Закрепление грунтов: цементация силикатизация смолизация

Закрепление грунтов заключается в усилении связей между их частицами способами цементации, битумизации, силикатизации, смолизации, воздействием электрического тока, обжигом и т. д. на глубину до 15 м.

Для повышения несущей способности грунтов в основании фундаментов, а также для прекращения или уменьшения фильтрации воды под гидротехническими напорными сооружениями применяют цементацию. Сущность этого способа заключается в нагнетании в поры укрепляемого грунта цементного раствора, при отвердевании которого значительно увеличивается прочность и водонепроницаемость основания.

Способ цементации применим для закрепления грунтов, размеры пор которых обеспечивают свободное проникание частиц цемента. Наибольший эффект получается при цементации крупнообломочных грунтов, крупных и средней крупности песков с коэффициентом фильтрации от 80 до 200 м/сут. Цементация трудноосуществима в мелких песках и совсем непригодна для укрепления илистых, супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов. Трещиноватые скальные грунты можно цементировать только при ширине трещин в них более 0,1 мм.

Для цементации применяют цементные или цементно-песчаные растворы состава от 1:1 до 1:3. Раствор нагнетают под давлением 0,3—1 МПа растворонасосами или пневмонагнетателями через предварительно заглубленные трубки-инъекторы диаметром 33—60 мм, имеющие в нижней части отверстия диаметром 4—6 мм. Радиус действия инъекторов ориентировочно принимают для трещиноватых скальных грунтов 1,2—1,5 м, для крупнообломочных грунтов 0,75—1 м, для крупных песков 0,5—0,75 м, для песков средней крупности 0,3—0,5 м.

Расход раствора составляет 20—40% объема закрепляемого грунта. Упрочнение грунта наступает после схватывания цемента. Закрепленный песчаный грунт вблизи инъектора на 28-е сут имеет предел прочности на сжатие 2—3 МПа. С изменением радиуса закрепления от 0,4 до 1,2 м предел прочности на сжатие зацементированного песка в крайних слоях меняется от 2 до 0,9 МПа.

Закрепление грунтов битумом называют битумизацией. Ее применяют для укрепления песков и сильно трещиноватых скальных грунтов. Битумизацию производят нагнетанием в грунт расплавленного битума или холодной битумной эмульсии. Первый способ применим для закрепления сильно трещиноватых скальных грунтов, так как грунт с мелкими порами почти непроницаем для вязкого битума. Разогретый до 200—220 °С битум нагнетают в грунт инъектором под давлением 2,5—3 МПа. Холодная битумная эмульсия по сравнению с разогретым битумом обладает большей способностью к прониканию в грунт, что позволяет использовать ее для закрепления песков. Для этого приготовляют битумную эмульсию, состоящую из 60% битума, расщепленного в воде с помощью эмульгатора на мельчайшие взвешенные частицы, и 40% воды. Полученную эмульсию нагнетают в грунт. Заполняя поры, битумная эмульсия связывает и закрепляет грунт.

Так как суспензия из взвешенных в воде частиц цемента не может проникнуть в грунты с мелкими порами, для закрепления таких грунтов применяют силикатизацию. Известны два способа силикатизации грунтов—двухрастворный и однорастворный.

Сущность двухрастворной силикатизации заключается в образовании связывающего частицы грунта вещества—геля кремниевой кислоты—в результате реакции между растворами силиката натрия (жидкого стекла) и хлористого кальция. Эта реакция подобна процессу образования песчаников в природных условиях, но происходит значительно быстрее. Наиболее интенсивно реакция протекает в течение первых двух часов нагнетания раствора в грунт, а затем замедляется. Через 10 сут прочность закрепленного грунта достигает 70—80% той, которая бывает после завершения процесса—примерно через 90 сут. Двухрастворную силикатизацию применяют для укрепления крупных и средней крупности песков с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут. Радиус закрепления таких песков в зависимости от значения коэффициента фильтрации изменяется от 0,3 до 1 м, а предел прочности закрепленных грунтов на сжатие через 28 сут составляет 1,5—5 МПа.

