Закрепление грунтов: методы, виды стабилизаторов, область применения

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:

1. Физико-химические (химическое и термическое закрепление)
2. Механические (уплотнение, армирование)
3. Термические (термосвайные технологии, электропрогрев)
4. 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:

1. Цементация - нагнетание цементного раствора
2. Силикатизация - нагнетание жидкого стекла
3. Смолизация - нагнетание синтетических смол
4. Глинизация и битумизация - нагнетание глинистых и битумных растворов
5. 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:

1. Подготовительные работы
2. Бурение скважин и установка инъекторов
3. Приготовление растворов и смесей
4. Нагнетание растворов в грунт
5. 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.