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) Na₂OnSiO₂ 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.

Таблица 1

Для закрепления мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации от 0,0006 до 0,006 см/сек применяют однорастворный способ. В грунт нагнетают гелеобразующий раствор из жидкого стекла и фосфор­ной кислоты либо из жидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Первая рецеп­тура обеспечивает бо­лее быстрое гелеобразование. Прочность закрепленного грунта (табл.1) зна­чительно ниже, чем при двухрастворном спосо­бе. Этот способ нахо­дит применение глав­ным образом при уст­ройстве противофильтрационных завес.

Однорастворный способ силикатизации используют и для за­крепления   лёссовых просадочных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации от 0,0001 до 0,0023 см/сек. При этом в грунт нагнетают раствор одного жидкого стекла.  Гелеобразование происходит за счет реакции раствора жид­кого стекла с водора­створимыми солями грунта и его обменным комплексом. Роль второго раствора выполняет сам грунт. Прочность закрепленного грунта приведена в табл. 1.

Не рекомендуется применять силикатизацию для закрепления грунтов, пропитанных нефтяными продуктами, смолами и маслами, при наличии грунтовых вод, имеющих рН >9 при двухраствор­ном способе, и в случае рН>7,2 при однорастворном способе силикатизации мелких и пылеватых песков. Нецелесообразно подвергать силикатизации грунты, когда скорость грунтовых вод превышает  0,006 см/сек.

Смолизация

Смолы, которые могут быть использованы для за­крепления грунтов, должны обладать невысокой вязко­стью и полимеризоваться в порах грунта при температу­ре от 4 до 10 °С. К таким смолам относятся: мочевино-формальдегидные (карбамидные), образующиеся в ре­зультате поликонденсации мочевины и формальдегида; фенольные, образующиеся в результате поликонденса­ции фенолов и альдегидов; фурановые, образующиеся при конденсации фурфурола и фурилового спирта; акриловые—производные акриловой кислоты; эпоксидные, получающиеся при конденсации эпихлоргидрина (или дихлоргидрина) с полиаминами, фенолами, поли­спиртами и другими соединениями.

Самой приемлемой для закрепления грунтов по всем критериям является мочевиноформальдегидная (карбамидная) смола с различными отвердителями. Эта смола легко растворяется в воде, имеет малую вязкость, отвер­ждается при невысокой температуре, а самое главное вы­пускается отечественной промышленностью в виде кле­ев в большом масштабе и по своей цене вполне доступна. Для широкого использования при закреплении грунтов.

Сущность способа состоит в нагнетании в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из раствора смолы и отвердителя в виде соляной или щавелевой кислоты. Способ обеспечивает прочное закрепление, придает грунтам водонепроницаемость. Кроме того, способ позво­ляет закреплять карбонатные грунты. При повышенном содержании карбонатов (до 3%) проводится предвари­тельная обработка грунта раствором кислоты в объеме, равном объему гелеобразующего раствора.

Электрохимическое закрепление грунтов

Как установлено исследованиями, при электрохими­ческом закреплении грунта происходят три процесса:

1) электроосмос, в результате которого грунт значитель­но обезвоживается и уплотняется; 2) реакция обмена, при которой поглощенные натрии и кальций замещаются водородом и алюминием; 3) структурообразование, яв­ляющееся результатом образования алюмогеля.

Для закрепления слабых малопроницаемых грунтов, представленных мелкими песками, суглинками и супеся­ми, разработан способ комбинированного применения электрического тока и химических растворов, вводимых в грунт под давлением в момент наложения на него по­стоянного электрического тока. Обычно растворы вводят в грунт через перфорированные электроды или через за­биваемые инъекторы. Распространение растворов в грун­те в этом случае обусловливается движением воды от анода к катоду. Кроме закрепления грунта и придания ему водоустойчивости электрохимический способ повы­шает его механическую прочность. При этом большое значение имеет правильное сочетание режимов подачи растворов в грунт и пуска электрического тока, которые должны назначаться в соответствии с физико-механиче­скими свойствами грунта.

Большое значение при использовании постоянного электрического тока имеет явление электроосмоса. Бла­годаря ему можно обезвоживать значительные массивы малопроницаемых грунтов при проходке траншей и вскрытии котлованов.

Технология и производство работ

Для проведения работ по химическому закреплению грунтов применяют следующее оборудование: инъекторы, установки для бурения скважин, для чего могут быть использованы любые станки и оборудование, поз­воляющее проходить скважины диаметром 60—127 мм на глубину 15—25 м; пневматические молотки и бетоноломы для забивки инъекторов; насосы или пневматичес­кие установки для нагнетания растворов, тампонирую­щие устройства; компрессор подачей не менее 1 м³/мин с обеспечением давления 5—6 атм; силикато-разварочные установки для разварки силикат-глыбы; для газовой силикатизации баллоны с углекислым газом; шланги; соединительные части; краны; контрольно-измеритель­ная аппаратура (манометры, термометры, ареометры); емкости для приготовления и хранения растворов; гид­равлические домкраты грузоподъемностью 5—10 т или шарнирный станок для извлечения инъекторов из закрепленного грунта.

Существует схема, характеризующая весь технологический процесс работ по химическому закреплению грунтов однорастворным и двухрастворным способами силикатизации, а также способом смолизации, которая приведена на рис. 1.

Технологический процесс и оборудование несколько изменяется в зависимости от применяемого способа. При двухрастворной силикатизации по приведенной схеме организации работ путь, который проходит силикат натрия, начинается с доставляемой “навалом” с заводов силикат-глыбы, развариваемой на месте в автоклавах.