Однорастворную силикатизацию используют для закрепления мелких песков и плывунов с коэффициентом фильтрации 0,3—5 м/сут. Радиус закрепления таких грунтов 0,3—1 м, а предел прочности на сжатие закрепленных грунтов 0,4—0,5 МПа. Для упрочнения грунтов используют один раствор, состоящий из жидкого стекла и фосфорной кислоты.

Способ закрепления грунтов, представляющий собой дальнейшее развитие метода однорастворной силикатизации и основанный на использовании вместо жидкого стекла раствора синтетической смолы, а взамен фосфорной кислоты соляной, называют смолизацией грунтов. В настоящее время разработана технология закрепления карбамидной смолой песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,3—5 м/сут при содержании глинистых частиц не более 2%. Для закрепления грунтов используют водный раствор карбамидной смолы, в который непосредственно перед нагнетанием в грунт добавляют раствор соляной кислоты. Смесь подают в укрепляемый грунт, используя оборудование, применяемое для силикатизации. Процесс отверждения грунтов начинается через 1,5—4 ч после введения раствора соляной кислоты, что необходимо учитывать при производстве работ. Радиус закрепления грунта в зависимости от коэффициента фильтрации изменяется от 0,4 до 0,8 м. Предел прочности укрепленного грунта на одноосное сжатие 1—5 МПа. Вследствие высокой стоимости синтетических смол смолизацию грунтов пока применяют крайне редко, однако это обстоятельство следует рассматривать как временное явление.

Способ электрозакрепления грунтов основан на том, что под воздействием постоянного электрического тока в грунтах происходит движение воды к отрицательному электроду (электроосмос) и одновременно с этим перемещение коллоидальных взвешенных в воде частиц грунта к положительному электроду (электрофорез). Кроме того, наблюдаются явления электролиза и другие сложные химические процессы, приводящие к образованию кристаллизационных связей и продолжающиеся в течение нескольких лет. Так, на одной из строек было установлено, что предел прочности грунта на сжатие спустя год после прекращения процесса электрозакрепления увеличился почти в 2 раза.

Рис. 5.2. Схема применения термического способа укрепления просадочных грунтов 1 — просадочный грунт; 2 — непросадочный грунт; 3 — зона укрепленного грунта; 4 — скважина; 5 — затвор с камерой сгорания; 6 — форсунка; 7 — трубка для подачи горючего; 8 — трубка для подачи сжатого воздуха

Для обезвоживания грунта в него погружают электроды на расстоянии 0,6—1,5 м один от другого. В качестве положительных электродов используют стальные стержни любого профиля, а в качестве отрицательных – трубы с отверстиями, расположенными в зоне удаления воды.

Наблюдениями установлено, что под воздействием электрического тока коэффициент фильтрации песков увеличивается в процессе осушения в 10—20 раз, а глинистых и илистых грунтов—до 100 ра. Это обстоятельство в значительной степени способствует успеху способа электрохимического закрепления грунтов, сущность которого заключается в том, что на место удаляемой через отрицательный электрод воды в освобождающиеся поры грунта подается из трубчатого положительного электрода цементирующий раствор жидкого стекла, хлористого кальция или другого вещества.

Сущность термического способа закрепления грунтов заключается в том, что при обжиге маловлажных просадочных лессовых и пористых суглинистых грунтов в них происходят необратимые процессы превращения водорастворимых связей между частицами грунта в водостойкие, в результате чего существенно повышается несущая способность грунтов и устраняется их просадочность. Обжиг грунтов осуществляется нагнетанием в скважины горячего воздуха температурой 600—800 °С или же сжиганием топлива (солярового масла, нефти, газа и т. п.) непосредственно в скважине с созданием температуры 800—1000 °С (рис. 5.2). Последний способ более экономичен и требует меньше оборудования. В результате обжига предел прочности грунта на сжатие повышается до 1,0—1,2 МПа. Обожженный грунт становится неразмокаемым и морозоустойчивым, полностью утрачивая просадочные свойства.

1. Для чего применяют искусственное укрепление грунтов?

