Закрепление грунтов - важный технологический процесс, позволяющий значительно улучшить физико-механические характеристики грунтов. От качества закрепления грунтов основания зависит надежность и долговечность зданий и сооружений. Давайте подробно разберем основные методы, технологии и материалы для закрепления грунтов.
1. Понятие закрепления грунтов
Закрепление грунтов - это искусственное улучшение свойств грунтов в условиях их естественного залегания с целью:
- увеличения несущей способности
- предотвращения деформаций
- придания водонепроницаемости
Основными задачами закрепления грунтов являются:
- Повышение прочностных характеристик грунта
- Снижение сжимаемости и повышение устойчивости
- Уменьшение водопроницаемости
Преимущества закрепленных грунтов:
- Высокая несущая способность
- Малая сжимаемость
- Высокая водонепроницаемость
- Устойчивость к размыванию
2. Виды закрепления грунтов
Различают следующие основные методы закрепления грунтов:
- Физико-химические (химическое и термическое закрепление)
- Механические (уплотнение, армирование)
- Термические (термосвайные технологии, электропрогрев)
- Комбинированные (сочетание вышеперечисленных)
Химическое закрепление грунтов заключается во введении в грунт химических веществ, которые под воздействием воды или других компонентов переходят в твердое состояние, связывая частицы грунта.
Термическое закрепление грунтов производится путем нагнетания в грунт высокотемпературных (до 1000°C) газов, что приводит к обжигу и частичному оплавлению грунта.
3. Способы химического закрепления грунтов
К основным способам химического закрепления грунтов относятся:
- Цементация - нагнетание цементного раствора
- Силикатизация - нагнетание жидкого стекла
- Смолизация - нагнетание синтетических смол
- Глинизация и битумизация - нагнетание глинистых и битумных растворов
- Электрохимическое закрепление - введение химических реагентов и электрического тока
Рассмотрим подробнее технологию некоторых наиболее распространенных способов.
Цементация грунтов
Цементация основана на нагнетании в грунт цементного или цементно-глинистого раствора, который заполняет поры и пустоты, а затем затвердевает, скрепляя частицы грунта.
Для приготовления раствора используют портландцемент с водой или различными добавками (песок, зола, шлак и др.).
Нагнетание раствора производится через систему скважин или инъекторов под давлением до 10 МПа.
Применение цементации:
- Укрепление оснований зданий и сооружений
- Создание противофильтрационных завес
- Придание водонепроницаемости подземным выработкам
Силикатизация грунтов
Силикатизация заключается в нагнетании в грунт раствора силиката натрия (жидкое стекло), который отвердевает, связывая частицы грунта.
Различают одно- и двухрастворные способы силикатизации. Во втором случае сначала вводят силикат натрия, затем хлористый кальций, которые вступают в реакцию.
Силикатизацию применяют для закрепления песчаных и лессовых грунтов с целью повышения их несущей способности.
Смолизация грунтов
Смолизация заключается в нагнетании органических смол (карбамидных, фенолформальдегидных и др.) с отвердителями - кислотами или солями.
Смола, попадая в грунт и полимеризуясь, образует прочный массив, упрочняя грунт.
Смолизацию используют для закрепления песков и лессов.
4. Способы механического закрепления грунтов
К механическому закреплению грунтов относят:
- Уплотнение грунтов
- Армирование грунтов
- Инъекция грунтов твердеющими составами
Уплотнение грунтов производится с помощью трамбовок, вибраторов, взрыва и др. Это повышает плотность грунта и его несущую способность.
Армирование заключается во введении в грунт специальных армирующих элементов, например георешеток или геотекстиля, что также повышает его прочность.
При инъекции в грунт нагнетают твердеющие составы, например, цементные или полимерные растворы без химического взаимодействия с грунтом. При отверждении они создают в грунте жесткие включения, повышая его прочность.
5. Термическое закрепление грунтов
Термическое закрепление грунтов заключается в нагнетании в грунт высокотемпературных газов, нагревающих грунт до температуры 900-1000°С. Происходит оплавление отдельных минеральных компонентов грунта, образующих после остывания прочный водостойкий массив.
К термическим способам закрепления грунтов относят:
- Термосвайные технологии
- Термическое бурение скважин
- Электропрогрев грунтов
При термосвайных технологиях используют сваи с электронагревателями, которые после погружения в грунт разогревают его вокруг сваи.
Термическое бурение предполагает нагрев бурового инструмента до высокой температуры, за счет чего грунт вокруг скважины подвергается термическому воздействию.
При электропрогреве через электроды, погруженные в грунт, пропускают электрический ток, вызывая нагрев грунта.
6. Технология выполнения работ по закреплению грунтов
Работы по закреплению грунтов включают следующие основные технологические этапы:
- Подготовительные работы
- Бурение скважин и установка инъекторов
- Приготовление растворов и смесей
- Нагнетание растворов в грунт
- Контроль качества работ
На подготовительном этапе производят разбивку мест бурения скважин, планировку площадки, завоз материалов и оборудования.
Бурение скважин осуществляют буровыми установками, оборудованными шнековым, ударным или другими видами бурения. В скважины устанавливают инъекторы.
