ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ

Многие грунты в своем природном состоянии по своим свойствам не отвечают тем или иным требованиям строительства. Они могут быть недостаточно прочными, неводостойкими, переувлажненными, рыхлыми, трещиноватыми, с большим содержанием органического материала и т. д. В связи с этим в ряде случаев появляется потребность в определенном преобразовании

грунтов и придании им тех или иных необходимых для строительства свойств.

При решении инженерно-строительных задач очень часто приходится преобразовывать как скальные и полускальные, так и дисперсные и мерзлые природные грунты для улучшения их свойств в соответствии с требованиями видов строительства. Это, как правило, приводит к созданию улучшенных по свойствам грунтов. В связи с этим, согласно ГОСТ 25100—95, природными образованиями, измененными в условиях естественного залегания, являются природные грунты, для которых средние значения показателей химического состава изменены не менее чем на 15 %. При этом к ним относятся не только грунты, подвергшиеся целенаправленным изменениям, но и природные грунты, в которых под влиянием деятельности человека произошли различные изменения в составе, строении, состоянии и свойствах.

Решением вопросов улучшения свойств грунтов занимается специальное направление инженерной геологии — техническая мелиорация грунтов. Наиболее широкое применение техническая мелиорация грунтов нашла при строительстве зданий и сооружений в целях искусственного изменения свойств грунтов в сторону улучшения их основных свойств: прочности, водоустойчивости, снижения водопроницаемости, что особенно важно, когда эти грунты используются в качестве оснований.

Существуют два основных пути получения улучшенных грунтов — уплотнение (изменение физическим воздействием) и закрепление (изменение физико-химическими методами). Под грунтами, измененными физическим воздействием, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замораживание, тепловое воздействие, оттаивание и т. д.) изменяет строение и фазовый состав. Под грунтами, измененными физико-химическими методами, понимают природные грунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, структуру и текстуру. При уплотнении, как правило, дисперсных грунтов происходит уменьшение их пористости, увеличивается количество контактов между частицами. Это приводит к увеличению общей прочности грунтового основания и уменьшению его сжимаемости. Грунты уплотняются как с поверхности (катками, тяжелыми трамбовками, вибрацией, замачиванием), так и в глубине толщ (грунтовые сваи, взрывы, замачивание и т. д.).

При закреплении увеличивается прочность грунтов. Это достигается повышением прочности контактов между отдельными частицами грунта или грунтовыми агрегатами путем склеивания частиц различными химическими веществами (силикатизация, цементация и другие методы), спекания частиц друг с другом (при

обжиге грунтов, применении сверхвысоких частот), путем создания ледовых контактов (замораживание грунтов), путем армирования грунтового массива (применение различных типов анкеров, геотекстильных и нетканых синтетических материалов) и т. д.

Для упрочнения скальных и полускальных трещиноватых грунтов используют в основном закрепляющие методы — цементацию, битумизацию, глинизацию и др. Улучшение свойств дисперсных грунтов производятся всеми методами как закрепления, так и уплотнения. Для крупнообломочных грунтов используют силикатизацию, цементацию, битумизацию, замораживание (при небольших значениях коэффициентов фильтрации); для песчаных грунтов — силикатизацию, термическую обработку, смолизацию, кольматацию, замораживание, виброуплотнение, трамбование, укатку, замачивание и др.; для связных грунтов — силикатизацию, электроосмос, термическую обработку, трамбование, укатку, взрывы, замачивание (для лессов), замораживание и др.; для связных органоминеральных и органических грунтов (илы, торф, заторфо-ванные фунты и др.) — электроосмос, электрохимическое закрепление, замораживание, гравитационное уплотнение и др.

Следует указать, что все многолетнемерзлые грунты (класс мерзлых грунтов) при оттаивании резко ухудшают свои прочностные и деформационные показатели.

Наибольшее количество методов улучшения свойств связано с дисперсными грунтами. Методы имеют различную сферу использования: одни методы применимы только в предпостроечный период; а другие как в предпостроечный период, так и во время строительства и эксплуатации объекта (метод силикатизации). Ряд способов улучшает свойства грунтов только на поверхности земли и до небольшой глубины (поверхностные методы), например трамбование, уплотнение грунтов укаткой. Другие методы дают возможность уплотнять грунты в глубине грунтовых толщ (силикатизация, термический обжиг) — это глубинные методы. Существуют методы, которые способны улучшить свойства грунтов, как на поверхности, так и в глубине грунтовых массивов, например виброуплотнение.

Улучшение свойств грунтов в ряде случаев осуществляется после предварительного нарушения природных структурных связей (трамбование, укатка), а в других случаях это достигается при сохранении этих связей (силикатизация, химическая обработка).

