Способы закрепления грунтов силикатизация

Методы закрепления грунтов

Закрепление грунтов — это искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами. Такое преобразование обеспечивает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение сжимаемости и водонепроницаемости. Существует два основных способа закрепления грунтов: поверхностное и глубинное.

Поверхностное закрепление выполняют на глубину до 1 м. При этом способе грунт предварительно разрыхляется, перемешивается с закрепляющими материалами (вяжущие, цемент, известь и др.) и затем уплотняется. Глубинное закрепление предусматривает обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путем инъекции закрепляющих материалов, термообработки и замораживания, с использованием предварительно пробуренных скважин, шпуров или забиваемых инъекторов. Инъекцию производят с использованием вяжущих, силикатных материалов и смол.

Методы глубинного укрепления грунтов

Для повышения несущей способности грунтовых оснований применяют следующие способы искусственного закрепления грунтов:

• Химический (цементация, битумизация и смолизация)
• Термический
• Искусственное замораживание
• Электрический
• Электрохимический
• Механический

Химическое закрепление грунтов

Химическое закрепление грунтов инъекцией в строительстве в настоящее время осуществляется способами силикатизации, смолизации и цементации. Наиболее распространенная и популярная из технологий по закреплению грунтов — это цементация. Цементация — это процесс нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока по ранее забитым полым сваям. Цементация применяется для закрепления крупно- и среднезернистых песков, трещиноватых скальных пород путем нагнетания в грунт цементного раствора через инъекторы. В зависимости от размера трещины и пористости песка применяют суспензию с отношением цемента к воде от 1:1 до 1:10, а также цементные растворы с добавками глины, песка и других инертных материалов.

Радиус закрепления грунтов составляет в скальных грунтах — 1,2-1,5 м, в крупных песках — 0,5-0,75 м, в песках средней крупности — 0,3-0,5 м. Цементацию производят нисходящими зонами; нагнетание прекращают при достижении заданного поглощения или когда снижение расхода раствора достигнет 0,5 л/мин в течение 20 мин при заданном давлении.

При горячей битумизации в трещины породы или в гравийно-гравелистый грунт нагнетают через скважины горячий битум, который, застывая, придает грунтам водонепроницаемость. При холодной битумизации, в отличие от горячей, нагнетают 35—45-процентную тонкодисперсную битумную эмульсию. Способ используется для очень тонких трещин в скальных грунтах, а также для уплотнения песчаных грунтов.

Смолизацию применяют для закрепления мелких песков и выполняют путем нагнетания через инъекторы в грунт смеси растворов карбамидной смолы и соляной кислоты.

Силикацией закрепляют песчаные и лессовые грунты, нагнетая в них химические растворы. Через систему перфорированных трубок-инъекторов в грунт последовательно нагнетаются растворы силиката натрия и хлористого кальция. Получающийся в результате реакции гель кремниевой кислоты придает грунту значительную прочность и водонепроницаемость.

Термическое закрепление грунтов

Термическое закрепление является результатом сжигания топлива (газообразного, жидкого, сжиженных газов) непосредственно в скважинах, пробуренных на всю глубину закрепляемого грунта. Закрепление грунта в скважине происходит под действием пламени, а в теле массива — от раскаленных газов, проникающих сквозь поры грунта. В результате вокруг скважины образуется столб обожженного грунта, диаметр которого зависит от продолжительности обжига и количества топлива. Этим способом можно закрепить грунты и устранить их просадочность на глубину до 15 м, доведя прочность в среднем до 1 МПа.

Искусственное замораживание грунтов является универсальным и надежным методом временного закрепления слабых водонасыщенных грунтов. Сущность данного метода заключается в том, что через систему замораживающих скважин, расположенных по периметру и в теле будущей выработки, пропускается хладоноситель с низкой температурой, который, отнимая от окружающего грунта тепло, превращает его в ледогрунтовый массив, обладающий полной водонепроницаемостью и высокой прочностью.

В зависимости от вида хладоносителя различаются два способа замораживания: рассольный и сжиженным газом. В первом случае рассол-хладоноситель представляет собой высококонцентрированный раствор хлористого кальция или натрия, предварительно охлажденный в испарителе холодильной машины до температуры минус 25° С. В качестве хладагента в холодильных машинах используются аммиак, фреон или жидкий азот. Во втором случае в качестве хладоносителя сжиженных газов используется главным образом жидкий азот, имеющий температуру испарения минус 196° С.

Электрический способ закрепления грунтов

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1 В/см и плотностью 1-5 А/кв.м. При этом глина осушается, уплотняется и теряет способностью к пучению.

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током через трубу, являющуюся катодом, в грунт вводят растворы химических добавок (хлористый кальций и др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.