2. В чем состоят различные способы уплотнения грунтов?
3. Как производится закрепление слабых грунтов?

www.stroitelstvo-new.ru

СПРАВОЧНИК. Закрепление грунтов. Статья

---

Часто строители сталкивается с необходимостью возведения объектов в местах, где производство работ невозможно без закрепления грунта вблизи уже существующих сооружений, а также при необходимости устройства фундаментов на пористых, сыпучих и малопрочных грунтах.

В процессе инъецирования реагентов в грунт и их дальнейшего твердения, между частицами грунта возникают прочные структурные связи, что приводит к снижению показателей водопроницаемости и сжимаемости, а так же к увеличению прочности грунтов.

Закрепление грунтов непосредственно связано с преобразованием свойств естественно залегающих грунтов физико-химическими способами. По способу закрепления принято выделять несколько методов, которые кардинально отличаются друг от друга.

---

Цементация грунтов

Данный метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, песков и галечниковых отложений при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов более 80 м/сут., также для заполнения карстовых пустот и закрепления трещиноватых скальных грунтов.Технология метода заключается в следующем. В пробуренные скважины опускают инъекторы, представляющие собой трубы диаметром от 25 до 100 мм перфорированные в нижней части. Данный метод также позволяет использовать забивные инъекторы. После погружения инъектора в скважину или грунт в него под давлением подается вода, что позволяет промыть инъектор и скважину. Затем вода замещается цементным раствором, который проникает в грунт и цементирует его. Цементный раствор состоит из цемента и воды в водоцементном отношении от 0,4 до 1,0.

При цементации пустот и закреплении трещиноватых скал применяют раствор с добавлением песка и небольшим водоцементным отношением. В процессе опытных работ устанавливают все показатели: радиус закрепления грунта, давление нагнетания и расход цементного раствора, прочность зацементированных грунтов.

Силикатизация грунтов

Рассмотрим двухрастворный способ силикатизации. Данный метод применяют для химического закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 1 до 80 м/сут, макропористых просадочных грунтов и некоторых видов насыпных.

Суть метода заключается в следующим. В грунт погружаются инъекторы , представляющие собой трубы диаметром 38 мм перфорированные в нижней части. Инъекторы погружаются попарно на расстоянии 25 см друг от друга. Через инъекторы под давлением до 1,5 МПа в грунт закачивается раствор силиката натрия. Через соседнюю трубу закачивается раствор хлористого кальция. Допускается нагнетания растворов поочередно при введении и извлечении инъекторов. Радиус закрепления грунта составляет до 1 метра. На полное твердение реагентов требуется 28 дней, после чего закрепленный грунт приобретает прочность на сжатие до 5 МПа (одноосное). При закреплении мелких песков и плывунов в грунт нагнетается гелеобразующий раствор, состоящий из смеси растворов крепителя и отвердителя. Изменяя состав отвердителя, можно регулировать время гелеобразования, достигая значений от нескольких минут до нескольких часов. В малопроницаемых грунтах для обеспечения необходимого радиуса закрепления применяют раствор с большим временем гелеобразования. Также силикатизация эффективна для закрепления макропористых лессовых грунтов. Интересной особенностью силикатизации лессов является наличие в составе таких грунтов солей, которые исполняют роль отвердителя раствора силиката натрия. Что позволяет проводить закрепление грунтов классическим однорастворным методом. Прочность закрепления массива может достигать 2 МПа при этом оно водоустойчиво и не имеет просадочных свойств.

Также применяют газовую силикатизацию песчаных и макропористых лессовых грунтов при которой в качестве отвердителя используют углекислый газ (диоксид углерода). Суть метода заключается в следующем. В грунт нагнетается углекислый газ для его активации, затем раствор силиката натрия и вторично углекислый газ. Прочность закрепления таким способом составляет до 1,5 МПа. Для сплошного закрепления грунта инъекторы располагают в шахматном порядке. Расстояние между рядим определяют по формуле a=1,5r, а расстояние между инъекторами в ряду – a=1,73r, где r – радиус закрепления.

---

---

Смолизация грунтов Данный метод применяют для закрепления водонасыщенных и сухих песков с коэффициентом фильтрации до 25 м/сут. Суть метода заключается во введении в грунт органических соединений типа карбамидных, фенолформальдегидных и других синтетических смол в смеси с отвердителями – кислыми солями и кислотами. После взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Время гелеобразования составляет от 1,5 до 2,5 часов при времени упрочнения до 2 суток. Прочность закрепления песка карбамидной смолой колеблется в пределах от 1 до 5 МПа на одноосное сжатие. Технология закрепление грунтов смолами аналогична технологии силикатизации грунтов. Радиус закрепленной области составляет от 0,3 до 1 метра.

Электрохимическое закрепление грунтов Данный метод применяют для закрепления водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов. Суть метода заключается в следующем. В грунт через аноды подают растворы солей многовалентных металлов на основе воды, которые реагируя с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей алюминия и железа. Данный метод позволяет значительно повысить прочность грунтов, также снизить способность грунта к набуханию. При электрохимическом закреплении грунтов напряжение тока составляет до 100 В, а расход энергии от 60 до 100 кВт/ч на один кубический метод закрепляемого грунта.

Глинизация и битумизация Данный метод применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Суть метода заключается в следующем. Через инъекторы, погруженные грунт нагнетают водную суспензию бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60-70%. Водопроницаемость грунта резко снижается за счет выпадения в осадок глинистых частиц, которые заполняют поры песка. Метод битумизации применяют для уменьшения водопроницаемости трещеноватых скальных пород. Суть метода заключается в нагнетании через скважины битумных эмульсий или расплавленного битума в трещеноватый массив. При этом происходит заполнение пустот массива что делает его практически водонепроницаемым.

---

Термическое закрепление грунтов

Данный метод наиболее часто применяют для устранения просадочных свойств лессовых макропористых грунтов, при этом глубина закрепляемой толщи достигает 20 метров. Скважины, пробуренные диаметром от 100 до 200 мм, закрывают специальные керамические затворы, в которых оборудованы камеры сгорания. К камере подают топливо и воздух под давлением. Температура газов должна быть не ниже 300°С, иначе не происходит ликвидация просадочности грунтов.

Также температура не должна превышать 850°С , если температура выше то стенки скважины оплавятся и станут газонепроницаемыми. Для поддержания температуры горения на уровне 750…850°С расход воздуха на один килограмм горючего составляет от 30 до 40 кубических метров. При указанном количестве воздуха количество сгораемого горючего на 1 метр длины не должно превышать 0,85 кг/ч. Термическая обработка производится непрерывно в течении нескольких суток.

В результате получается упрочненный конусообразный массив грунта диаметром от 1,5 до 2,5 м поверху, а на глубине 8 – 10 м диаметр составляет от 0,3 до 1 м, образуется коническая свая с прочностью до 10 МПа. Также применяется технология, которая позволяет сжигать топливо на любой глубине скважины. Это позволяет создавать термосваи постоянного сечения, с уширением вверху или внизу. При закреплении грунта термосваями рекомендуют проведение испытаний статической нагрузкой.

---

---

Если статья оказалась полезной, ознакомьтесь с нашими услугами

Посмотрите другие статьи нашего справочника

www.specbaza.ru

Химическое закрепление грунтов

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский государственный индустриальный университет

Кафедра инженерных конструкций

Реферат

по дисциплине “Основания и фундаменты”

на тему “Химическое закрепление грунтов”

Новокузнецк 2003

Содержание

Введение . 3

Инъекторы .. 9

Требования, предъявляемые по забивке инъекторов . 11

Список литературы .. 13

Введение

Закрепляемые грунты должны обладать достаточной проницаемостью. Глинистые и суглинистые грунты вследствие малой проницаемости не поддаются химическому закреплению. Таким образом, хорошо фильтрующие грунты поддаются закреплению, внедряя в их поры вяжущие материалы. Способ закрепления выбирают в зависимости от грунтовых условий района строительства, а также производственных возможностей его выполнения.

Химическое закрепление грунтов начало развивать­ся с 1931 г., когда Б.А. Ржаницыным был разрабо­тан первый — двухрастворный способ силикатизации водонасыщенных песков. По схеме двухрастворного спо­соба была осуществлена также силикатизация просадочных лессовых грунтов, при которой роль второго реагента выполнял сам грунт.

В первый период разработка химических способов закрепления грунтов была основана на использовании неорганического полимера — силиката натрия. В даль­нейшем разработка химических способов закрепления грунтов велась по пути создания гелеобразующих рас­творов, которые представляли собой смесь раствора си­ликата натрия небольшой плотности с отверждающими растворами кислот и солей. Малая вязкость растворов (1,5—3,0 мПа^. с) позволила закреплять песчаные грунты с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут, в кото­рых двухрастворпый способ силикатизации неприменим. Использование для отверждения раствора силиката нат­рия газов (углекислого газа или аммиака) находится пока в стадии разработки.

В связи с развитием химии органических полимеров были проведены большие исследования по использова­нию выпускаемых химической промышленностью смол для закрепления грунтов. Наиболее доступной для при­менения оказалась мочевиноформальдегидная (карбамидная) смола. В качестве отвердителя использовали соляную и щавелевую кислоты. Однако некоторая ток­сичность, обусловленная выделением свободного фор­мальдегида в момент разработки закрепленного масси­ва, т. е. при проходке тоннеля или вскрытии котлована, ограничивала применение способа смолизации. В результате лабораторных исследований удалось значитель­но уменьшить выделение свободного формальдегида. Это несколько снизило прочность закрепления, но позволило применять смолизацию при проходке подземных выра­боток.

В разработку рецептур химических способов закреп­ления песков и лессов большой вклад внесли доктора техн. наук В. В. Аскалонов и В. Е. Соколович.

В области химического закрепления глинистых и илистых грунтов были проведены исследования с приме­нением химических растворов и постоянного электриче­ского тока. Изучение процессов электроосмоса в глини­стых грунтах позволило разработать способ осушения котлованов в этих грунтах, что дает возможность закла­дывать фундаменты в них «насухо». Что касается улуч­шения строительных свойств грунтов путем воздействия на них постоянного электрического тока, то этот способ находит очень ограниченное применение в строительст­ве—главным образом для придания устойчивости скло­нам выемок.

Учитывая все возрастающую потребность в повыше­нии прочностных свойств слабых глинистых и илистых грунтов, в лаборатории с 1975 г. ведутся разработки буросмесительного способа закрепления таких грунтов.

Применение разработанных химических способов в различных областях строительства показало, что они особенно эффективны для улучшения свойств грунтов под фундаментами существующих сооружений. Это в значительной степени объясняется тем, что превращение грунта под фундаментом в камень осуществляется, как правило, без нарушения эксплуатации здания.

Характеристика химических способов закрепления грунта

Существует несколько химических способов закрепления грунтов: цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, электрохимическое закрепление и буросмесительное для создания цементогрунта.

Цементация

Цементация грунтов как способ представляет собой заполнение пустот, трещин и крупных пор в крупнообломочных грунтах, образующим со временем твердый цементный или цементно-глинистый камень.

Для цементации можно использовать цементные, цементно-песчаные и цементно-глинистые растворы. В каждом отдельном случае необходимо выбирать как состав раствора, так и его водоцементное отношение (В/Ц), которое может изменяться от 1 до 0,4. Кроме то­го, инъекционные растворы должны обладать следующи­ми характеристиками: подвижностью раствора по конусу АзНИИ 10—14 см, водоотделением в течение 2 ч 0-2 %, прочностью при сжатии после твердения в течение 28 сут 1—2 МПа. Исходная плотность таких растворов, как правило, составляет 1,60—1,85 г/см³ . Все эти характери­стики обусловливаются проектом.

Применение цементных растворов, как установлено практикой, не прекращало фильтрации полностью, что зависело от характера трещиноватости горных пород. Это объясняется повышенной крупностью помола цемен­та, который в настоящее время имеет размер частиц по­рядка 50 мкм, а это значит, что трещины размером 0,2 мм не будут зацементированы. Кроме того, водные растворы цемента не дают 100%-ного выхода камня, что также влечет за собой остаточную фильтрацию.

В отличие от цементации глинизация может приме­няться для заполнения карстовых пустот только в сухих породах, способных после нагнетания глинистого рас­твора впитывать из него воду. В связи с этим после за­полнения пустот глинистый раствор должен находиться в течение нескольких суток под гидравлическим напо­ром.

При глинизации применяют глинистый раствор плот­ностью 1,2—1,3 г/см³ . В результате повышения давления (более 2 МПа) вода из глинистого раствора отжимается, обезвоженное глинистое тесто плотно заполняет пустоты и придаст породе водонепроницаемость.

Глинизация так же, как и цементация, может приме­няться только при небольших скоростях движения грун­товых вод во избежание уноса раствора из тампонируе­мой зоны, т. е. в гравелистых и трещиноватых грунтах, в которых коэффициент фильтрации находится в пре­делах от 50 до 5000 м/сут.

Битумизация

Способ горячей битумизации применяется в трещиноватой скальной и полу­скальной породах при большой скорости фильтрации. Он состоит в нагне­тании через пробуренные скважины расплавленного битума, который, остывая в трещинах, сообщает породе водонепроницаемость. Так как битум не смешивается с водой, а при соприкосновении с ней образует пленку, плохо проводящую тепло, то при нагнетании он заполня­ет большие пустоты и каверны даже при наличии значи­тельных скоростей движения грунтовых вод. Остывание битума в больших трещинах и пустотах происходит мед­ленно из-за его слабой теплопроводности, и поэтому ра­диус распространения его значителен.

Отрицательным качеством горячей битумизации является то, что в течение последующего времени при наличии напора грунтовых вод наблюдается выдавливание битума из трещин; также из-за значительной вязкости даже расплавленный битум не может полностью заполнить трещины с раскрытием менее 1 мм, таким образом, ра­диус битумизации колеблется от 0,75 до 1,5 м, а водо­проницаемость полностью не снимается.

Указанные выше явления привели к тому, что способ горячей битумизации стал применяться редко как в гид­ротехническом, так и в промышленном строительстве.

Для придания водонепроницаемости песчаным грун­там разработан способ холодной битумизации, т. е. нагнетания в песчаный грунт битумной эмульсии. Этот способ целесообразно применять тогда, когда тре­буется придать грунту только водонепроницаемость. Ос­новным условием успешного применения этого способа является приготовление стабильных и однородных эмуль­сий. Опыты ‘показывают, что частицы битумной эмульсии могут проникать в поры грунта, когда их диаметр в 25— 35 раз меньше среднего диаметра частиц грунта. Приме­нение способа холодной битумизации в песках ограни­чивается коэффициентом фильтрации от 10 до 50 м/сут.

При наличии в настоящее время других способов, как например, силикатизации и смолизации, способ хо­лодной битумизации не получает широкого применения, так как технология приготовления битумной эмульсии значительно сложнее технологии приготовления раство­ров при силикатизации и смолизации.

Силикатизация

В 1931 г. был разработан двухрастворный способ силикатизации, сущность которого состояла в том, что в песчаный грунт любой влажности через забитую металлическую перфо­рированную трубу (инъектор) поочередно нагнетались раствор силиката натрия (натриевое жидкое стекло) Na₂ OnSiO₂ и раствор хлористого кальция CaCl₂ . В результате химической реакции между ними в порах грунта образуется гидрогель кремниевой кислоты, и грунт быстро и прочно закрепляется. Двухрастворный способ обеспечивает высокую прочность грунта (табл. 1) и практически его полную водонепроницаемость. Недостатками этого способа являются высокая стоимость и большая трудоемкость работ. Поэтому его преимущественно применяют при усилении оснований под сооружениями. Закрепленный грунт имеет кубиковую прочность 1,5…3,5 МПа. Прочность закрепленного грунта не снижается при воздействии на него агрессивных вод.

mirznanii.com