ИСКУССТВЕННОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ

Закрепление грунтов проводят в целях повышения их несущей способности. Для закрепления грунтов применяют следующие способы: искусственное замораживание; тампонаж: цементация, глинизация, битумизация; химический: силикатизация однорастворная, двухрастворная или газовая; смолизация; термическое закрепление грунтов обжигом путем сжигания в скважине газообразного или жидкого топлива, или подачей в скважину горячих газов, или электроплавлением; электрохимический: путем электрообработки, электролитической обработки или электросиликатизацией.

Искусственное замораживание грунтов чаще всего применяют в плывунах. Для замораживания используют холодильные установки, где хла-доносителем является рассол хлористого кальция или сжиженный газ в виде жидкого азота, аммиака и др. По периметру котлована через толщу водоносных грунтов бурят скважины, куда опускают замораживающие трубы с расстоянием между ними 1—1,5 м, нижний конец которых герметически заварен в виде конуса. В них опускают питающие трубы с меньшим диаметром и открытым нижним концом. Питающие трубы соединены с рассолопроводом и холодильной станцией. Жидкий рассол с отрицательной температурой 25°С достигает дна замораживающей трубы, отбирает тепло у грунта, отдавая ему холод, и под давлением поднимается по зазору между замораживающей и питающей трубами. Затем рассол снова поступает через коллектор в холодильную станцию.

Тампонаж заключается в нагнетании через инъекторы в трещиноватые и крупнопористые грунты тампонажных растворов, которые в результате кольматации, термопластичных и других процессов придают грунту водонепроницаемость и монолитность. При скорости подземных вод до 75 м/сут. и трещинах более 0,2 мм применяется цементация. В разбуренные скважины вставляют инъекторы, и через них нагнетают специальными насосами или компрессорами цементные растворы под давлением до 10 МПа. Для цементации применяют различные виды цементов, но классом не ниже В 25. Глинизацию производят суспензией бентонитовых глин, глиносиликатными растворами или бентонитосиликатными растворами. Она проводится аналогично цементации. Цементацию и глинизацию в скальных грунтах ведут тремя способами: на всю глубину скважины; способом снизу вверх, при котором скважину бурят на всю глубину, а раствор нагнетают вверх на 4—6 м путем последовательной перестановки тампона; способом вниз, при котором скважину сначала бурят на глубину одной зоны 4—6 м, а после ее цементации бурят глубже. Цементацию и глинизацию ведут непрерывно до полного отказа поглощения раствора или до условного отказа. Битумизацию проводят в скальных и песчаных грунтах горячим или холодным способом. Горячая битумизация заключается в нагнетании под давлением 5—8 атм расплавленного битума при температуре 190°С в скважины, снабженные продольными электронагревателями через инъекторы. Давление увеличивают постепенно в несколько циклов с перерывами для остывания битума. Холодную битумизацию проводят при тампонаже битумными мастиками, которые при соприкосновении с грунтом за счет адгезии и процессов окисления превращаются в вязкую систему, обеспечивающую водонепроницаемость.

Химические способы закрепления грунтов. Смолизация аналогична однорастворной силикатизации, ее применяют для мелких и пылеватых грунтов. В качестве закрепляющей основы используют растворы синтетических смол. Чаще применяют карбамидную смолу с полимеризатором из раствора соляной, ортофосфорной или щавелевой кислот. Раствор смолы с растворителем нагнетают через инъекторы, которые расположены в шахматном порядке. Сначала нагнетают в первый ряд инъекторов, затем во второй и т.д., а в рядах нагнетают через один инъектор. Силикатизация бывает однорастворная, двухрастворная и газовая; применяется для плывунов и песчаных грунтов.

Однорастворная силикатизация заключается в нагнетании гелеобразной смеси раствора жидкого стекла и отвердителя (фосфорной или серной кислоты):

3№20 п$Ю2 + Н2804 + тН20 = п$Ю2(т + 1)Н20 + №2804.

Двухрастворная силикатизация заключается в раздельном введении в грунт с коэффициентом фильтрации 5—80 м/сут. компонентов: сначала раствора жидкого стекла, а затем после промывки водой нагнетательной системы — отвердителя в виде раствора хлористого кальция. Возможен обратный порядок нагнетания. Жидкое стекло и хлористый кальций вступают в реакцию с образованием геля кремниевой кислоты, гидроокиси кальция и хлористого натрия:

20 я8Ю2 + СаС12 + Н20 = л8Ю2Н20 + Са(ОН)2 + 2№С1; ЗЫа20 +п$2 +2Н3Р04 + 7>т20 + ?>п^2 + 1)Н20 + №і3Р04.

При газовой силикатизации в качестве коагулятора жидкого стекла используют углекислый газ, закачиваемый в грунт до и после нагнетания в него раствора:

СаС03 + С02 + Н20 = Са (НС03)2;

Са (НС03)2 + №22 = СаО я8Ю2 + 2№НС03;

22 + 2С0220 = 8Ю2 лН20 + 2№НС03.

Термический способ закрепления грунтов применяют для маловлажных просадочных грунтов и проводят разными способами: обжигом, при котором в пробуренные скважины нагнетают высокотемпературные газы 900— 1000°С, происходит обжиг грунтов горячими газами и вследствие этого их спекание; сжиганием жидкого или газообразного топлива в скважине или в укрепляемом грунте; электроплавлением (применяется для плывунов), при котором электрический ток пропускается через электронагреватели, что создает температуру 1800—2500°С, и грунт плавится.

Электрохимические способы закрепления грунтов эффективны в водонасыщенных связных грунтах. Электрообработка заключается в пропускании постоянного электрического тока через систему стальных электродов, погруженных в грунт. При воздействии электрического тока на глинистый грунт в нем происходит комплекс электро-кинетических (электроосмос), электрохимических (электрохимические реакции на поверхности электродов) и структурообразовательных (образование новых минералов и изменение структуры грунта) процессов, снижающих влажность и увеличивающих прочность и водостойкость грунта. Грунтовая вода перемещается к катодам-электродам. Аноды из стальных труб с перфорацией на стенах служат для удаления выделяющейся воды. Электролитная обработка заключается в следующем: через систему трубчатых перфорированных электродов наряду с пропусканием постоянного тока в грунт вводят растворы химических реагентов, которые взаимодействуют между собой и с минеральными частицами грунта, изменяют фазовое состояние и улучшают физико-механические характеристики закрепляемого грунта. В качестве анодных электролитов применяют 5—10%-ные растворы САС12, Ре2(804)3, А12(804)3. В качестве катодного электролита используют раствор жидкого стекла. Катодная (щелочная) зона насыщается кальцием, участвующим в образовании водонерастворимых соединений. Средняя (нейтральная) и анодная зоны насыщаются ионами трехвалентного железа и алюминия, обладающими амфотерными свойствами, что обусловливает в межэлектродном пространстве водонерастворимые соединения. Это повышает прочность грунта до 0,6—0,7 МПа; если же надо еще увеличить прочность, то в качестве анодных электролитов применяют растворы мономеров синтетических смол, например карбамидной смолы. Наряду с трубчатыми анодами используют аноды-сваи, которые впоследствии играют роль набивных свай. Электросиликатизация — это разновидность электролитной обработки, служащая для закрепления мелкозернистых пылеватых песков. Через аноды-инъекторы последовательно вводят растворы жидкого стекла и отвердителя, под действием внешнего давления и постоянного электрического поля увеличивается зона проникновения в грунт растворов и повышается эффект закрепления.