Механический способ укрепления грунтов

Механический способ укрепления грунтов имеет следующие разновидности: устройство грунтовых подушек и грунтовых свай, вытрамбовывание котлованов и др.

Устройство грунтовых подушек заключается в замене слабого грунта основания другим, более прочным, для чего слабый грунт удаляют, а на его место насыпают прочный грунт и послойно утрамбовывают. При устройстве грунтовых свай в слабый грунт забивают сваю-лидер. В полученную после извлечения этой сваи скважину засыпают грунт и послойно уплотняют. Вытрамбовывание котлованов осуществляется с помощью тяжелых трамбовок, подвешенных на стреле башенного крана. Этот способ менее сложен, чем способ грунтовых подушек, поскольку не требует замены грунта основания. Также уплотнение котлованов значительных размеров может осуществляться гладкими или кулачковыми катками, трамбующими машинами, виброкатками и виброплитами.

Источник

13.2. ИНЪЕКЦИОННОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ СПОСОБАМИ СИЛИКАТИЗАЦИИ И СМОЛИЗАЦИИ

13.2.1. Общие положения

Силикатизация и смолизация грунтов применяются для повышения несущей способности оснований и устройства фундаментов из укрепленного грунта. Этот метод может применяться в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80 м/сут и в лессовых просадочных грунтах с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут. Силикатизация и смолизация грунтов осуществляются путем нагнетания в грунт через систему инъекторов или скважин водных растворов или смесей, приготовляемых на основе силиката натрия и синтетических смол с отвердителем. Для закрепления песчаных и просадочных лессовых грунтов применяются способы, описанные в табл. 13.6. На рис. 13.10—13.12 даны схемы инъекционного закрепления грунтов.

ТАБЛИЦА 13.6. СПОСОБЫ ХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Способ	Реакция среды закрепляющих реагентов	Область применения	Коэффициент фильтрации грунтов, м/сут	Прочность, закрепленного грунта при сжатии*, МПа
Двухрастворная силикатизация на основе силиката натрия и хлористого кальция	Щелочная	В песках гравелистых, крупных и средней крупности	5—80	2,0—8,0
				5,0
Однорастворная силикатизация на основе силиката натрия и кремнефтористоводородной кислоты	–||–	В песках средней крупности, мелких и пылеватых, в том числе карбонатных	0,5—20	1,0—5,0
				3,0
Однорастворная силикатизации на основе силиката натрия	–||–	В просадочных грунтах, обладающих емкостью поглощения не менее 10 мг-экв на 100 г сухого грунта и степенью влажности не более 0,7**	0,2—2,0	0,5—1,5
				1,0
Газовая силикатизация но основе силиката натрия и углекислого газа	–||–	То же**	0,2—2,0	0,5—3,5
				2,0
В песках средней крупности, мелких и пылеватых, а том числе карбонатных	0,5—20	1,0—5,0
		3,0
Однорастворная силикатизация на основе силиката натрия и формамида с добавкой кремнефтористоводородной кислоты	–||–	То же	0,5—20	1,0—0,3
				2,0
Однорастворная силикатизация на основе силиката натрия и ортофосфорной кислоты	Кислая	В песках средней крупности, мелких и пылеватых	0,5—10	0,2—0,5
				0,35
Однорастворная силикатизация на основа силиката натрия и алюмината натрия	Щелочная	В песках средней крупности, мелких и пылеватых, в том числе карбонатных	0,5—10	0,2—0,3
				0,25
Однорастворная смолизация на основе карбамидных смол марок М, M-2, М-3, МФ-17 и соляной кислоты	Кислая	В песках всех видов от пылеватых до гравелистых, кроме карбонатных	0,5—50	2,0—8,0
				5,0
То же, и щавелевой кислоты	–||–	В песках всех видов от пылеватых до гравелистых	0,5—50	2,0—8,0
				5,0

* Под чертой даны средние значения прочности закрепления.

** При других характеристиках грунтов возможность применения силикатизации устанавливается опытным путем.

При закреплении песчаных грунтов двухрастворной силикатизацией плотность раствора силиката натрия назначают в зависимости от коэффициента фильтрации грунтов согласно табл. 13.7, а плотность раствора хлористого кальция принимают 1,26—1,28. Для безводного хлористого кальция указанным величинам плотности соответствуют 28—30%-ные значения концентрации. Рецептуры гелеобразующих смесей, применяемые при однорастворной силикатизации песков, приведены в табл. 13.8; компоненты газовой силикатизации — в табл. 13.9.

