Лекции по инженерной геологии

     Техническая мелиорация представляет собой науку о  законах и методах управления физическим состоянием и свойствами главным образом структурно неустойчивых грунтов, таких, как слабые водонасыщенные, набухающие, просадочные, трещиноватые и выветрелые, растворимые, органические и т. п. Она находится на стыке нескольких областей науки и техники и поэтому наибольших успехов можно ожидать только на основе достижений:

     - Геологии (грунтоведение, механика  грунтов, инженерная геодинамика,  гидродинамика, гидрогеохимия, геохимия, геофизика);

     - Физической и коллоидной химии  (химическая термодинамика и кинетика, учение о растворах, поверхностные процессы, устойчивость коллоидных систем, массоперенос);

     - Технологической науки (технология  вяжущих, технология гидротранспорта и приготовление смесей, геотехнология);

     - Строительного дела (основания и  фундаменты, производство работ,  строительные материалы, машины  и механизмы).

     Развитие  теоретических представлений, методики и практических приложений в области моделирования тесно связано с разработкой современных методов контроля качества закрепления и натурных определений параметров формирующих систем.

     В области совершенствования и  обновления важнейших технологий представляется целесообразным отметить прогрессивность  разработок в следующих направлениях.

     1 .Армирование и предварительное  напряжение грунтов и грунтовых   масс на основе специфических конструктивных решений с использованием различных технологий. К числу таких конструкций относятся свайные и траншейные  стены  и  противофильтрационные диафрагмы из различных материалов, буронабивные и буроинъекционные сваи и анкеры, пространственные конструкции из крупнообломочных и закрепленных грунтов, армирование и предварительное напряжение грунтовых масс.

     2.Создание  принципиально новых типов отечественного инъекционного оборудования, позволяющего успешно осуществлять инъекцию быстро – твердеющих, кислых, аэрированных и вспененных растворов, в том числе на основе органических и органосиликатных композиций. Создание и обновление технических средств ведения инъекционных работ как на больших глубинах в условиях повышенного давления и температуры, так и в приповерхностных условиях в целях распространения этого прогрессивного метода на объекты автодорожного, железнодорожного и других видов поверхностного строительства. Качественные технологические изменения в области инъекции грунтов тесно связаны с процессом в синтезировании инъекционных растворов и гелей, применяемых в сложных лито– и гидрохимических условиях, и обладающих высокими технологическими свойствами.

     3.Совершенствование  и обновление методов технической  мелиорации 

     грунтов, основанных на реализации комплексного воздействия (электросиликатизация, электрохимическое закрепление, термохимическое упрочнение, комплексные вяжущие). Осуществление параллельной или последовательной обработки грунтов физическими реагентами обычно позволяет резко улучшить качество закрепления, а также расширяет область применения за счет грунтов, не поддающихся мелиорации при использовании каждого индивидуального типа воздействия. Процесс в этой весьма перспективной области сдерживается в настоящее время главным образом из-за недостаточной разработки теории происходящих процессов, а также в силу недостатка специализированного серийного оборудования, приспособленного для реализации комплексных методов. Понятно, что эти две причины взаимосвязаны, и потому приоритет необходимости фундаментальных научных исследований в данном случае очевиден. 

     16.2 Методы закрепления грунтов.

     Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-механическими методами. В процессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъекцирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению окружающей среды особенно влажности. Важным условием применимости инъекционных методов закрепления является достаточно высокая проницаемость грунтов.

     Методы  инъекционного закрепления грунтов, не сопровождаемые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений, защиты существующих зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных сооружений, создания противофильтрационных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-экономическим расчетом.

     Цементация  грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.

     Цементационный  раствор обычно состоит из цемента  и воды при водоцементном отношении 0,4.... 1,0. Для цементации грунтов применяют забивные инъекторы или инъекторы-тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Инъекторы представляют собой трубу диаметром 25.... 100 мм, снабженную перфорированным звеном длинной 0,5.....1,5 м. После погружения инъекторы в грунт или скважину в трубу под давлением подается чистая вода и скважина промывается. Затем через трубу подается цементный раствор, который, проникая в грунт, цементирует его.

     При цементации карстовых пустот и трещиноватой скалы применяют цементный раствор при небольшом водоцементном отношении. Кроме того в раствор часто добавляют песок. Радиус закрепления грунта, давление нагнетания, расход цементного раствора и прочность зацементированных грунтов определяют в процессе опытных работ.

     Метод цементации применяют также для  усиления конструкции самих фундаментов. Для этого в теле фундаментов пробуриваются шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор

     Силикатизация грунтов. Применяют для химического закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80м/сут макропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут и отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени.

