Искусственное изменение состояния грунта

Искусственное изменение состояния грунта рассматривается в технической мелиорации — науке, изучающей методы изменения свойств грунтов в соответствии с требованиями различных видов строительства. В технической мелиорации используются два основных понятия: укрепление грунтов и их стабилизация.

Укреплением грунтов называют ряд последовательных технологических операций, обеспечивающих в результате воздействия на грунт добавок вяжущих и других веществ высокую прочность и длительную устойчивость как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии.

Стабилизация грунтов означает сохранение присущих им природных особенностей. Оба способа воздействия на грунт могут осуществляться без нарушения (глубинные методы) и с нарушением (поверхностные методы) природного строения и залегания грунтов.

Методы технической мелиорации грунтов подразделяются на четыре основные группы: механические, физические, физико-химические и химические.

К механическим методам относятся механическое уплотнение дисперсных грунтов статическими и динамическими нагрузками, сейсмическое уплотнение, виброуплотнение, обезвоживание (осушение), водонасыщение грунтов.

К методам уплотнения дисперсных грунтов статистическими и динамическими нагрузками относятся:

  • ? гравитационное уплотнение рыхлых отложений, которое может быть наземным и подводным и заключается в уплотнении или консолидации слабых или особых грунтов путем их нагружения слоем песка или гравия мощностью 2...3 м (в дорожном строительстве этот метод носит название метода пригрузки);
  • ? уплотнение грунтов укаткой (статическое уплотнение) с помощью самоходных или прицепных катков массой от 5 до Ют и более с гладкими, кулачковыми, решетчатыми вальцами или на пневматических шинах (является обязательной операцией при сооружении земляного полотна и конструктивных слоев дорожной одежды);
  • ? уплотнение грунтов трамбованием (динамическое уплотнение), осуществляемое последовательными ударами падающего груза (трамбовками) массой от 1 до 4 т (наиболее эффективно при уплотнении глинистых грунтов);
  • ? уплотнение массива грунта сваями (свайное уплотнение), осуществляемое за счет уменьшения пористости породы вокруг свай, погруженных в грунт.

Методы сейсмического уплотнения грунтов (энергией взрыва) заключаются в уплотнении грунтов поверхностными, глубинными или подземными взрывами, осуществляемом за счет обжатия грунта под действием взрывной волны. Применяются при создании в глинистых грунтах подземных емкостей для хранения жидкостей и газов, а также при уплотнении водонасыщенных песчаных грунтов.

Виброуплотнение грунтов может быть поверхностным (в том числе осцилляторное уплотнение), осуществляемым с помощью вибрирующих плиты или бандажа катка, или глубинным (гидровиброуплотнение). Применяется при уплотнении основания и дорожной одежды дорог и аэродромов, песчаных подушек, дамб, плотин, насыпей (на глубину от 20 см до 5...7 м).

Обезвоживание, или осушение (водопонижение), применяется для защиты поверхностных и подземных выработок от затопления подземными водами, отвода грунтовых вод от фундаментов, предотвращения заболачивания, закрепления плывунов, упрочнения грунтов в основании земляного полотна, предупреждения оползней, оплывания и других деформаций склонов.

Осушение или водопонижение осуществляется путем устройства самотечного или гидродинамического дренажа, а также особыми видами осушения, к которым относятся электроосмотиче- ский метод и электровакуумирование.

Водонасыщение применяется для устранения просадочности лёссов, которая приводит к нарушению структурных связей, изменению строения грунта и, как следствие, проявлению просадки.

К физическим методам мелиорации грунтов относятся электрохимическое закрепление, термическое упрочнение, замораживание.

Электрохимическое закрепление — это упрочнение грунтов с помощью постоянного электрического тока. Объединяет следующие способы: электрообработку без введения химических добавок, электролитическую обработку и электросиликатизацию.

Электрообработка без введения химических добавок эффективна для грунтов с коэффициентом фильтрации Кф < 0,05 м/сут. Подразделяется на электроуплотнение, электроосушение, электроупрочнение.