ТАБЛИЦА 13.7. ПЛОТНОСТЬ РАСТВОРА СИЛИКАТА НАТРИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ ДВУХРАСТВОРНОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ
песчаных грунтов (при температуре 18 °С)

Коэффициент фильтрации, м/сут	Плотность раствора, г/см 3
2—10 10—20 20—80	1,35—1,38 1,38—1,41 1,41—1,44

ТАБЛИЦА 13.8. РЕЦЕПТУРЫ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОДНОРАСТВОРНОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

№ рецептуры	Крепитель	Плотность крепителя, г/см 3	Отвердитель	Плотность отвердителя, г/см 3	Объемное отношение отвердителя к крепителю	Продолжительность гелеобразования, мин	Порядок приготовления смеси
1	Силикат натрия (модуль 2,8—3,1)	1,25—1,3	Кремнефтористо- водородная кислота	1,1—1,08	0,12-0,2	10—20 при t = 20°С 60 при t = 5°С	Отвердитель добавляют к крепителю
2	То же	1,15	Алюминат натрия	1,05	0,2-0,25	60—180	То же
3	–||–	1,19	Ортофосфорная кислота	1,025	3,4-6	60—600	Крепитель добавляют к отвердителю
4	Силикат натрия (модуль 3,3—3,4)*	1,28-1,3	50 %-ный раствор формамида	1,073	0,3—0,5	15—180	Отвердитель добавляют к крепителю
5	Силикат натрия (модуль 2,8—3,1)	1,28	Этилацетат Контакт Петрова**	– –	0,03—0,1 0,04—0,06	30—72	Крепитель смешивают с контактом Петрова и в полученную смесь добавляют этилацетат

* Раствор силиката повышенного модуля получают путем обработки силиката модуля 2,5—3,0 кремнефтористоводородной кислотой плотностью 1,1—1,08 к количестве 5—6 % по объему.

** Контакт Петрова предварительно разбавляют водой в соотношении 1 : 3.

ТАБЛИЦА 13.9. ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ И ЛЕССОВЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ

№ рецептуры	Грунт	Плотность, крепителя, г/см 3	Расход крепителя в долях от объема пор	Расход отвердителя, кг на 1 м 3 грунта	Последовательность закачивания компонентов в грунт
1	Песок	1,19—1,3	0,8	4—6,5	Углекислый газ (2—2,5 кг), силикат натрия, углекислый газ (2—4 кг)
2	Присадочный лессовый	1,1—1,2	0,8	5—7,5	Углекислый газ (2—3 кг), силикат натрия, углекислый газ (3—4,5 кг)

Примечание. Крепитель — силикат натрия; отвердитель — углекислый газ в баллонах.

ТАБЛИЦА 13.10. ГОСТЫ НА ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Реактив	Стандарт	Физическое состояние реактива
Силикат натрия Хлористый кальций Ортофосфорная кислота Кремнефтористоводородная кислота Углекислый газ	ГОСТ 13079-81 ГОСТ 450-77 ТУ 10678-76 ГОСТ 6552-80 ГОСТ 8050-76	Жидкость Комки Жидкость –||– Сжиженный

ТАБЛИЦА 13.11. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛИКАТА НАТРИЯ

Показатели	Значения показателей для силиката натрия
	содового	содово-сульфатного
Внешний вид	Густая жидкость желтого или серого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом	Густая жидкость от желтого до коричневого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом
Содержание компонентов, %: кремнезема окиси железа и окиси алюминия, не более окиси кальция, не более серного ангидрида (в пересчете на серу), не более окиси натрия	31—33 0,25 0,2 0,06 10—12	28,5—29,5 0,4 0,25 0,4 10—11
Силикатный модуль	2,65—3,4	2,65—3, 4
Плотность, г/см 3	1,36—1,5	1,43—1,5

Химические материалы, применяемые для закрепления грунтов способом силикатизации, должны удовлетворять требованиям действующих стандартов (табл. 13.10).

Силикат натрия (содовый или содово-сульфатный) доставляются к месту работы в виде силикат-глыбы или раствора плотностью 1,4—1,5 г/см 3 . Раствор силиката натрия должен отвечать требованиям ГОСТ 13079-81. По физико-химическим показателям силикат натрия должен соответствовать данным табл. 13.11.

Силикатный модуль есть отношение числа грамм-молекул кремнезема SiO₂ к числу грамм-молекул окиси натрия Na₂O. Силикатный модуль является основной характеристикой силиката натрия, определяющей его состав. В процессе производства работ модуль употребляемых растворов силиката натрия подлежит контрольным определениям.

