6. Усиление оснований и фундаментов

6.2. Инъекционные способы укрепления грунтов основания [1, 18]

Усиление оснований путем закрепления грунтов заключается в связывании частиц грунта. Закрепление повышает механическую прочность, водоустойчивость, долговечность. В зависимости от технологии закрепления и процессов, происходящих в грунте, методы закрепления делятся на три вида: химические, физико-химические и термические.

Сущность химических методов в состоит в том, что в грунт через предварительно погруженные в него перфорированные трубы (инъекторы) нагнетают маловязкие растворы. Находясь в грунте растворы вступают в химическую реакцию с грунтом и, отверждаясь в нем, улучшают химические свойства основания.

Химические способы делятся на две группы. К первой относятся способы, использующие силикатные растворы и их производные, ко второй - способы, применяющие органические полимеры (акриловые, карбомидные, резорцино-формальдегидные, фурановые смолы и т.п.).

Наибольшее распространение имеют способы силикатизации. Материалом для силикатизации является жидкое стекло - коллоидный раствор силиката натрия.

При однорастворной силикатизации в грунт инъецируется гелеобразующий раствор, состоящий из двух или трех компонентов: растворы силиката натрия и отверждающего реагента (растворов кислот, органических составов). В результате протекающей реакции грунт цементируется гелем кремниевой кислоты.

При двухрастворной силикатизации процесс закрепления сводится к поочередному нагнетанию в грунт раствора силиката натрия и раствора хлористого калия. В процессе взаимодействия растворов образуется гидрогель кремниевой кислоты. Песок после инъекции становится водонепроницаемым.

При газовой силикатизации в качестве отвердителя силиката натрия используется углекислый газ. Газ нагнетают в грунт для его предварительной активизации. После этого инъецируют силикат натрия, а затем в грунт подают углекислый газ. Способ применяется для песчаных и просадочных лессовых грунтов, а также грунтов с высоким содержанием органических веществ. Закрепленные пески приобретают прочность 0,8…1,5 МПа, а лессовые грунты 0,8…1,2 МПа.

При элетросиликатизации используется комбинированное применение постоянного электрического тока и силикатных растворов. Способ предназначен для закрепления переувлажненных мелкозернистых грунтов и супесей, а также лессовых грунтов, в которые жидкое стекло проникает с трудом (коэффициент фильтрации менее 0,1 м/сут.).

При аэросиликатизации грунтов используют сжатый воздух, который подают в грунт вместе с закрепляющим раствором жидкого стекла. Подача сжатого воздуха позволяет получить в грунте радиально направленные от инъектора лучеобразные участки закрепленного грунта.

При больших объемах закачки тампонажных материалов применяют глинисто-силикатные растворы, представляющие собой смеси водных растворов высокодисперсных глин с небольшой добавкой силиката натрия. Силикат натрия инъецирует возникновение в порах грунта эластичного геля, обеспечивающего водонепроницаемость грунтового массива.

К другим химическим методам относятся аммонизация и смолизация.

При аммонизации в грунт под небольшим давлением нагнетается газообразный аммиак. Метод позволяет придать лессовым грунтам свойства непросадочности.

При смолизации в грунты инъецируются водные растворы синтетических смол (карбомидных, эпоксидных, фурановых и др.) вместе с отвердителями (кислотами, кислыми солями). После взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Смолизация используется при закреплении песчаных с коэффициентом фильтрации 0,5…45 м/сут. и лессовых грунтов. Грунты становятся водонепроницаемыми и имеют прочность на сжатие до 1…5 МПа.

Выбор способа и зон химического закрепления грунта зависит от характеристик основания, формы и размеров фундамента, действующих нагрузок. Зоны закрепления в плане могут быть ленточными, сплошными, прерывистыми, кольцевыми и фигурными (риc. 6.3). В зависимости от этого и свойств грунта определяется расстояние между инъекторами и их положение (вертикальное, наклонное, горизонтальное, комбинированное (рис. 6.4).

Рис. 6.3 Зоны химического закрепления грунтов оснований: а - ленточная; б - сплошная; в - столбчатая; г - кольцевая

Рис. 6.4 Варианты расположения инъекторов при закреплении грунтов оснований: 1 - фундамент; 2 - инъектор; 3 - зона закрепления; 4 - шахта

К физико-химическим методам закрепления грунтов относятся цементация, грунтоцементация, битуминизация и глинизация.

При цементации в грунт через инъекторы нагнетается цементный, цементно-песчаный или цементно-глинистый раствор. Добавка глин до 5 % способствует улучшению качества работ. Метод применяют для закрепления песчаных, крупнообломочных грунтов и трещиноватых скальных пород.

При грунтоцементации для укрепления оснований устраивают грунтоцементные (илоцементные) сваи. Для устройства свай грунт в пробуриваемой скважине перемешивается с вяжущим материалом без выемки его из скважины. Метод применяется для закрепления слабых грунтов при возведении вблизи эксплуатируемых зданий новых, создании подземных конструкций в слабых грунтах (например, илосвай, грунтоцементных ленточных фундаментов и т.п., устройстве противофильтрационных завес и др.). При глинизации для заполнения скважин используют глиняные растворы. Применяется она в трещиноватых породах, имеющих коэффициент фильтрации от 5 до нескольких тысяч метров в сутки.

При битуминизации в качестве инъецируемого вещества используют разогретый битум или холодную битумную эмульсию. Способ рекомендуется для песчаных грунтов с коэффициентами фильтрации 10…50 м/сут. Из-за сложности технологии метод применяется очень ограниченно.

Термическое закрепление грунтов (обжиг) применяются в основном при закреплении просадочных грунтов. В пробуренных в грунте скважинах сжигают газообразное, жидкое или твердое топливо. Одновременно в скважину подают воздух. Обжиг производят при температуре 400…800 °С в течение 5…10 дней. Вокруг скважины образуется столб закрепленного грунта диаметром 1,5…3,0 м с прочностью 1…3 Па. Иногда в практике применяется электротермический способ обжига грунта. Скважины во всех случаях могут пробуриваться вертикально, наклонно и горизонтально.