Электроуплотнение осуществляется за счет действия постоянного электрического тока. Для этого в грунт забивают два ряда металлических труб, причем один ряд подсоединяют к положительному полюсу, другой — к отрицательному. Расстояние между анодом и катодом должно обеспечивать сращивание катодных и анодных зон упрочнения. Под действием постоянного тока возникнет направленное движение молекул воды.

Способ, при котором одновременно с электроуплотнением производится откачка воды через перфорированные катоды, называется электроосушением. Его применяют для осушения плывунов при вскрытии котлованов. При этом при ширине котлована не более 40 м и глубине до 3 м потребуется напряжение тока 50... 100 В, сила тока составляет 0,7... 1,0 А на 1 м2.

Если способ электроуплотнения применить к морским илам, то возникает химическая реакция, которая доминирует над простым направленным движением молекул воды. Такой способ применения постоянного тока называется электроупрочнением, он наиболее эффективен для грунтов с Кф < 0,0015 м/сут., что соответствует содержанию не менее 50 % частиц размером менее 0,01 мм.

Электролитическая обработка грунтов осуществляется при совместном воздействии на грунт постоянного электрического тока и электролита (например, хлористого кальция). Этот метод применим к грунтам сКф< 0,01 м/сут. Через забитые электроды (аноды) нагнетается раствор хлористого кальция. Сила тока составляет 145 А при напряжении 120 В, время обработки 60 ч. Через аноды производится откачка воды. Применяется для укрепления плывунных глинистых пород, при борьбе с пучениями и оползнями земляных сооружений и откосов.

Электросиликатизация применяется для упрочнения плывунов и лёссовых грунтов с коэффициентом фильтрации Кф = = 0,1...0,001 м/сут. В качестве химической активной добавки вносят раствор силиката натрия (Na2On • Si02 — жидкое стекло, удельный вес 1,14... 1,2 г/см3), который с помощью постоянного тока проникает в грунт, обволакивает его частицы, заполняет поры и под влиянием отвердителя (СаС12) превращается в гель.

Термическое упрочнение — это упрочнение грунта с нарушенным (поверхностным) и ненарушенным строением (глубинный обжиг) с помощью поля положительных температур. В зависимости от температуры и времени ее воздействия, термическая обработка разделяется на прогрев (t до 500...600 °С); обжиг (t до 1000 °С) и клинкерование (t > 1000 °С). В зависимости от температуры обжига в грунтах преобладают следующие процессы:

  • ? дегидратация и агрегация частиц;
  • ? размягчение дисперсной части, приводящее к спеканию и преобразованию структуры грунта;
  • ? диссоциации карбонатов и частичное разрушение алюмосиликатов с образованием аморфного кремнезема, приводящие к образованию кальциевых силикатов и алюмосиликатов и возникновению у них гидравлических свойств вяжущих материалов;
  • ? плавление;
  • ? кристаллизация

Глубинный обжиг предполагает нагнетание в пористую лёссовую породу через жароупорные трубопроводы горячего воздуха, нагретого до температуры 600...900 °С, и поддержание избыточного давления в 0,1...0,2 МПа. Радиус упрочнения вокруг скважины составляет 1...1,5 м. При температуре 300...400 °С породы в значительной степени теряют свои просадочные свойства, а при температуре 700...900 °С приобретают свойства кирпича.

Замораживание грунта — это упрочнение под действием поля отрицательных температур, оно основано на кристаллизации воды, находящейся в порах. Сущность метода заключается в том, чтобы вокруг котлована или иной выработки создать прочную монолитную стену из мерзлого грунта. Для этого бурят скважины диаметром 200...250 мм на расстоянии 0,8... 1,3 м одна от другой, в них устанавливают замораживающие колонки, по которым циркулирует хладоноситсль (раствор хлористого кальция или магния или их смесь, газообразный аммиак, углекислый газ).

