Физико химические способы закрепления грунтов
Закрепление грунтов — это искусственное преобразование строительных свойств грунтов, используемых в строительстве, различными физико-химическими способами в условиях их естественного залегания.
Искусственное преобразование грунтов предполагает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение водопроницаемости, сжимаемости, а также ослабление чувствительности природной прочности грунтов к изменению внешней среды, особенно влажности.
Рациональное применение физико-химических способов закрепления грунтов на современном уровне их развития решает следующие вопросы строительной практики:
- – усиление фундаментов под существующими сооружениями;
- – строительство промышленных и гражданских сооружений на просадочных грунтах;
- – вскрытие насухо котлованов в водонасыщенных грунтах;
- – проходка подземных выработок;
- – создание противофильтрационных завес в аллювиальных грунтах в связи со строительством на них высотных земляных и каменнонабросных плотин;
- – защита бетонных сооружений (фундаментов) от вредного влияния агрессивных грунтовых вод нагнетанием (инъекции) в грунты затвердевающих химических реагентов, а также введением специальных противокоррозионных добавок в грунты обратной засыпки;
- – увеличение несущей способности свай и опор большого диаметра последующим закреплением грунта ниже их конца [19, 45].
В зависимости от требований, предъявляемых к закрепленному грунту, можно выделить две категории способов:
- – быстро и прочно закрепляющие грунты. К ним относятся двухрастворная силикатизация, однорастворная силикатизация с применением кремнефтористоводородной кислоты, однорастворная силикатизация лессов, смолизация и инъекция цементно-глинистых растворов;
- – придающие грунтам водонепроницаемость и малую прочность. К ним относятся случаи использования глино-силикатных, глиноалюмосиликатных и силикатных тампонажных растворов [30].
Закрепление осуществляется нагнетанием в грунт под давлением через скважины-инъекторы маловязких химических растворов, а также воздействием на грунт электрического тока, нагреванием и охлаждением. Химические растворы с течением времени затвердевают, превращая водонепроницаемый грунт в камень.
Основным критерием, необходимым при выборе способа закрепления грунтов, является их проницаемость, характеризующаяся коэффициентом фильтрации. Чем меньше коэффициент фильтрации грунта, т.е. чем меньше его проницаемость, тем труднее осуществлять инъекцию химических растворов. Поэтому инъекции легко поддаются трещиноватые, кавернозные несвязные грунты с достаточно высоким коэффициентом фильтрации и практически исключаются глины и илы, проницаемость которых ничтожно мала.
Для того чтобы инъекция стала возможной, необходимо соблюдать строгое соотношение между размерами частиц раствора и инъектируемой среды. Это соотношение соответствует полному пропитыванию среды и основывается не только на проницаемости первой, но и на вязкости применяемых химических растворов: чем меньше вязкость, тем выше их проникание. При глубинном закреплении не нарушается естественное сложение грунтов. Для глубинного воздействия на грунты используются указанные выше способы.
Химическое закрепление долговечно и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами (замораживанием, кессонным и др.). Основные преимущества:
- – 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.
Выше приведена классификация способов закрепления грунтов, предложенная д.т.н., проф. Б. А, Ржаницыным, проиллюстрированная рис. VIII-1. В этой классификации указаны химические реагенты, используемые в различных рецептурах, границы применения этих рецептур, характер геля и закрепления.
По горизонтали в таблице приведены наименования грунтов и величина их коэффициента фильтрации. При этом наиболее крупнозернистые, более проницаемые грунты расположены в левой части таблицы с постепенным уменьшением их водопроницаемости по направлению к глинам, помещенным в правой части таблицы. Исходные материалы для закрепления грунтов представлены цементом, силикатом и смолами. Введение химических растворов в глинистые грунты осуществляется под действием постоянного электрического тока.
Для хорошо проницаемых грунтов разработана рецептура цементно-глинистых растворов. Поскольку современный помол цемента не позволяет цементным частицам проникать в поры песков, то закрепляются эти грунты раствором, состоящим из силиката и глины. При этом в зависимости от качества используемой глины границы применимости характеризуются грунтами с коэффициентом фильтрации 50—100 м/сут для местных глин в 20—50 м/сут для бентонитовых глин.
Для прочного закрепления песчаных грунтов разработан способ, основанный на поочередном нагнетании двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции между этими двумя растворами в порах песчаного грунта выделяется гель кремневой кислоты, грунт быстро закрепляется, становится водонепроницаемым с прочностью закрепления 1,5—5 МПа, а само закрепление долговечно.