После автоклавов раствор силиката натрия нагревают для снижения вязкости до 60°С или до предусмотрен­ной проектом температуры. Из запасных чанов, пройдя насосы и затем пульт, где регулируются расход и давле­ние нагнетаемого раствора, силикат натрия закачивается через систему инъекторов в грунт.

Рис. 1. Схема механизации работ при закреплении грунтов

1 – забивка инъектора электрокором; 2 – то же, пневмомолотом; 3 – пультовые распределители реактива; 4 – насосная; 5 – силикаторазварочный узел; 6 – котельная; 7 – компрессорная; 8 – емкости для растворов CaCl₂.

Путь раствора хлористого кальция аналогичен пути раствора силиката натрия.

Из схемы ясно, что каждый из растворов имеет свое насосное оборудование и свою регулирующую сеть, но один и тот же инъектор. В этом случае перед нагнетани­ем хлористого кальция необходимо прокачать через инъ­ектор небольшую порцию воды, что в значительной сте­пени предохранит инъектор от образования в нем кремнегеля.

Наряду с оборудованием для забивки инъекторов, станками для бурения скважин, насосным оборудовани­ем и разводящей сетью, снабженной манометрами, рас­ходомерами и пр., площадка, где производится закреп­ление грунтов, должна быть снабжена электроэнергией, водой и' сжатым воздухом.

Наконец, производство работ по химическому закреп­лению грунтов должно быть обеспечено постоянным кон­тролем за качеством применяемых растворов и закреп­ленного грунта.

Инъекторы

Конструкция инъектора и механизма для его погру­жения в грунт зависит от характера и мощности подле­жащего закреплению грунта (рис. 2).

При закреплении грунта на глубину до 20 м применя­ют инъектор, состоящий из наголовника, колонн глухих звеньев труб, перфорированного звена, наконечника и соединительных частей-ниппелей. Забивку инъектора на глубину до 20 м в песчаные и лессовые грунты можно осуществлять отбойными молотками (рис. 2, а).

Закрепление грунтов на глубину до 30 м требует применения более прочного инъектора, сделанного из цельнотянутых труб диаметром 58—62 мм. Перфориро­ванная часть такого инъектора имеет длину 1,5—2,0 м, а отверстия во избежание их засорения закрыты резино­выми кольцами. Погружение таких инъекторов осущест­вляется более мощным оборудованием (рис. 2, б).

Забивку инъекторов выполняют как с поверхности земли, так и из подземных выработок. Для забивки инъ­екторов применяют преимущественно механизмы, обору­дованные пневмоударниками или пневматическими мо­лотками типа перфораторов. Например, используют бу­рильный станок с пкевмоударником   СБУ-100 или НКР-ЮОМ, смонтированный на ходовой тележке СБУ-2 или КБУ-50, а также различные опытные установки типа портативных передвижных копровых установок.

Для извлечения инъекторов кроме указанных выше установок можно использовать гидравлические спарен­ные домкраты грузоподъемностью до 10т.

При силикатизации просадочных лессовых грунтов с влажностью 16—20 % инъекцию силикатного раствора плотностью 1,13—1,20 г/см³ можно осуществлять с помо­щью забивки инъекторов (рис. 2, в) или через стенки пробуренных скважин (рис. 2, г). Для этого бурильным станком ЦГБ-50 проходят скважину глубиной, равной длине первой заходки. Длина заходки в существующей практике составляет 2—3 м. Затем в верхней зоне за­ходки устанавливают надувной тампон, через который по шлангу от насоса раствор нагнетают в грунт. Затем тампон вынимают из скважины и производят ее бурение на длину следующей заходки. Так повторяют на всю глу­бину закрепления просадочного лесса.

При химическом закреплении песчаных грунтов на глубине 50—150 м, как это было при создании противофильтрационной завесы в основании Высотной Асуан­ской плотины, нагнетание химических растворов осуще­ствляют через манжетные инъекторы, опускаемые в про­буренную под защитой глинистого раствора скважину диаметром 120—150 мм. Скважину пробуривают на всю глубину закрепляемой зоны, затем в скважину, запол­ненную глинистым раствором (благодаря чему стенки ее не требуют крепления), погружают инъектор с резиновы­ми манжетами, закрывающими его отверстия. После этого через нижнюю манжету с применением тампона нагнетают цементно-глинистый раствор, который запол­няет зазор между инъектором и стенкой скважины. Этот •вариант позволяет в дальнейшем нагнетать закрепляю­щий раствор в любой зоне инъектора (рис. 2, д). Манжетный инъектор может быть использован для закрепления грунта под существующими зданиями путем задавливания его из специально подготовленной траншеи (рис. 2, е).

Таким образом, применение инъекторов различной конструкции позволяет нагнетать химические растворы на требуемую глубину.

Требования, предъявляемые по забивке инъекторов

К работам по забивке инъекторов предъявляют сле­дующие требования:

1) инъектор должен быть забит строго по указанному в проекте направлению и с точностью угла наклона 2—3°;

2) забивка должна быть произведена на заданную глубину в возможно короткий срок;

3) при забивке оборудование нс должно подвергать­ся сильному износу.

Перечисленные требования предъявляют, в свою оче­редь, серьезные требования к механизмам и оборудова­нию, применяемому на этих работах.

Производить забивку инъекторов в вертикальном и наклонном направлениях, а также извлекать их из грун­та можно с помощью портативной копровой установки с перфоратором КЦМ-4. Она состоит из сварной рамы, трубчатых направляющих, по которым перемещается перфоратор, и ручной лебедки.