Физико-химические методы заключаются в обработке грунтов небольшими дозировками (не более 1...3 %) реагентов, изменяющих обменную способность грунта и поверхность минеральных частиц. Их цель — изменение структуры грунтов (диспергация, агрегация) или защита их естественной структуры (гидрофобизация). Наиболее эффективны для суглинков и глин. В основе физико-химических методов лежат следующие явления:

  • ? диспергация — ослабление связи между грунтовыми частицами при наличии жидкой фазы, образование глинистых суспензий;
  • ? агрегация — процесс, обратный диспергации, основанный на коагуляции, т.е. слипании частиц, ведущий к образованию агрегатов;
  • ? гидрофобизация — ликвидация возможности взаимодействовать с водой путем нейтрализации зарядов поверхностного притяжения воды.

К физико-химическим методам относятся кольматация, глинизация, солонцевание грунтов.

Кольматация — процесс заполнения порового пространства грунта мелкими пылеватыми и глинистыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в фильтрующейся воде.

Глинизация, или тампонаж, — вмыв глинистых суспензий в поры и трещины пород под давлением 2 МПа и более.

Солонцевание грунтов — искусственная диспергация суглинистых и глинистых пород путем замены в их поглощающем комплексе обменных многовалентных катионов (кальция и магния) одновалентными (натрия и калия).

Химические методы основаны на введении в грунт химических реагентов. Упрочнение грунтов при этом происходит в результате изменения их состава и характера структурных связей, что приводит к значительному увеличению прочности, водо- и морозостойкости, уменьшению водопроницаемости.

Основными процессами, приводящими к образованию новых структурных связей, являются адсорбция, ионный обмен, коагуляция, диспергация, полимеризация, поликонденсация, кристаллизация, гидратация, гидролиз и ряд других сложных химических реакций. При этом необходимо достигнуть высокой адгезии и когезии между грунтом и вяжущим.

Полимеризация — это реакция соединения нескольких молекул (мономеров), протекающая без изменения элементарного состава и не сопровождающаяся выделением побочных продуктов.

Поликонденсация — реакция соединения нескольких молекул одинакового или различного строения, сопровождающаяся выделением простейших низкомолекулярных веществ.

Адгезия (прилипание) — возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных тел, приведенных в соприкосновение.

Когезия (сцепление) — молекулярное взаимодействие частей одного и того же физического тела, приводящее к объединению этих частиц в единое целое.

Вяжущие материалы по образованию структурных связей разделяют на группы (по В.М. Безруку):

  • ? способны к самостоятельному структурообразованию с получением наиболее прочных и стойких структур — кристаллизационных и конденсационных (портландцемент, синтетические смолы типа карбамидных);
  • ? не способны к самостоятельному образованию прочных водостойких структурных связей (известь и фурфуроланалиновая смола);
  • ? образуют коагуляционные структуры (битумы).

В зависимости от способности вяжущих веществ к самостоятельному структурообразованию различают следующие методы укрепления грунтов:

? минеральными вяжущими материалами (портландцементы, вяжущие на основе техногенных отходов (зола-унос, металлургический шлак), известь). Свойства искусственной смеси и составляющих компонентов регламентируются СТБ 1521-2005 «Материалы, укрепленные неорганическими вяжущими, для покрытий и оснований автомобильных дорог»;

  • ? органическими вяжущими материалами (битумы нефтяные дорожные жидкие по ГОСТ 11955-82, эмульсии битумные дорожные по ГОСТ 18659-2005, битумы нефтяные дорожные вязкие по ГОСТ 22245-90). Свойства смеси и составляющих компонентов регламентируются Межгосударственным стандартом «Смеси органоминеральные и укрепленные органическими вяжущими грунты для дорожного и аэродромного строительства»;
  • ? синтетическими полимерами (высокомолекулярные смолы, сульфолигниновые, лигнин-протеиновые вещества);
  • ? фосфатами (техническая фосфорная кислота, двойной и обычный суперфосфат);
  • ? комплексными добавками, где помимо основного вяжущего материала в качестве добавки применяются вещества, снижающие отрицательный фактор основного вяжущего и усиливающие его положительный эффект.

