Закрепление грунтов оснований основано на проникновении различных реагентов в грунтовое поровое пространство и взаимодействие их с минеральными частицами. Очевидно, что применение того или иного метода закрепления грунтов будет зависеть от пористости основания, или от его коэффициента фильтрации.
В зависимости от значений коэффициента фильтрации (Кф) грунтов оснований, могут быть использованы различные методы закрепления.
Для грунтов с коэффициентом фильтрации Кф > 100 м/сут (трещиноватые скальные породы, гравелистые пески и т. п.) используется цементация.
Цементация оснований
Цементация – это нагнетание цементного раствора в поры грунта обычно с Кф > 100 м/сут, с целью его уплотнения и скрепления минеральных частиц (отдельных блоков).
Для грунтов с Кф = 50…100 м/сут (средние и крупные пески) рекомендуется для повышения активности цемента проводить его измельчение до величины удельной поверхности в 6000…8000 см2/г.
Для закрепления песков с Кф = 30…50 м/сут рекомендуется для повышения активности цемента проводить его измельчение до величины удельной поверхности в 8000…10 000 см2/г, с применением добавки жирных глин.
Цементационный раствор посредством перфорированного инъектора подается в грунт под давлением до 0,2…0,4 МПа. Используется, как правило, закрепляющий раствор, имеющий состав:
- цемент + вода (1:5) («цементное молоко»);
- цемент + вода + песок (1:5:1).
Исторически, впервые в 1922…1923 гг., цементация была применена в России при строительстве плотины «Волховстроя». С тех пор, данный метод закрепления оснований получил развитие и в современных условиях широко применяется в основном при усилении оснований реконструированных сооружений (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Принципиальная схема цементации (закрепления) основания под фундаментом, реконструируемого сооружения с использованием «манжетной» технологии.
1 – инъектор; 2 – гидравлический разрыв, заполненный цементным раствором;
3 – закрепленный массив основания
Используя «манжетную» технологию при нагнетании цементного раствора в закрепляемое основание и избыточное давление до 0,4…0,5 МПа, представляется возможным закреплять мелкие и пылеватые пески с образованием «гидравлических разрывов» в грунте.
Данная методика получает дальнейшее развитие в исследованиях отечественных ученых.
Силикатизация оснований
Силикатизация – это химическое закрепление грунтов с Кф = 2…80 м/сут при нагнетании в основание раствора кремниевой кислоты (жидкого стекла) Na2O·nSiO2. При разложении в грунте кремниевая кислота переходит в состояние геля и связывает отдельные минеральные частицы. Для ускорения данного химического процесса в грунт вводят катализатор – хлористый кальций (СаСl2). Такой способ закрепления грунтов получил название двухрастворного (рис. 4.12).
Закрепленный грунт основания приобретает прочность следующего порядка:
- песок – 1,5…3,0 МПа; супесь – 0,5 МПа; лёсс – 0,8 МПа.
Силикатизация находит широкое применение для закрепления пылеватых грунтов, удовлетворяя требованиям повышения прочности оснований при реконструкции сооружений.
Для грунтов с Кф = 0,2…5 м/сут (пылеватые пески, супеси) используется однорастворный метод силикатизации. В этом случае инъекционный гелеобразующий раствор состоит из смеси жидкого стекла и фосфорной кислоты (Na2O·nSiO2 + H3PO4). Однорастворный метод силикатизации придает прочность грунту порядка 0,3…0,5 МПа. Однако, из-за относительно большой стоимости H3PO4, данный метод закрепления получил ограниченное применение.
Рис. 4.12. Принципиальная схема двухрастворной силикатизации оснований:
а – нагнетание жидкого стекла при погружении инъектора; б – нагнетание хлористого
кальция при извлечении инъектора
Необходимо отметить, что для лёссовых (химически активных) грунтов, в составе которых содержатся соли кальция (CaSO4), также используется однорастворный метод силикатизации. В этом случае в закрепляемое основание нагнетается лишь раствор кремниевой кислоты (силиката натрия), который, взаимодействуя с солями кальция, образует водонерастворимый гель.
В лёссовых грунтах однорастворный метод силикатизации придает закрепленному грунту прочность до 2 МПа.
Электрохимическое закрепление
Для грунтов с Кф < 0,1 м/сут (супеси, суглинки) применяют электрохимическое закрепление. Электрохимическое закрепление основано на явлении электроосмоса, которое еще в 1808 г. было открыто профессором Московского университета Ф. Ф. Рейсом. Суть данного явления заключается в том, что при пропускании постоянного тока через глинистый грунт, последний теряет связную воду, которая получает перемещение (миграцию) в сторону отрицательного электрода (катода).
При электрохимическом закреплении к перфорированным трубам-электродам подается постоянный ток со средним напряжением 70…80 В (рис. 4.13).
