от 0,5 до 20м/сут.

Что касается способа электрохимического закрепления, то его применение позволяет придать глинистым грунтам водоустойчивость, т. е. ликвидировать размокание и набухание грунта в воде. Область применения этого способа ограничивается следующими значениями коэффициента фильтрации: при двухрастворной электросиликатизации от 0,05 до 0,2 м/сут, при однорастворной — от 0,005 до 0,2 м/сут.

Таким образом, существует несколько способов закрепления грунтов: цементация, силикатизация, смолизация, термический способ, электрохимический, битумизация, глинизация, импульсный метод.

Литература:

1. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01–83). — М.: Стройиздат, 1986.
2. Ананьев В. П., Воляник Н. В. Инженерное грунтоведение и техническая мелиорация грунтов: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: РГАС, 1994. — 87с
3. Ржаницын Б. А. Химическое закрепление грунтов в строительстве.-М.: Стройиздат, 1986–264с.