Укрепление грунтов минеральными вяжущими веществами.

При цементации грунтов происходят следующие процессы:

  • ? химические — гидратация и гидролиз цементных зерен;
  • ? физико-химические — обменные поглощения продуктов гидролиза цемента тонкодисперсной частью грунта, необратимая коагуляция, микроагрегирование, цементация;
  • ? физические и механические — размельчение грунта и перемешивание с цементом.

Гидратация — присоединение молекул воды к молекулам вещества.

Гидролиз — химическое взаимодействие вещества с водой, при котором сложное вещество распадается на два или более новых вещества.

В процессе структурообразования (гидратации и гидролиза цемента) происходит переход в раствор гидрата оксида кальция, пересыщение им раствора и образование гидроалюминатов, гидросиликатов кальция и других гидратов. Возникшие кристаллы начинают расти, переплетаться между собой и сращиваться, формируя кристаллизационную структуру.

Наибольшее влияние на свойства цементогрунта оказывают следующие факторы:

? гранулометрический, минералогический и химический состав грунта;

  • ? химико-минералогический состав цемента;
  • ? технологические параметры: дозировка цемента и воды, уплотнение и режим твердения.

Для укрепления грунтов цементом необходимо не менее 8 % и не более 18...20 % минерального вяжущего. Прочность укрепленного грунта в зависимости от класса колеблется от 1,0 до 6,0 МПа, коэффициент морозостойкости — от 0,65 до 0,75.

Известь — продукт, получаемый из известковых карбонатных пород обжигом до полного удаления углекислоты и состоящий из оксида кальция. Различают следующие виды воздушной извести: негашеная — кипелка и гашеная (гидратная) — пушонка. Процесс гашения идет с выделением тепла:

При гашении 1 кг извести выделяется 277 кал, объем при этом увеличивается в 2-2,5 раза. Известь применяется как добавка при комплексном укреплении. Оптимальное количество гашеной извести для различных грунтов находится в пределах от 5 до 12 %. Применение негашеной извести дает больший эффект, однако надо строго соблюдать правила безопасности. Гашеная известь дает наибольший эффект при введении ее в гравий с пылевато-глинистым заполнителем, тяжелые суглинки и глины. При этом известь вступает в химическое и физико-химическое взаимодействие с топко- дисперсными частицами. Для укрепления глинистых переувлажненных грунтов, имеющих влажность на 4...6 % выше оптимальной, эффективно применять молотую негашеную известь.

Сланцевую золу-унос сухого отбора в качестве самостоятельного вяжущего следует применять при укреплении крупнообломоч- пых грунтов оптимального и пеоптималыюго гранулометрического состава, супесей, песков гравелистых, крупных, средних, мелких. Дозировка золы не менее 15...20 % в сочетании с 4...6 % цемента или 5...8 % извести от массы смеси.

Укрепление грунтов органическими вяжущими веществами. В качестве органических вяжущих для укрепления грунтов используются битумы (жидкие, эмульсии). Метод битумизации основан на введении в грунт битума в вязко-жидком и эмульсионном состояниях. Битумизация пород подразделяется на горячую и холодную.

Горячая битумизация применяется для закрепления трещиноватых пород с раскрытием трещин до 0Д...1 мм, холодная — для гравелисто-песчаных и песчаных пород сКф = 10...100 м/сут. Эмульсиями называются дисперсные системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых веществ, из которых одно распределено в другом в виде мелких частиц. Принципиальным отличием технологии укрепления грунтов битумами от технологии укрепления минеральными вяжущими является сохранение в грунте при его измельчении наиболее прочных агрегатов размером 2...4 мм.

Грунты, укрепленные битумом, по природе структурных связей относятся к коагуляционным структурам. Наилучшие результаты достигаются при укреплении супесчаных и легкосуглинистых грунтов. Непригодны для укрепления битумами тяжелые суглинки, пылеватые глины и песчаные грунты.

