Укрепление грунтов. Способы и виды

Придание грунтам в их естественном состоянии большей прочности, плотности и устойчивости достигается забивкой свай, трамбованием, укаткой тяжёлыми катками, внесением в грунт вяжущих веществ и химических растворов, превращающих грунты в монолит.

Уплотнение разрыхленных и слабых песчаных и супесчаных грунтов основания посредством укатки или трамбования распространяется на толщу слоёв до 20—25 см. Некоторые виды суглинков и глинистых грунтов удаётся укреплять втрамбовыванием гравия, щебня, кусков камня на глубину 20/25 см. Втрамбовывание гравия и щебня полезно, когда работа по устройству основания производится с водоотливом.

Песчаные подушки устраиваются как для уменьшения давления более равномерным распределением его на слабый грунт, так и для уменьшения объёма кладки фундаментов (фиг. 14).

Фиг. 14. Песчаная подушка

Угол передачи давления ϕ в крупнозернистом песке принимают равным 40/45°.

Для получения плотной подушки её отсыпают слоями по 15/20 см, разравнивают песок, поливают его водой и уплотняют вибраторами или трамбовками. На местности, покрытой водой, песчаные подушки устраиваются после предварительного удаления землечерпанием слабого грунта до необходимой отметки.

Песчаные подушки целесообразно применять не только для равномерного распределения давления на нижележащие слабые грунты основания, но также и для обеспечения большей устойчивости возводимого на нём сооружения.

Цементация является эффективным мероприятием для заполнения трещин в скале и превращения её в монолит. Крупнозернистые и песчано-гравелистые грунты также подвергаются цементации. Радиус действия цементного раствора принимается: для трещиноватой скалы 1,0/1,5 м, для гальки— 0,75/1,0 м, для крупного песка — 0,50 м. Для цементации трещиноватой скалы с крупными пустотами и гальки применяются растворы 1 : 2 и 1 : 3 (с мелким песком), а при мелких трещинах и песках — цементное молоко. Величина давления при нагнетании раствора — от 3 до 15 am.

Оборудование для цементации состоит из цементомешалок для приготовления раствора, подводящей сети с арматурой скважин и из насосных установок для нагнетания цемента. Для нагнетания цементного раствора применяются плунжерные насосы, а также приборы пневматического нагнетания. При небольших работах можно для этой цели применять цемент-пушки.

Глинизация применяется с целью получения водонепроницаемости трещиноватой скалы путём нагнетания в неё глинистого раствора из пластичной глины с хлористым кальцием или известью. Глинизация экономичнее цементации и более долговечна, но лишь при условии плотного и тщательного заполнения трещин и каверн глиной.

Силикатизация заключается в нагнетании под давлением в фильтрующие грунты сначала раствора жидкого стекла, а затем раствора хлористого кальция, в результате взаимодействия которых выделяется кремнегель кремневой кислоты и грунт превращается в камнеподобное тело со значительно большей прочностью и водонепроницаемостью.

Укрепление силикатизацией эффективно для грунтов с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м в сутки, т. е. для мелких, средних и крупных песков. Жидкое стекло для силикатизации должно иметь модуль от 2,5 до 3,5, а концентрация раствора — не ниже 48° Боме. На 1 л раствора должно быть не менее 350 г хлористого кальция при водородном показателе (pH) не ниже 6.

Нагнетание раствора на глубину до 8 м производится инъектором диаметром 18/h30 мм. Для нагнетания химических растворов применяются плунжерные насосы высокого давления с шаровыми клапанами производительностью 30/40 л/мин при давлении 30 am, что даёт возможность закреплять до 50 м³ грунта в день.

Для забивки инъекторов применяются отбойные молотки весом 25/30 кг. Радиус закрепления грунта получается для мелкого песка — 0,20/ 0,25 м, среднозернистого — 0,25/0,50 м, крупнозернистого — 0,50/0,60 м. Объём жидкого стекла, которое необходимо ввести в грунт, определяется по формуле V = 6 An, где V — объём жидкого стекла в л; А — объём закрепляемого грунта в м³; n — пористость грунта в %.

Раствора хлористого кальция вводится на 20% больше, чем раствора жидкого стекла.

Битумизация заключается в нагнетании в песчаные грунты и трещиноватую скалу горячего битума, который при прохождении через инъектор подогревается электропроводом до температуры + 200/ 220°. При соприкосновении горячего битума с водой поверхность его затвердевает, образуя плёнку, способную, не разрываясь, выдержать давление воды. Битумизация экономичнее цементации.

Оборудование для битумизации состоит из инъекторов диаметром 40/50 мм с отверстиями 6/15 мм, насосной установки, котла для разварки битума и электрооборудования. Уплотнение грунтов посредством нагнетания битумной эмульсии, т. е. раствора в воде очень мелких частичек битума, производится под давлением при помощи инъекторов.

Искусственное замораживание грунта, насыщенного водой, увеличивает его прочность и обеспечивает водонепроницаемость. Для охлаждения грунта до необходимой отрицательной температуры вокруг котлована, шахты или тоннеля вблизи их периметра устраиваются примерно на расстоянии 1-1,5 м одна от другой скважины диаметром 150/200 мм с обсадными трубами, в которые опускаются стальные замораживающие трубы диаметром 100/150 мм.

Внутри замораживающих труб устанавливаются нагнетающие трубы диаметром 35/40 мм, не доходящие на 0,5/0,7 м до конца замораживающих труб. Питающие и замораживающие трубы присоединяются к коллектору, соединённому с замораживающей станцией. В результате циркуляции в трубах охлаждённого до — 25/45 градусов раствора соли вокруг труб постепенно нарастают цилиндры намороженного грунта, которые, сливаясь, образуют сплошную стену из мёрзлого грунта вокруг будущей выработки.

В качестве охлаждающего раствора применяют большей частью хлористый кальций, который охлаждается на замораживающей станции, имеющей аммиачный или углекислотный компрессор, конденсатор и центробежный насос для перекачки раствора. Количество тепла, которое нужно отнять от грунта, можно определить по формуле

За последние годы для замораживания грунтов с успехом применяется способ, в котором охлаждающим элементом служит углекислота.

Электрохимическое закрепление глинистых грунтов проверено лабораторными исследованиями и опытными работами на производстве. Для проведения электрохимического закрепления в грунт забивается система алюминиевых или стальных стержней, которые служат электродами. В результате физико-химических процессов, протекающих в грунте при прохождении через него постоянного электрического тока, в нём происходит электроосмос, вызывающий обезвоживание грунта.

Когда применяют алюминиевые электроды, то при прохождении электрического тока получается реакция обмена—замещение поглощённого натрия и кальция алюминием и водородом, в результате чего происходит обезвоживание глины и глина также теряет способность намокать и разбухать. На каждый метр расстояния между электродами требуется от 100 до 200 в напряжения. Для закрепления 1 м³ грунта требуется от 30 до 200 кв электроэнергии.

Особенным преимуществом этого способа является то, что он применим для закрепления грунтов с очень малым коэффициентом фильтрации. При электрическом закреплении грунта полезно вводить в грунт раствор хлористого кальция (CaCl₂). Добавление раствора соли способствует образованию цементирующих осадков с одновременной коагуляцией коллоидов в грунте.

Коллоидальные грунты, укреплённые с добавками раствора солей, не пучатся. Этот способ в производственных масштабах применяется редко вследствие дороговизны и сложности.