Искусственное закрепление грунтов

Искусственное закрепление грунтов представляет собой совокупность воздействий на грунт, в результате чего повышается прочность, он становиться неразмываемым, а в некоторых случаях и водонепроницаемым.

Закрепление грунтов применяется при создании вокруг разрабатываемых выемок водонепроницаемых завес или повышении несущей способности грунтовых оснований.В зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, требуемой степени и назначения закрепления применяют замораживание, цементацию,битумизацию, химический, термический,электрический,электрохимический и другие способы искусственного закрепления грунтов.

Замораживание грунтов.Такой способ применяют в сильно водонасыщенных грунтах(плывунах) при разработке глубоких выемок.По периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между собой трубопроводом, по которому нагнетается специальная жидкость -рассол( растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный холодильной установкой до -20…-25 С( смотри рис-1).

Рисунок-1. Схема искусственного замораживания грунтов

1-охлаждающая колонка; 2-замораживающая труба; 3-питающая труба; 4-патрубок для подсоединения к холодильной установке; 5-замороженный грунт; 6-талый грунт.

Для охлаждения рассола в холодильной установки применяют так называемые хладагенты (аммиак, реже-углекислоты).Охлаждающие иглы состоят из наружных труб, (закрытых и заостренных снизу), и внутренних , вставленных в них коаксиально и открытых снизу.Рассол поступает во внутреннюю трубу, а в нижней части колонки переходит в наружную трубу, по которой поднимается вверх после чего направляется к следующей колонке.

Окружающий грунт замерзает концентрическими цилиндрами с постепенно увеличивающимися диаметрами. Эти цилиндры смерзаются в сплошную стенку мерзлого грунта , которая выполняет функцию конструкции ограждения временной выемки. Расстояние между колонками зависит от гидрогеологических и температурных условий производства работ, глубина выемки назначается в среднем 1,5…3 м.

Способ замораживания не лишен недостатков: сохранение эффекта лишь на период действия замораживающей установки, длительный процесс естественного оттаивания, повышения влажности грунта за счет миграции воды из теплых слоев грунта к охлажденным ( под действием градиента температур). Однако технология замораживания и технические средства для его выполнения достаточно отработаны и поэтому, несмотря на указанные недостатки, этот способ широко применяется.

Цементация и битумизация заключается в инъекцировании цементного раствора или разогретых битумов.Эти способы применяют для пористых грунтов с высоким коэффициентом фильтрации, а также трещиноватых скальных пород. Химическим способом закрепляют песчаные и лесовые грунты посредством нагнетания в них через инъекторы химических растворов.

Химический способ может быть двух-и однорастворный. Двухрастворное закрепление заключается в последовательном нагнетании в грунт сначала водного раствора силиката натрия Na2SiO3, а затем хлористого кальция СаСl2. Растворы вступают в реакцию и образуют гель кремниевой кислоты nSiO2mH2O, который обволакивает зерна грунта и, твердея, связывает их в монолит.Этот способ применяется в хорошо дренирующих грунтах с коэффициентом фильтрации больше 2 м/сут. При этом прочность грунта достигает 1,5…3 МПа.

Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) применяется для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта получается 0,3…0,6 МПа. Раствор ( рис-2) при химическом закреплении нагнетают с помощью специальных труб-инъекторов, которых погружают пакетами по 5 штук или раздельно. Расстояние между инъекторами определяют в зависимости от вязкости раствора и типа грунта и уточняют экспериментально.

Рисунок-2. Схема установки для химического закрепления грунтов

а-установка; б-инъектор;1-распределительный напорный коллектор; 2-насос; 3-емкость для раствора; 4-инъектор; 5-массив закрепленного грунта; 6-слабый грунт; 7-прочный подстилающий грунт; 8-наголовник; 9-глухие звенья; 10-перфорированное звено( с отверстиями диаметром 1…3 мм); 11-наконечник.

Термическое закрепление, применяемое для лессовых грунтов, заключается в обжиге раскаленными газами, нагнетаемыми через скважину в поры грунта. Газы образуются при сжигании жидкого или газообразного топлива, подаваемого в тощу грунта вместе с воздухом через жаропрочные трубы в пробуренную скважину.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмоса, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5…1 В/см и плотностью 1…5 А/м². При этом глина осушается и уплотняется а также теряет способность к пучению .

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током в грунт вводят через трубу, являющуюся катодом и служащую инъектором , растворы химических добавок, увеличивающие проводимость тока ( силикат натрия, хлористый кальций , хлористое железо и другие). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.