В последние годы разработаны принципиально новые комплексные методы улучшения оснований сооружений, позволяющие исправлять крен зданий с отклонением от вертикальной оси до 1,0 м.

В табл. 30 показаны основные методы технической мелиорации.

Методы улучшения свойств грунтов (методы технической мелиорации)

Класс грунтов

Группа методов

Метод

Разновидность методов

Скальные

Скрепление трещин скобами

Тампонажное закрепление

П роти воф ил ьтра-ционные

Защитные (укладка слоев глин)

Цементация, силикатиза

ция, глинизация, битумизация

Дисперсные, мерзлые,

техногенные

Физико-ме

ханические

Механические

Трамбование, укатка, гравитационное уплотнение, виброуплотнение, грунтовые

сваи, энергия взрыва, замачивание лессовых грунтов

Физические

Электрохимическое уплотнение, электроосмотическое осушение, обжиг, замораживание

Физико-хи

мические

Солонцевание, кольмата-

ция, гидрофобизация

Химические

С органическими вяжущими

Битумизация, смолизация

С неорганическими вяжущими

Силикатизация, цемента

ция, известкование

Скальные грунты. Ослабление прочности скальных грунтов связано с трещиноватостью и пустотностью. Трещины скрепляются металлическими скобами, заделываются цементными и силикатными растворами, что придает скальным грунтам монолитность и прочность. Последнее называют тампонажным закреплением. В целях прекращения фильтрации воды трещины заливают горячим битумом или забивают глиной. Аналогичные способы используют для пустот, если они расположены вблизи поверхности земли и ограничены в объемах (противофильтрационные методы). Водорастворимые скальные грунты, например, хемогенные известняки, которые имеют достаточно высокие прочностные и деформационные показатели, защищают укладкой на их поверхность слоев глин или тяжелых суглинков (защитные методы).

Дисперсные грунты. Улучшить свойства рыхлых и связных грунтов можно различными методами. По своим особенностям их разделяют на три группы:

  • • физико-механические (механические и физические);
  • • физико-химические;
  • • химические.

Это деление имеет известную условность, поскольку многие методы по своему содержанию не вписываются в рамки одной какой-либо группы и часто очень тесно связаны друг с другом.

В литературе по строительству методы технической мелиорации разделяют на две другие группы: методы уплотнения и методы закрепления грунтов. Под уплотнением имеется в виду механическое упрочнение грунтов, а под закреплением все другие способы улучшения свойств (физические, физико-химические и химические).

Физике-механические методы. Механические методы дают возможность уплотнять дисперсные грунты внешними нагрузками (давлением, ударами, вибрацией). Различают следующие способы уплотнения грунтов: 1) трамбованием; 2) грунтонабивными сваями; 3) виброуплотнением; 4) энергией взрыва; 5) укаткой; 6) гравитацией; 7) замачиванием. Сущность всех этих способов однотипная — уплотнение грунтов происходит за счет уменьшения пористости. При этом природные структуры грунтов нарушаются и формируются новые структурные связи. Механическое уплотнение применяют как для рыхлых, так и для связных грунтов.

Трамбование. В промышленно-гражданском строительстве наибольшее применение получил метод механического уплотнения пылевато-глинистых грунтов трамбованием. Для трамбования используют железобетонные или металлические трамбовки до 7 т, которые сбрасываются на грунт с некоторой высоты. В последние годы появился опыт применения сверхтяжелых трамбовок (до 80—100 т). Глубина утрамбованных лессовых просадочных суглинков может достигать 3—3,5 м (при сверхтяжелых трамбовках значительно больше). Применяют также двухслойное уплотнение. Вначале на дне котлована вытрамбовывается первый слой. Далее на уплотненный слой отсыпается такой же грунт и тоже трамбуется. Так образуется второй уплотненный слой. Общая мощность утрамбованного грунта при этом может достигать 5 м. Метод трамбования еще используют для вытрамбования строительных котлованов (траншей). В этих случаях дно котлованов будет иметь слой из уплотненного грунта.

Грунтонабивные сваи относят к методам глубинного уплотнения грунтовых массивов и используют для всех видов пылевато-глинистых грунтов, но наибольший эффект они дают в лессовых просадочных грунтах. Вначале в грунте проходят буровые скважины. При этом вокруг скважин образуются зоны из уплотненных грунтов. Далее скважины заполняют грунтом с уплотне-

нием. Такие сваи придают прочность массивам грунтов, а в лессовых грунтах устраняют просадочные свойства.