Применяемый при однорастворной силикатизации в качестве отвердителя (коагулянта) алюминат натрия должен удовлетворять следующим требованиям: каустический модуль 1,5—1,7 (отношение Na₂О/Аl₂О₃), крупность дробления 5—6 мм; содержание нерастворимых взвешенных частиц 1—2 %. Рецептуры растворов при однорастворной смолизации песчаных грунтов приведены в табл. 13.12.

Преимуществом смолизации перед однорастворной силикатизацией песков является возможность значительно более прочного закрепления грунтов. Для глубинного закрепления смолизацией, не связанного с последующим вскрытием закрепленных грунтов (например, при усилении оснований, устройстве фундаментов или защитных стенок), следует применять способы на основе карбамидных смол марок М, М-2, МФ-17, При смолизации грунтов с целью проходки подземных выработок допускается применять способы на основе смолы марки М-3, содержащей наименьшее количество свободного формальдегида (0,3—0,5%).

ТАБЛИЦА 13.12. РЕЦЕПТУРЫ РАСТВОРОВ ДЛЯ СМОЛИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ

№ рецептуры	Марка крепителя (карбамидной смолы)	Плотность крепителя при t = 18°С, г/см 3	Отвердитель	Плотность отвердителя, г/см 3	Объемное отношение отвердителя к крепителю	Продолжительность гелеобразования, мин	Порядок приготовления смеси
1	М	1,08	5 %-ная соляная кислота	1,023	0,05—0,06	40—180	В смолу при тщательном перемешивании вливают кислоту
2	М-2	1,09—1,1	5 %-ная щавелевая кислота	1,023	0,12—0,14	60—180	То же
3	М-2	1,09—1,1	5 %-ная соляная кислота	1,023	0,07—0,08	50—150	–||–
4	М-17	1,08—1,09	То же	1,09—1,1	0,08—0,10	40—150	–||–
5	М-3	1,12—1,13	–||–	1,023	0,03—0,05	25—150	–||–
6	М-3	1,178—1,18	Азотнокислый аммоний 5 %-ная соляная кислота	1,1—1,2 1,023	1—2 0,25—0,35	30—150 –	Крепитель смешивают с азотнокислым аммонием, затем добавляют кислоту
7	М-3	1,178—1,18	Сульфитно-спиртовая барда 5 %-ная соляная кислота	1,15—1,16 1,023	1—2 0,25—0,35	30—180 –	К сульфитно-спиртовой барде добавляют кислоту, затем кислый раствор сульфитной барды смешивают с крепителем

Примечание. Способ смолизации по рецептуре № 2 применяется для закрепления карбонатных песков.

ТАБЛИЦА 13.13. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАРБАМИДНЫХ СМОЛ

Показатели	Значения показателей для смол марки
	М (МРТУ 05-1101-67)	М-2 (МРТУ 05-1101-67)	М-3 (ВТУ 1Г-151-70	МФ-17 ( МРТУ 6-05-100-66)
Внешний вид	Сиропообразная жидкость однотонная по цвету. Допускает мутность в виде устойчивых кристаллов			Однотонная вязкая жидкость белого пли светло-коричневого цвета. Допускается мутность
Плотность при t = 20 °С. г/см 3	1,15—1,2	1,15—1,2	1,15—1,2	1,25—1,27
Вязкость при t = 20 °С по вискозиметру ВЗ-1	4—10	4—10	4—35	40—100
Концентрации водородных ионов, рН	7,12—9	7,2—9	7—9	7,5—8,5
Содержание свободного формальдегида, %, не менее	Не определяется	2	0,5	3
Растворимость в воде	Растворяется, допускается легкий осадок на дне	Не определяется	В соотношении 1:1	При смешивании воды и смолы раствор не должен коагулировать

Примечание. Срок хранения смол марок М, М-2 М-3 — не более 3 мес., марки МФ-17 — не более 2 мес.

Рабочая концентрация смолы достигается следующим образом: крепитель М-2 разбавляется водой в соотношении 1:0,8 до плотности раствора 1,09 г/см 3 , являющейся нижним пределом разбавления; крепитель М-3 разбавляется водой в соотношении 1:0,5 до плотности раствора 1,12 г/см 3 ; крепитель МФ-17 разбавляется водой в соотношении 1:2 до плотности 1,08 г/см 3 . При разбавлении смолы растворами азотнокислого аммония или сульфитно-спиртовой барды раствор наиболее стабилен в отношении продолжительности гелеобразования.

Применяемые при смолизации в качестве крепителей растворы карбамидных смол по физическим и химическим характеристикам должны удовлетворять нормам, приведенным в табл. 13.13, а щавелевая (кристаллогидрат) и соляная (жидкость) кислоты — требованиям ТУ II-1391-5 и ГОСТ 13282-76.

Сорочан Е.А. Основания, фундаменты и подземные сооружения

Источник