Укрепление грунтов синтетическими полимерами. Синтетические смолы (фенолформальдегидные, мочевиноформальдегид- ные, фенолфурфурольные, анилиноформальдегидные) обладают комплексом положительных качеств:

  • ? высокими адгезионными и когезионными связями;
  • ? регулируемым и быстрым отверждением смолы;
  • ? высокими прочностными свойствами;
  • ? сравнительно небольшим расходом смолы.

Синтетические смолы должны отвечать следующим требованиям:

  • ? обладать растворимостью в воде при введении в грунт,
  • ? обеспечивать нерастворимость в воде, несмачиваемость после отверждения;
  • ? обладать способностью к самопроизвольному растеканию по поверхности увлажненного грунта;
  • ? характеризоваться относительной дешевизной.

Для укрепления синтетическими смолами наиболее пригодны грунты оптимального гранулометрического состава с pH < 7,0, непригодны карбонатные тяжелые суглинки, легкие и тяжелые суглинки, глины.

Укрепление грунтов фосфатами. Наиболее эффективно применять эти методы на суглинистых и глинистых грунтах некарбонатных или слабокарбонатных. При этом достигаются удовлетворительные прочность и водоустойчивость.

Карбонаты — соли угольной кислоты (Н2СО3), относятся к классу кислородных солей. Земная кора содержит 1,7 % (по массе) карбонатов, к которым относятся кальцит СаСОз, доломит CaMg(CC>3)2, магнезит MgCC>3, сидерит БеСОз и др.

Укрепление грунтов комплексными методами. В задачу комплексных методов входят расширение видов грунтов, пригодных для укрепления, обеспечение оптимальных условий для процессов твердения и структурообразования, расширение продолжительности сезона строительства, применение укрепленных грунтов на дорогах различных технических категорий. Комплексному укреплению поддаются практически все генетические типы грунтов. Характерной особенностью комплексных методов укрепления является формирование структурно-механических свойств смешанного типа с преобладанием жестких (кристаллизационных) или пластичных (коагуляционных) структур. В качестве добавок, при комплексном укреплении грунтов с использованием цемента как основного вяжущего, наиболее часто применяются следующие вещества: известь, хлористый кальций, электролиты, едкий натрий, гипс, а также ряд поверхностно-активных веществ.

Известь в качестве добавки (гашеную Са(ОН)2 или молотую негашеную СаО) используют при укреплении грунтов, когда обработка одним цементом не дает эффекта (кислые глины и тяжелые суглинки, а также супеси и пески, имеющие pH < 6), в целях обеспечения оптимальных условий структурообразования и повышения прочности и долговечности цементогрунта.

Хлористый кальций применяют в случае производства работ при отрицательной температуре, при укреплении тяжелых суглинков, кислых или гумусированных песчаных грунтов.

Силикат натрия (натриевое жидкое стекло) при введении в качестве добавки химически взаимодействует с гидратом извести, выделяющимся в процессе гидролиза цемента, что повышает прочность цементогрунта, ускоряет его твердение, снижает расход цемента при укреплении супесчаных и суглинистых грунтов, преимущественно карбонатных разновидностей.

Добавка кремнийорганических соединений (метилсиликоната натрия ГКЖ-11, этилсиликоната натрия ГКЖ-10, полиэтилгидро- силиконата ГКЖ-94) приводит к возникновению химической адсорбции этих реагентов поверхностью элементарных минеральных частиц и появлению на них мономолекулярных или полимолеку- лярных водоотталкивающих кремнийорганичсских полимерных пленок. В процессе взаимодействия происходит сложный обмен между активными группами гидрофобизатора и поглощающим комплексом тонкодисперсной части грунта, при этом протекают реакции полимеризации и поликонденсации. Добавка кремнийорганичсских веществ при укреплении грунтов цементом в количестве 0,3...0,7 % по весу грунта обеспечивает нссмачивасмость (гидрофобность) поверхности частиц.

 
Посмотреть оригинал