Для приготовления инъекционных растворов используют смесительное оборудование - бетономешалки, коллоидные установки и др. Контролируют параметры растворов.
Нагнетание растворов в грунт производят через инъекторы насосными установками высокого давления по заданной технологической схеме.
Контроль качества включает отбор и испытание проб закрепленного грунта, геофизические методы контроля.
7. Материалы для химического закрепления грунтов
Основными материалами для химического закрепления грунтов являются:
- Цементные растворы
- Жидкое стекло
- Синтетические смолы
- Глинистые растворы
- Битумные эмульсии
Для цементации применяют портландцемент марки не ниже М400 с водой или различными добавками.
В качестве жидкого стекла используют водные растворы силиката натрия плотностью 1,05-1,5 г/см3.
Из синтетических смол чаще всего применяют карбамидные, фенолформальдегидные, акриловые, эпоксидные смолы с отвердителями.
Для глинизации применяют растворы бентонитовых глин плотностью 1,2-1,5 г/см3.
В качестве битумных эмульсий используют эмульсии битума в воде с содержанием битума 50-70%.
8. Оборудование для закрепления грунтов
Основное оборудование для выполнения работ по закреплению грунтов:
- Буровая техника - буровые установки, буровой инструмент
- Насосные установки высокого давления
- Компрессорные станции
- Смесительное оборудование - бетономешалки, коллоидные установки
- Контрольно-измерительная аппаратура
Для бурения скважин применяют установки шнекового, ударно-канатного или других видов бурения с набором бурового инструмента.
Нагнетание растворов осуществляют насосами высокого давления поршневого, плунжерного или мембранного типа.
Приготовление инъекционных эмульсий и суспензий производят в смесительном оборудовании с принудительным перемешиванием.
Контроль параметров растворов, давления нагнетания осуществляют специальными приборами.
9. Особенности закрепления различных типов грунтов
Технология закрепления грунтов имеет свои особенности применительно к различным типам грунтов.
Закрепление песчаных грунтов
Для закрепления песков применяют силикатизацию, смолизацию, цементацию. Оптимальная область применения:
- Силикатизация - мелкие и пылеватые пески
- Смолизация - мелкие пески
- Цементация - крупные и средней крупности пески
Закрепление глинистых грунтов
Для глинистых грунтов используют электрохимические и термические методы закрепления. Позволяют повысить прочность, снизить сжимаемость и предотвратить набухание глин.
Закрепление лессовых грунтов
Лессовые грунты закрепляют силикатизацией и термической обработкой. Силикатизация повышает прочность и водостойкость лессов. Термическая обработка снижает просадочные свойства.
Закрепление насыпных грунтов
Насыпные грунты характеризуются неоднородностью. Для их закрепления применяют цементацию, смолизацию, силикатизацию в зависимости от состава грунта.
Закрепление скальных грунтов
Для закрепления трещиноватых скальных пород используют инъекцию цементных, битумных, полимерных составов. Позволяет снизить водопроницаемость и повысить прочность.
10. Контроль качества закрепления грунтов
Контроль качества закрепления включает:
- Лабораторные испытания образцов грунта
- Геофизические методы контроля
- Контрольные скважины и шурфы
Лабораторные испытания позволяют определить физико-механические характеристики закрепленного грунта.
Геофизические методы (электрометрия, сейсморазведка) контролируют однородность закрепления.
Бурение контрольных скважин и шурфов дает информацию о глубине и форме массива закрепленного грунта.
11. Требования к охране труда при закреплении грунтов
Основные требования охраны труда:
- Инструктаж персонала по технике безопасности
- Соблюдение правил эксплуатации оборудования
- Использование СИЗ работниками
- Организация безопасной работы на высоте
12. Экономическая эффективность закрепления грунтов
Применение технологий закрепления грунтов позволяет получить следующие экономические эффекты:
- Снижение стоимости и материалоемкости фундаментов зданий и сооружений за счет повышения несущей способности основания
- Сокращение продолжительности и трудоемкости строительно-монтажных работ
- Повышение надежности и долговечности возводимых объектов
Кроме того, закрепление грунтов позволяет:
- Использовать слабые грунты в качестве оснований
- Строить на оползнеопасных склонах без риска
- Предотвращать аварийные ситуации при просадках грунтов
13. Области применения закрепления грунтов
Основные области применения технологий закрепления грунтов:
- Строительство фундаментов зданий и сооружений
- Строительство транспортных тоннелей и метрополитена
- Возведение подземных сооружений
- Укрепление откосов, склонов, оврагов
- Ремонт и усиление существующих фундаментов
- Предотвращение оползней и обрушений
Кроме того, закрепление грунтов широко используется в гидротехническом, горном, аэродромном и дорожном строительстве.
14. Современные тенденции в технологиях закрепления грунтов
Современные тенденции развития технологий закрепления грунтов:
- Применение комплексных методов закрепления с использованием нескольких технологий
- Разработка новых эффективных материалов для инъекции
- Создание оборудования с компьютерным управлением процессами бурения и нагнетания
- Развитие геофизических методов контроля параметров закрепления
- Математическое моделирование процессов закрепления грунтов
Внедрение передовых технологий позволит повысить качество и снизить стоимость работ по закреплению оснований зданий и сооружений.