Виброуплотнение применяют для повышения плотности песков. Различают поверхностное и глубинное виброуплотнения. Поверхностное виброуплотнение производят с помощью вибрирующей плиты (уплотняет до глубины 3 м) и используют для уплотнения оснований, дорожных одежд, песчаных подушек и насыпей. Глубинное виброуплотнение осуществляют глубинными вибраторами при одновременном водонасыщении грунтов. Этот способ применяют в основном для повышения несущей способности грунтов оснований.

Энергия взрывов (сейсмическое уплотнение) позволяет производить уплотнение грунтов в глубине массивов (водонасыщенных песков, лессовых грунтов II типа по просадочности и др.), а также создавать в глубине массивов грунтов подземные пустоты, которые можно использовать как емкости для хранения нефти и других жидких продуктов.

Укатку грунтов применяют главным образом в дорожном строительстве, а также при подготовке оснований под полы в промышленных цехах и при планировке территорий строительных площадок.

Метод гравитационного уплотнения в виде приложения статических нагрузок достаточно широко используют для уплотнения водонасыщенных грунтов (илов, торфяников и пр.). Различают наземное и подводное гравитационные уплотнения. Наземное уплотнение применяют для обжатия и повышения несущей способности органоминеральных и органогенных грунтов. В качестве пригрузки используют песок (гравий, галечник) в виде слоев мощностью 2—3 м. Под действием нагрузки происходит отжатие воды и уплотнение грунтов. Способ подводного уплотнения применяют при строительстве сооружений в прибрежных речных и морских водах, где на дне залегают илы. На илы укладывают толщи песка. Илы постепенно уплотняются и становятся достаточно надежным основанием.

Метод замачивания используют для механического уплотнения лессовых просадочных грунтов. В насыщенном водой лессовом грунте под действием собственного веса или собственного веса и нагрузки от объекта разрушается структура, грунт уплотняется и теряет свои просадочные свойства. Наиболее эффективно это проявляется в грунтах II типа по просадочности и на тех глубинах, где напряжения в грунте превышают величину начального просадочного давления. Этот метод применяют как до строительства, так и в период эксплуатации объектов.

Физические методы используют физические поля (электрические, температурные, магнитные). С помощью этих методов можно повышать плотность, прочность, водо- и морозостойкость грунтов, устранять просадочные свойства в лессовых образованиях. Наибольшее распространение получили методы, в основе которых лежат:

  • • использование постоянного электрического тока (электрохимическое закрепление и осушение грунтов);
  • • воздействие на грунты высоких положительных температур (обжиг) и отрицательных температур (замораживание).

Все физические методы способны воздействовать на массивы грунтов на всю их доступную глубину. Электрический постоянный ток применяется для: электрохимического уплотнения; элект-роосмотического осушения грунтов. Сущность методов заключается в пропускании через сильно влажные глинистые грунты постоянного электрического тока. Для этого в грунт забивают металлические трубы — электроды и пропускают ток. Катионы, находящиеся в водном поровом растворе, начинают передвигаться к катоду, а от катода к аноду. В свою очередь, начинают перемещаться и анионы. При этом возникают химические реакции, образуются новые вещества, которые упрочняют структуру грунта. Движение электрического тока одновременно заставляет передвигаться воду от анода к катоду, что приводит к осушению грунта.

Эффективность метода улучшения свойств грунтов электрическим током может быть увеличена за счет предварительного введения в грунт растворов солей или химических веществ, которые могут способствовать образованию новых и более прочных структурных связей.

Обжиг. В основе метода лежат высокие температуры, которые обжигают грунты и тем самым придают им прочность. Метод часто называют «термическим закреплением» грунтов. Обжиг нашел широкое применение в целях устранения просадочных свойств маловлажных лессовых грунтов. Для этого в просадочном грунте бурят скважины, в которые подают горячие газы, обжигающие грунт. В других случаях обжиг осуществляется за счет сжигания горючего вещества в самих скважинах. При обжиге создается температура 900—1000 °С. В результате такого воздействия вокруг каждой скважины в радиусе 1—1,5 м грунт превращается в камнеподобное тело, похожее на кирпич, становится прочным, водоустойчивым и теряет просадочные свойства. Метод обжига позволяет устранять просадочные свойства в пределах всей толщи просадочных грунтов.

Замораживание. Отрицательные температуры используются для временного закрепления обводненных грунтов, главным образом,

в целях прекращения движения грунтовой воды и проникновения ее в будущий строительный котлован. Для этого вокруг будущего котлована бурят скважины. От специальной установки в скважину подается холодный раствор. Обычно для этого используется раствор хлористого кальция с температурой до —17 °С. Холод раствора замораживает воду. В итоге вокруг котлована образуется льдогрунтовая стенка, препятствующая проникновению воды в строительный котлован, что позволяет производить в нем строительные работы. По окончании работ подача холода прекращается и лед растаивает. Замораживать можно все водонасыщенные грунты, но чаще всего его применяют для песков.