     Песчаные  грунты с коэффициентом фильтрации 2...80 м/сут. закрепляются двухрастворным способом силикатизации, разработанным Б.А.Ржаницыным. Способ заключается в следующем: в грунт погружаются инъекторы, представляющие собой трубы диаметром 38 мм с нижним перфорированным звеном длинной 0,5... 1,5 м. Через инъекторы в грунт нагнетается раствор силиката натрия под давлением до 1,5 МПа. Через соседнюю трубу нагнетают раствор хлористого кальция. Инъекторы располагают попарно на расстоянии 15.. .25 см друг от друга. Иногда оба раствора нагнетаются поочередно через один и тот же инъектор. Раствор силиката натрия вводится в грунт заходками 1м по глубине при погружении инъектора. Затем такими же заходками, но уже в процессе извлечения инъектора производится нагнетание второго раствора. Радиус закрепления грунта составляет 30... 100 см. Процесс гелеобразования протекает очень быстро. После полного твердения геля, на что требуется 28 дней, закрепленный песчаный грунт приобретает прочность на одноосное сжатие 2.. ..5 МПа.

     При закреплении мелких песков и плывунов, имеющих коэффициент фильтрации в пределах 1,5...1,0 м/сут, в грунт  нагнетается подготовленный заранее гелеобразующий раствор, представляющий собой смесь растворов закрепителя и отвердителя. Варьируя состав отвердителя, можно регулировать в широких пределах (от20...30 мин до10...16 ч) время гелеобразования. Для обеспечения необходимого радиуса закрепления в малопроницаемых грунтах применяются рецептуры с большим временем гелеобразования. Прочность гелей кремниевой кислоты по однорастворным рецептурам невелика. Закрепленные им пески и плывуны приобретают прочность на одноосное сжатие порядка 0,2 МПа, за исключением кремнефторсиликатной рецептуры, придающей прочность до 2...4 МПа, и силикатно-органических рецептур.

     Силикатизация эффективна для закрепления макропористых  лессовых грунтов вследствие их высокой проницаемости. Особенностью силикатизации лессов является то, что в их состав входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Поэтому силикатизация лессов проводится классическим однорастворным методом, осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс закрепления происходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может составлять для закрепленного массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств 

       В нашей стране по предложению  В.Е.Соколовича применяют газовую силикатизацию песчаных и макропористых лессовых грунтов, основанную на использовании в качестве отвердителя жидкого стекла углекислого газа (диоксида углерода). Технология способа состоит в том, что в грунт через забитые инъекторы или специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для предварительной активации грунта, затем раствор силиката натрия и вторично   углекислый газ для отверждения. Прочность закрепленных методом газовой силикатизации песков составляет 0,8... 1,5 МПа, лессовых грунтов – 0,8...1,2 МПа.

     Для сплошного закрепления массива  грунта инъекторы располагают в  шахматном порядке. Расстояние между  рядами инъекторов определяют по формуле: а=1,5r, а расстояние между инъекторами в ряду - по формуле: а=1,73r, где r- радиус закрепления, меняющийся в зависимости от рецептуры закрепляющих растворов и коэффициента фильтрации грунта в пределах 0,3... 1,0 м.

     Уточнение технологической схемы и параметров закрепления грунтов производится путем проведения опытных работ. Качество закрепления грунтов проверяют  бурением контрольных скважин с  отбором кернов, вскрытием шурфов с отбором образцов, определением удельного водопоглащения, методами электро-каротажа и зондирования.

     Смолизация. Метод закрепления грунтов смолами получил название смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбомидных, фенолформальдегидных и и других синтетических смол в смеси с отвердителями - кислотами, кислыми солями.

     Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями  смола полимеризуется. Обычное время гелеоб-разования 1,5...2,5 ч при времени уплотнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации 0,5...25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие закрепленного карбомидной смолой песка колеблется в пределах 1.. .5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.

     Организация работ по закреплению грунтов  смолами аналогична организации работ по силикатизации. Радиус закрепленной области основания составляет 0,3... 1,0м в зависимости от коэффициента фильтрации песка. Метод относится к числу дорогостоящих. Закрепление карбомидными смолами успешно применялось при строительстве Новолипецкого завода, Харьковского метрополитена.

     Глинизация  и битумизация. Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Технология глинизации заключается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.

     Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к нагнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот, и массив становится практически водонепроницаемым.

     Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщеных пылевато-глинистых грунтов в сочетании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и аллюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

     Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопроницаемостью. Наиболее часто этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20 м.