ХИМИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 692.1; 624.138; 624.13; 624.15 ао1: 10.55287/22275398_2023_2_178

ХИМИЧЕСКАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ПУЧИНИСТЫХ ГРУНТОВ

Г. Э. Окольникова*' ** Е. Ю. Симоненко *

* Российский университет дружбы народов (РУДН), г. Москва

** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва

Аннотация

В статье приводятся методы химической стабилизации пучинистых грунтов. Представлены следующие методы инъекционного химического закрепления грунтов, а именно: силикатизация, цементация и битумизация.

Ключевые слова

пучинистый грунт, стабилизация, силикатизация, цементация, битумизация

Дата поступления в редакцию

25.04.2023

Дата принятия к печати

26.04.2023

В наше время ведется активное строительство зданий и сооружений разного назначения, осваиваются обширные территории Юга и Западной Сибири, развивается строительство в Северной части нашей страны, исследуются новые регионы. Однако, одной из проблем, еще на стадии проектирования фундаментов, встающей перед инженерами-строителями, является слабость пучинистых грунтов, что требует особого подхода при выборе способа закрепления.

Химическое инъекционное закрепление грунтов — это искусственное изменение их строительных свойств, где будет возводиться объект строительства. Для этого необходимо использовать различные химические реагенты для обработки грунта в естественном залегании. Технология обладает большим преимуществом в том, что процесс происходит без нарушения естественной структуры и сложения грунтов. Это практически исключает их деформации, сохраняя условия эксплуатации существующих сооружений и зданий во время выполнения работ [1 - 2].

Широко распространен метод закрепления грунтов с применением растворов натрия и силиката калия, именуемый силикатизация. Этот способ используется как под строящимися зданиями, так и под уже возведенными фундаментами [3, 9].

Применяют одно- и двухрастворную силикатизацию. Способ однорастворной силикатизации заключается в введении в грунт гелеобразующего раствора разных рецептур с продолжительным

временем гелеобразования. Существует ряд рецептур: силикатно- фосфорнокислая (отвердите-лем выступает ортофосфорная кислота); силикатно- алюмосернокислая (отвердителем выступает жидкое стекло кислого золя); аммонийно- силикатная (отвердителем выступает сульфат аммония и карбонат аммония) [4].

Двухрастворную силикатизацию проводят путем последовательного нагнетания двух водных растворов: крепителя и отвердителей в грунт.. Чаще всего это солевые растворы силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция. Перед погружением жидкое стекло нагревают до 60 - 80 °С, чтобы уменьшить вязкость, а концентрация хлорида кальция должна быть в пределах 27 - 30%. Смесь на основе раствора силиката натрия применяется для укрепления грунтов с малым коэффициентом фильтрации. Жидкое стекло и хлорид кальция вступает в быструю химическую реакцию, в результате которой образуются желатиновые массы геля кремниевой кислоты и аморфная масса гидроксида кальция, связывающие частицы грунта. Это повышает прочность и водонепроницаемость грунта:

Na2O-nSiO2 + CaCl2 + mH2O nSiO2 (m-1) + Ca(OH)2 + 2NaCl

(1)

При дальнейшем взаимодействии гидроксида кальция и избытком хлорида кальция образуются оксихлориды кальция, что является дополнительным положительным фактором в процессе закрепления грунта:

nCa(OH)2 + CaCl2 + mH2O nCaO • CaCl2 • mH2O

(2)

В течение трёх месяцев почва полностью затвердевает и повторяет процесс естественного формирования песчаников. В данном случае показатель прочности грунта на сжатие достигает 4 - 5 МПа. Силикатизацию можно использовать для укрепления грунтов с необходимой водопроницаемостью, для нагнетания в них вязких скрепляющиющих растворов. Так же силикатизированные грунты имеют повышенные показатели по прочности и устойчивости в агрессивных средах. В случае высокой концентрации кислых и щелочных вод, возможный срок сохранности составляет пять-десять лет, однако такие факторы встречаются крайне редко [5 - 9].

Так же распространена технология цементации.

Цементация — это процесс нагнетания в грунт жидкого цементного раствора или цементного молока по ранее забитым полым сваям или через инъектор. Рецептура раствор: 50% цемента, 25% песка и 25% негашеной извести. Процесс выполняют нисходящими участками; нагнетание прекращают после достижения заданного поглощения или когда уменьшение расхода раствора достигает 0,5 л/мин в течение 20 минут при заданном давлении. Из труб-инъекторов выходит раствор, который быстро отвердевает и цементирует грунт. Выполненные вертикальные завесы позволяют осушить грунт, находящийся в месте строительства планируемого объекта, и одновременно выступают в качестве внешних стен строящейся подземной станции. С помощью Современной техники можно производить бурение под сваи без сильного динамического воздействия на окружающие объекты. Это позволяет выполнять работы даже в городских условиях и районах с плотной застройкой. Если грунт твердый, то для создания подземных экранов используются буронабивные сваи, на пучини-стых и слабых грунтах предпочитают использовать грунтоцементные колонны, соблюдая техноло-гиию Jet Grouting. Для улучшения соединения частиц грунта и раствора, перед началом цементации скважину промывают чистой водой, нагнетая ее под давлением. Процесс цементации грунтов на большой глубине осуществляется через скважину диаметром 65 мм. Долговечность цементации напрямую зависит от наличия грунтовых вод и скорости их потока.