Для мелкозернистых песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации 0,5—5 м/сут, разработан способ однорастворной силикатизации с помощью фосфорной кислоты, серной кислоты и сернокислого алюминия, алюмината натрия, кремнефтористоводородной кислоты. При этом способ однорастворной силикатизации с помощью кремнефтористоводородной кислоты более эффективен и дает значительную прочность закрепления порядка 2—4 МПа.
Закрепление мелкозернистых песчаных грунтов карбамидной смолой (КМ с отвердителем в виде 3%-ной или 5%-ной HCl) обеспечивает этим грунтам достаточно высокую прочность закрепления порядка 5 МПа, Способ смолизации, основанный на использовании карбамидной смолы и соляной кислоты в качестве отвердителя, успешно применяется в строительстве и в связи с развитием химии и удешевлением исходных для закрепления химических продуктов находит все более широкую сферу применения.
Способ смолизации карбонатных песков заключается в использовании для предварительной обработки этих грунтов, а также для гелеобразования растворов, кислот, образующих на поверхности карбонатов защитные пленки, препятствующие нейтрализации отвердителей из карбамидных золей. В качестве таковых используются растворы щавелевой и кремнефтористоводородной кислот.
Просадочные лессовые грунты закрепляются с помощью однорастворной силикатизации, в рецептуру которой входит раствор силиката натрия с плотностью 1,13 г/см 3 . Прочность закрепления 1,6—2 МПа.
Закрепление глинистых грунтов основано на явлении электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов глинистому грунту сообщается водоустойчивость и ликвидируется пучинистость. Этот способ применяется для придания устойчивости откосам железнодорожных выемок в глинистых грунтах.
Прочно вошли в практику гидротехнического строительства тампонажные глинистосиликатные, силикатные и алюмосиликатные растворы.
В приводимую классификацию вошли два новых способа — аммонизация и газовая силикатизация, разработанные в 1968 г. Аммонизация предназначена для закрепления просадочных лессовых грунтов в целях придания им свойств непросадочности при обильном замачивании их в основании зданий. В основу метода положено свойство газообразного аммиака, вводимого в грунт под небольшим давлением через инъекторы, взаимодействовать с его поглощающим комплексом, в результате чего образуется высокодисперсный Са (ОН)2, который в свою очередь, реагируя с кремнеземом и коллоидной кремневой кислотой грунта, образует известковистокремнеземистое вяжущее, стабилизирующее грунт [23, 43].
Газовая силикатизация применима для песчаных и лессовых грунтов. Она осуществляется по двум схемам: без предварительной обработки грунта углекислым газом — грунт + раствор силиката натрия +СО2 и с предварительной обработкой — СO2 + грунт + раствор силиката натрия + СО2. В результате взаимодействия углекислого газа с раствором силиката натрия последний отверждается (выпадает гель SiO2), что и сообщает грунту прочность и водоустойчивость. Предварительная активизация грунтов углекислым газом повышает прочность закрепления на 25—30% в инертных песках и на 50% в карбонатных песках и лессах [23, 43, 45].
Источник
Основание под фундамент
Физико-химическое закрепление грунтов
Физико-химическое закрепление грунтов
Физико-химическое закрепление грунтов
Физико-химическое закрепление грунтов (изменение свойств грунтов) оснований производится в различных целях. В одних случаях необходимо общее окаменение массива искусственного основания, в других — достаточно только придать основанию водонепроницаемость. В соответствии с этим применяют цементацию, силикатизацию, битумизацию, электрозакрепление и термозакрепление грунтов.
Цементация грунтов
Цементация грунтов — один из самых старых способов закрепления рыхлых крупнообломочных и крунопесчанных грунтов. Этот метод состоит в том, что закрепляемый грунт подается под давлением через специальные трубкоинъекторы суспензия цемент — вода (цементное молоко). После окончания нагнетания, раствор постепенно твердеет и образует с грунтом прочное, неразмываемое основание. Недостаток этого метода — сравнительно ограниченная область его применения; для успешной цементации необходимо, чтобы размеры пор в грунте были по-крайней мере в 4 – 5 раз больше размеров частиц цемента. Такое соотношение позволяет применять цементацию только в крупнообломочных и крупнопесчаных грунтах и не дает возможности использовать ее в грунтах с более мелкими фракциями. Инъекторы для цементации грунтов состоят из трубки диаметром 19 – 38 мм. Трубка заканчивается коническим наконечником, облегчающим ее погружение. В нижней части трубки сделаны отверстия для выхода цементного молока. При небольшой глубине погружения инъекторы забивают в грунт, а при больших глубинах опускают в заранее пробуренные скважины. Перед тем как начать нагнетание цементного молока, грунт промывают чистой водой под напором, чтобы вынести наиболее мелкие фракции. Состав цементного молока (цемент — вода) колеблется в пределах от 1:10 до 1:0,4, в зависимости от степени водопоглощения грунта. Радиус закрепления в зависимости от размера пор колеблется в пределах 0,5 – 1,5 м. Давление, под которым подается цементное молоко, в среднем равно 0,025 – 0,1 МПа на каждый метр погружения.