Свободная вода скапливается около катода, а затем через перфорированный инъектор откачивается. Одновременно через инъектор-анод подается раствор хлористого кальция (СаСl2), который способствует закреплению основания. Периодически производится смена полярности.
В результате проведения подобных работ в связном грунте уменьшается влажность (грунт переходит в категорию тугопластичного, полутвердого состояния, с коэффициентом фильтрации Кф < 0,01 м/сут) и возрастает прочность (угол внутреннего трения и сцепления увеличиваются до 70 %).
Рис. 4.13. Принципиальная схема электрохимического закрепления связного грунта
а – инъектор-анод с закачкой СаСl2; б – инъектор-катод с откачкой свободной воды
Электроосмос
Электроосмос применяется в водонасыщенных связных грунтах, а также для предварительного (превентивного) оттаивания мерзлых (в том числе и вечномерзлых) грунтов.
Также как и при электрохимическом закреплении в основание погружаются электроды: (+) анод в виде металлического стержня и (–) катод в виде перфорированной трубы. При пропускании постоянного тока через глинистый (мерзлый) грунт, последний теряет связную воду, которая получает перемещение (миграцию) в сторону отрицательного электрода (катода). Скопившаяся свободная вода у катода откачивается через перфорированный электрод-трубу.
Процесс закрепления по данной методике зависит от времени пропускания тока через грунт и сопровождается частичным разрушением металлического стержня-анода.
В результате проведения подобных работ в закрепляемом грунте происходят:
1. уменьшение влажности.
2. частичное уплотнение.
Закрепление основания с использованием термической обработки, битуминизации, глинизации, струйной (напорной) технологии
Термическая обработка грунта предназначена для устранения просадочности лёссовых оснований. Узкая направленность данного способа закрепления основания связана с тем, что лёссовый грунт при температуре около 400 °С практически теряет свои просадочные свойства, превращаясь в обычный суглинок. На этом принципе и основывается методика закрепления данного основания, схема выполнения которой приведена на рис. 4.14.
В общем случае, работы по термической обработки лёссового основания выполняются в следующей последовательности:
1. С поверхности грунта пробуривается скважина;
2. В устье скважины устанавливают форсунку (2);
3. В форсунку подается горючее из резервуара (4) с помощью насоса (3) и сжатый воздух компрессором (1);
4. Зажженное пламя в устье скважины (форсунке) достигает температуры > 1000 °С, которая через стенки скважины нагревает грунт. В массиве лёссового грунта образуется столб обожженного грунта диаметром около 3 м. Граница закрепленного массива лёссового грунта соответствует t » 400 °C.
Рис. 4.14. Принципиальная схема термического закрепления лёссового основания:
1 – компрессор; 2 – форсунка; 3 – насос; 4 – емкость для горючего
Прочность обожженного грунта достигает до 1 МПа и зависит от времени термической обработки.
Битуминизация и глинизация грунтовых оснований используются в основном для снижения фильтрационных способностей трещиноватых и гравелистых грунтов.
При битуминизации, в поры грунта через скважину-инъектор нагнетается либо разогретый битум (t » 200…220 °C), либо холодная битумная эмульсия (60 % битума + 40 % воды с эмульгатором). В первом случае, необходимо поддерживать высокую постоянную температуру в скважине, используя дополнительный электрообогрев, что требует соблюдения повышенных мер безопасности. Во втором случае, в грунт необходимо подавать дополнительный реагент - коагулятор, который способен разрушить эмульсионную пленку и обеспечить связность битума с грунтом.
При глинизации в поры грунта закачивают глинистую суспензию. Глинистые частицы, имея размер < 0,001 мм, обладают высокой проникающей способностью, а, попадая в поры грунта и соединяясь с водой, коагулируют, увеличиваясь в объеме, и заполняют поровое пространство. В результате фильтрационные свойства грунтов резко снижаются.
В современных условиях развития геотехники широкое применение находит метод закрепления грунтов основания с использованием струйной технологии.
Закрепление грунта по данной технологии заключается в следующем.
В пробуренную скважину опускается специальный струйный монитор, через сопла которого под давлением до 100…150 атм. подаются струи воды. Струи воды размывают грунт, одновременно в размытую скважину закачивается цементный раствор, который перемешивается с остатками грунта в скважине. Закаченный в размытую скважину цементный раствор заполняет образующуюся полость, создавая грунтоцементную смесь.
Полученный грунтоцементный столб (массив) закрепленного грунта обладает достаточной прочностью и практически водонепроницаем, что позволяет данную технологию рассматривать также в качестве противофильтрационной завесы.
Объем и качество закрепляемого массива грунта зависят от давления размываемой струи, состава грунта и продолжительности выполнения работ.