и

Z н

Û -I н

D

CÛ

О *

X ш X О S

u

0

H

1

>

a

ш

H

и s

I

s

_ т

ч i? 2 £

J

га

< s со ц

0 s ^ ю

s ¡2

1 О к

га ¡е и (U

т s Z s

X

.0

о *

о m

Так же цементация грунтов получила широкое применение при заполнении карстовых пустот и подземных выработок. Иногда к ней прибегают для создания отдельных фундаментов из трещиноватой скалы или закреплённого песка. Посредством струйной цементации также укрепляются фундаменты и основания зданий и различных объектов городской инфраструктуры, расположенных в зонах строительства метрополитена.

Метод битумизации способен значительно снизить водонепроницаемость скальных трещиноватых пород. Смесь жидкого битума или битумных эмульсий подаётся через трубу-инъектор диаметром 20 - 35 мм. Аналогично методу силикатизации, происходит нагнетание водной суспензии, в которой содержание монтмориллонита составляет около 60%. Как правило, для большего заполнения пор грунта раствором, перед началом глинизации в трубу-инъектор нагнетается около 20 дм 3 воды под давлением в несколько атмосфер. Битумизацию целесообразно применять в тех случаях, когда невозможно осуществить процесс цементации в связи с высокой скоростью течения грунтовых вод (90 м/сутки и более) [5].

Широко примененяются два метода закрепления битумом — горячий и холодный. В первом случае применяется специальный инъектор, способный поддерживать высокую температуру раствора (около 200 - 220 °С), во втором — в скважину подается водная эмульсия по перфорированной трубе. Жидкая эмульсия вполне хорошо проникает в пучинистые грунты, а нагретый вязкий битум используют для тампонады трещин в скальных породах [5].

Технологии холодной и горячей битумизации имеют принципиальные различия при реализации:

Горячая: для укрепления скальных пород с помощью горячего битума необходимо специальное оборудование — двухслойные, нагреваемые электрическим током инъекторы, котёл, разогревающий состав и насос, подающий вязкую горячую массу. Инъекторы установливаются в подготовленные скважины на расстоянии 1,5 - 2 друг от друга. Под давлением в несколько атмосфер в разогретый инъектор подают вязкую массу из расплавленного битума. Способность состава проникнуть на расстояние от скважины достигает около 100 м, что значительно гидроизолируют трещины и укрепляет породу.

Холодная: для гидроизоляции и укрепления песчаных пучинистых грунтов используют битумную эмульсию. В зависимости от зернистости почвы, её состав может существенно различаться: в мелких песках используют 30% эмульсию, для упрочнения крупного песчаника выбирают смесь с содержанием битума до 60%. Процесс приготовления эмульсии осуществляется специальным оборудованием—эмульса-тором, который создаёт водную взвесь битума расщеплением частиц. Холодная битумизация, как правило, подразумевает нагнетание раствора в толщу песка через перфорированный инъектор.

Особенность технологии—способность укрепления пучинистого грунта с повышением его гидроизоляционных свойств. При пролегании водоносных горизонтов с сильным течением через породы, нецелесообразно использовать другие методы, так как составы вымываются, не успевая отвердеть. Битумная эмульсия частично вытесняет влагу, создавая надежную преграду для грунтовых вод.

Заключение

Как мы можем видеть, современные технические возможности позволяют осуществлять закрепление пучинистых грунтов самыми различными способами. Правильно выбрав технологию и неукоснительно соблюдая правила её выполнения, можно произвести стабилизацию грунтового основания любого типа. Принимая во внимание, что на сегодняшний день не существует абсолютных безвредных методов, то двухрастворную силикатизацию можно рассматривать как качественный, относительно безопасный и дешевый способ (за счет локализованного производства компонентов) химической стабилизации и закрепления пучинистых грунтов.

Библиографический список

1. Гончарова Л. В. Основы искусственного улучшения грунтов (техническая мелиорация грунтов) / Под ред. Смагулова Л. К., 2017.

2. Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве (к СНиП 3.02.01-83). — М.: Стройиздат, 1986. http://aquagroup.ru/normdocs/14354

3. Основания и фундаменты. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-127-fundamenty/89.html

4. Ржаницын Б. А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. — М.: Стройиздат, 1986. 264 с.

5. Соколович В. Е. Химическое закрепление грунтов. — М.: Стройиздат, 1980.

6. Швец В. Б., Феклин В. И., Гинзбург Л. К. Усиление и реконструкция фундаментов. — М.:

Стройиздат, 1985.

7. Сорочан Е. А. Справочник проектировщика—Основания, фундаменты и подземные сооружения. — М.: Стройиздат, 1985.

8. Никитина Е. И., Дудик О. Р. Статья Сибирского государсвенного университета путей сообщения.

9. Братан Ф. И., Данилова Е. А., Хотулева Е. И., Окольникова Г. Э. Современные методы усиления оснований. — Системные технологии. — 2020. — № 37. — С. 20 - 24.

и

Z м

О

CD

CHEMICAL STABILIZATION OF EXPANSIVE SOILS

G. E. Okolnikova */ ** E. Y. Simonenko *

* Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow

** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow

Abstract

The article presents methods for accounting for chemical heaving soils. Possible methods of injection chemical fixation of soils are proposed, namely: silicification, cementation, bituminization.

The Keywords

expansive soil, silicification, cementation, bituminization

Date of receipt in edition

25.04.2023

Date of acceptance for printing

26.04.2023

Ссылка для цитирования:

Г. Э. Окольникова, Е. Ю. Симоненко. Химическая стабилизация пучинистых грунтов. — Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 178 - 181.

О

со

0 н

1

>

а

ш

н 1 ¥

и

S 7

2 s

J

га

< s са ц

0 s ^ ю

1 ¡2 I и

ш

.0

с; о

о m

к га ¡е и (U 7 S Z S