Силикатизация грунтов
Силикатизация грунтов применима в грунтах с коэффициентами фильтрации 2 – 80 м/сут, т. е. охватывает область средних, мелких и даже пылеватых песков. Основой силикатизации является нагнетание в грунт раствора жидкого стекла Na2O-nSiO2. Выпадающий в результате химических реакций гель кремниевой кислоты SiO2 связывает между собой частицы грунта подобно цементу. В различных грунтах по-разному используют метод силикатизации. Наибольшее распространение получил метод двухрастворной силикатизации: в грунт последовательно нагнетают раствор жидкого стекла и вслед за ним — раствор хлористого кальция СаСl2. В результате реакции образуется связывающий частицы грунта гель кремневой кислоты SiO2, гидрат окиси кальция Са(ОН2) и хлористый натрий NaCl. Однорастворная силикатизация заключается в том, что реакция в растворе, составленном из жидкого стекла и фосфорной кислоты Н3РО4, протекает медленно — в течение 4 – 10 ч, поэтому становится возможным нагнетание такого сложного раствора. Преимущество однорастворной силикатизации очевидно: вместо последовательного нагнетания двух растворов нагнетается только один. Однако прочность грунта, закрепленного двухрастворной силикатизацией, выше и доходит до 15 – 35 – 105 Па, в то время как прочность грунтов, закрепленных однорастворной силикатизацией, составляет только 4 – 5 – 10 Па. В лёссовых грунтах, в составе которых, как правило, уже есть соли кальция, возможно закрепление нагнетанием только одного раствора жидкого стекла. Предел прочности лёссовых грунтов после закрепления составляет примерно 6 – 8 – 10 Па. Радиус закрепления грунтов силикатизацией достигает 0,3 – 1 м и зависит от коэффициента фильтрации грунта.
Битумизация грунтов
Битумизация грунтов как метод закрепления грунта возможна горячая и холодная. При горячей битумизации в грунт распространен этот метод для создания водонепроницаемости в трещиноватых скальных грунтах. В этих случаях битум, разогретый только до 200 – 220 °С, тампонирует трещины в радиусе до 10 м. Для поддержания высокой температуры в битуме инъектор имеет внутреннюю трубку или стержень, изолированную от внешней трубки. Через внешнюю и внутреннюю трубку инъектора пропускается электрический ток, поддерживающий высокую температуру в битуме. Метод горячей битумизации требует для подачи битума высокого давления, доходящего до 2,5 – 3 МПа. Для устройства искусственных оснований более применима холодная битумизация, заключающаяся в том, что в грунт под давлением подается битумная эмульсия, состоящая из битума, расщепленного в воде при помощи эмульгатора на мельчайшие взвешенные частицы (примерно 60% битума и 40% воды). Введенная в грунт битумная эмульсия обладает большой подвижностью и заполняет поры грунта. При увеличении давлении вода отжимается дальше, а частички битума выполняют из эмульсии, слипаются в общую массу и плотней заполняют поры грунта. Кроме битума для закрепления грунта в последнее время стали применять синтетические смолы. Практика закрепления грунта показывает, что при наличии органических и неорганических кислот такие смолы затвердевают за несколько часов.
Электроосмотическое закрепление грунтов
Электроосмотическое закрепление грунтов начинает получать все большее распространение и заключается в том, что в грунт параллельными рядами забивают электроды. Расстояние между электродами 0,6 – 1,0 м. Через электроды пропускается постоянный электрический ток напряжением 30 – 100 В. Глинистые грунты, подвергнутые обработке постоянным электрическим током, осушаются и уплотняются, причем процесс уплотнения необратим. Для удаления излишней воды из грунта электроды, служащие катодом, делают из полых трубок, через которые и откачивают воду. Если сделать полым также и анод, то через него можно вводить в грунт раствор хлористого кальция и тем самым усилить действие электрозакрепления грунта, превратив его в электрохимическое.
Вы смотрели: Физико-химическое закрепление грунтов
Поделиться ссылкой в социальных сетях
Источник