Физико-химические методы. Эти методы предназначены для обработки на поверхности земли дисперсных грунтов. Они дают возможность сохранять и даже несколько упрочнять их структуру, защищать ее от воздействия воды. Улучшение свойств осуществляется путем обработки грунтов небольшим количеством (не более 1—3 % от веса грунта) определенных реагентов, которые воздействуют на поверхность минеральных частиц и в целом на всю структуру.

К физико-химическим методам относятся:

  • • солонцевание грунтов (обработка солями);
  • • глинизация (или иначе «кольматация») массивов грунтов глинистыми растворами;
  • • гидрофобизация, т. е. покрытие грунтовых структур поверхностно-активными веществами, которые позволяют грунту отталкивать воду.

Все эти методы чаще всего используют в дорожном строительстве. Для укрепления лессовых грунтов и песков в промышленно-гражданском строительстве наиболее эффективным способом является кольматация. Используя большую пористость, в эти грунты под давлением нагнетается суспензия из гидрофильной (монтмориллонитовой) глины. Глинистые частицы заполняют поры, усиливают структурные связи и делают грунты более прочными, менее водопроницаемыми.

Химические методы. Улучшать свойства грунтов можно, воздействуя на них органическими и неорганическими вяжущими веществами, которые вводят в грунты в количестве 1—5 %. Упрочнение грунтов происходит в результате изменения их состава и характера структурных связей. Грунты после такой обработки значительно увеличивают свою прочность, водо- и морозостойкость, уменьшается их водопроницаемость. Наиболее широко из химических методов применяют битумизацию и смо-лизацию (органические вяжущие), силикатизацию, цементацию и известкование (минеральные вяжущие). Обработка грунтов ор-

ганическими веществами и известкование относятся в основном к поверхностным методам, а неорганическими вяжущими — к глубинным методам.

Битумизация основана на введении в грунты битумов в виде расплавов, эмульсий или паст.

Смолизация — это упрочнение глинистых грунтов синтетическими полимерами (смолами).

Силикатизация основана на внедрении в грунты технического силиката натрия (жидкого стекла), который при взаимодействии с коагулятором выделяет гель кремниевой кислоты. Этот гель выполняет роль искусственного цемента грунтов. Жидким стеклом можно закреплять трещиноватые скальные грунты, но наиболее часто и эффективно этот метод используют для закрепления песков и лессовых просадочных грунтов (рис. 62).

Упрочнение этих грунтов достигается нагнетанием через сква-жины-инъекторы жидкого стекла. Грунты становятся камнеподобными, прочными, водонепроницаемыми, а лессовые образования утрачивают просадочные свойства на длительное время. Силикатизация также является эффективным средством в упрочнении лессовых грунтов, которые, уже будучи основаниями зданий, начали проявлять свои просадочные свойства и привели к деформациям здания. Силикатизации можно подвергать всю про-садочную толщу лессового массива.

Метод силикатизации дает наиболее хорошие результаты в лессовых грунтах типа супесей и суглинков.

Силикатизация лессовых грунтов

Рис. 62. Силикатизация лессовых грунтов:

а — до строительства; б — при деформации зданий в результате просадки в период эксплуатации; / — участок силикатизации; 2 —лессовые просадочные грунты; 3 — то же, непросадоч-ные; 4 — направление инъекции; 5 — подстилающая толща; 6 — здания

Цементация как один из способов улучшения свойств грунтов применяется во многих видах строительства. В технической мелиорации наиболее часто используют портландцемент. Цементом скрепляют трещины скальных грунтов. В нескальные грунты цемент вводится через скважины-инъекторы под давлением. Раствор может состоять из одного цемента либо цемента и специальных добавок. Цементный раствор заполняет трещины и поры, твердеет, существенно повышает прочность грунтов и делает их менее водопроницаемыми.

Цементация осуществляется по всей глубине толщи грунтов и особенно хороший эффект дает в песках, гравии, галечниках, суглинках, супесях.

В настоящее время широко применяют предложенные Анри Видалем армированные грунты (армогрунты), где в качестве упрочняющего элемента используется сталь, но в последнее время сетки и каркасы из пластмасс — геосинтетических материалов, например из полиэтилена высокого давления.

В заключение необходимо отметить, что в будущем следует ожидать дальнейшего развития методов улучшения свойств грунтов.

Из года в год объем строительных работ возрастает. Строителям предстоит осваивать районы с неблагоприятными для строительства грунтами. Будет возрастать капитальность сооружений, что повысит требования к прочностным и деформационным характеристикам грунтов. Для решения всех этих задач необходимо более глубокое понимание природы грунтов, дальнейшее развитие технической мелиорации.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >