10.6. Искусственное закрепление грунтов

Совокупность воздействий, в результате которых повышается прочность грунта, он становится неразмываемым, а в некоторых случаях и водонепроницаемым, представляет собой искусственное закрепление грунтов.

Закрепляют грунты для создания вокруг разрабатываемых выемок водонепроницаемых завес и повышения несущей способности грунтовых оснований. В зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, требуемой степени и назначения закрепления существуют следующие способы искусственного закрепления грунтов: замораживание, цементация, битумизация, химический, электрохимический и др.

Замораживание грунтов применяют в сильноводонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок. Для этого по периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенные между собой трубопроводом, по которому нагнетают специальную жидкость-рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный холодильной установкой до -20...-25°С (рис.10.11).

Окружающий грунт замерзает концентрическими цилиндрами с постепенно увеличивающимися диаметрами. Эти цилиндры смерзаются в сплошную стенку мерзлого грунта, которая выполняет функцию ограждения временной выемки.

Цементация и битумизация заключаются в инъецировании, соответственно, цементного раствора или разогретых битумов в пористые грунты с высоким коэффициентом фильтрации, а также в трещиноватые скальные породы.

Химическим способом закрепляют песчаные и лессовые грунты нагнетанием в них через инъекторы химических растворов.

Химический способ может быть двух- и однорастворный.

Двухрастворное закрепление состоит в последовательном нагнетании в грунт сначала водного раствора силиката натрия (), а затем хлористого кальция (). Растворы вступают в реакцию и образуют гель кремниевой кислоты (), который обволакивает зерна грунта и, твердея, связывает их в монолит. Этот способ применяют в достаточно хорошо дренирующих грунтах (коэффициент фильтрации 2...80 м/сут). При этом прочность грунта достигает 1,5... 3 МПа.

Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) используют для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта 0,3... 0,6 МПа.

Раствор при химическом закреплении нагнетают специальными трубами-инъекторами, погружаемыми раздельно или пакетами по 5 шт. Расстояния между инъекторами принимают в зависимости от вязкости раствора и типа грунта, уточняют экспериментально.

Рис.10.10. Схема искусственного замораживания грунтов

1 - охлаждающая колонка; 2 - замораживающая труба;

3 - питающая труба; 4 - патрубок для подсоединения к холодильной установке; 5 - замороженный грунт.

Рис.10.11. 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

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Заключается он в пропуске через грунт постоянного электрического тока с напряженностью поля 0,5... 1В/см и плотностью тока 1...5 А/м. При этом глина осушается, сильно уплотняется и 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 др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.