768

Размеры зоны уплотнения грунта вокруг скважины зависят от количества разрядов, их энергии, параметров грунта и достигают 3–3,5 диаметра скважины.

Заполненная бетоном полость скважины играет роль армирующего элемента, а при установке арматурного каркаса получается набивная свая со сложной конфигурацией боковой поверхности и высокой несущей способностью.

В транспортном строительстве электроимпульсные технологии могут с успехом применяться для глубинного уплотнения слабых грунтов (рис. 41), укрепления оползневых склонов и откосов, устройства противофильтрационных завес, анкерных конструкций и т.д.

Рис. 41. Схема уплотнения слабых грунтов в основании автомобильной дороги:

1 – слабый грунт; 2 – прочный грунт; 3 – грунтовая свая РИТ

4.4. Физико-химические методы улучшения оснований

Физико-химические методы закрепления грунтов основаны на использовании специальной обработки грунтов и сопровождаются искусственным преобразованием их свойств. При этом в грунтах происходят необратимые изменения в связях между отдельными минеральными частицами, в результате чего возрастает прочность грунта, уменьшаются его сжимаемость и водопроницаемость. Условно физико-химические методы можно разде-

102

Окончание табл. 2

Использование физико-химических методов закрепления грунтов в дорожном строительстве имеет давнюю историю [111]. Основы глубинного закрепления грунтов земляного полотна автомобильных дорог детально освещены в трудах Д.В. Волоцкого [112, 113]. Его исследования показали высокую эффективность закрепления грунтов в целях стабилизации различных деформаций земляного полотна. Однако до сих пор они не получили широкого распространения в транспортном строительстве. Причина, по нашему мнению, кроется в следующем:

1)использование инъекционных физико-химических методов эффективно в маловлажных грунтах, в то время как большинство деформаций земляного полотна связано с обводнением и переувлажнением грунтов;

2)большинство физико-химических методов связано с экологическим загрязнением геологической среды;

3)реагенты, используемые для закрепления грунтов, как правило, имеют высокую стоимость;

4)электрохимические методы и термическое закрепление грунтов связано с большими энергозатратами;

104

Силикатизация грунтов основана на использовании силикатных растворов и их производных, которые при соединении с коагулянтом образуют гель кремниевой кислоты, цементирующей частицы грунта [114, 115]. В зависимости от водопроницаемости грунта и его химической активности используют двухили однорастворный способ силикатизации.

Пески с коэффициентом фильтрации 2–80 м/сут закрепляют двухрастворной силикатизацией. Для этого через инъектор заходками, равными длине его перфорированной части, нагнетают водные растворы силиката натрия Na2O·n SiO2 с плотностью 1,3– 1,4 г/см3 и хлористого кальция CaСl2 с плотностью 1,26– 1,28 г/см3, при взаимодействии которых образуется гидрогель кремниевой кислоты SiO2·n H2O. Постепенно этот гель отвердевает и цементирует частицы песка в камневидную массу с прочностью на сжатие 2–5 МПа. Рабочее давление при нагнетании растворов назначают равным 0,12–0,15 МПа, но не более

0,2 МПа.

Специфическим недостатком двухрастворной силикатизации является то, что хлористый кальций, являясь сильным коагулянтом, при соединении с жидким стеклом очень быстро образует гель. Это ограничивает радиус проникновения раствора в грунт.

Для закрепления мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5–5 м/сут применяют однорастворный способ силикатизации. По этой технологии в грунт нагнетается раствор силиката натрия плотностью 1,15–1,30 г/см3 с медленно действующим отвердителем – ортофосфорной кислотой или алюминатом натрия. Образование геля в грунте при смешении этих растворов происходит в заданное время, зависящее от количества коагулянта. Прочность закрепленного грунта на сжатие доходит при этом до 2–3 МПа.

Газовая силикатизация представляет собой нагнетание в грунт двуокиси углерода для предварительной его активизации с последующей закачкой силикатного раствора. После инъекции раствора производят повторное нагнетание в грунт двуокиси углерода, что усиливает процесс отвердения крепителя. Способ газовой силикатизации позволяет закреплять пылеватые пески с невысоким коэффициентом фильтрации, а также лёссовые грунты в достаточно широком диапазоне их влажности.

106

высокопроницаемыми грунтами. Например, для упрочнения пы- левато-глинистых грунтов от мягкопластичной до текучей консистенции ни один из рассмотренных инъекционных способов использовать нельзя.

Кроме того, определенные ограничения на использование химических методов накладывают экологические требования. Поэтому возможность использования химических методов необходимо в каждом конкретном случае согласовывать с экологическими организациями.

Впервую очередь именно по этим причинам химические методы закрепления грунтов не нашли широкого применения в транспортном строительстве, хотя отдельные удачные попытки стабилизации деформаций земляного полотна таким способом имеются [116–118] и даже были разработаны соответствующие рекомендации [119].

Метод напорной инъекции. С конца 50-х годов XX века для упрочнения слабопроницаемых грунтов все чаще стали использоваться высокие давления нагнетания, превышающие структурную прочность грунта. Такая технология получила название технологии гидроразрыва. Теоретическое обоснование различных аспектов инъекции с помощью гидроразрыва или по так называемой манжетной технологии с многочисленными примерами приведено в монографии А. Камбефора [120]. В настоящее время существует точка зрения, согласно которой метод гидроразрыва позволяет инъектировать любые растворы в любые грунты.

Вотличие от цементации при использовании метода напорных инъекций в пылевато-глинистых грунтах распространение раствора происходит по трещинам в грунтовом массиве, образованным при разрыве структуры грунта. Давление инъектирования может составлять от 0,05 до 40–50 МПа. Раствор распространяется по пути наименьшего сопротивления в ослабленные зоны в грунте. В результате происходит нарушение сплошности грунта в виде щелевидных разрывов, заполняемых инъектируемым раствором. Грунт между зонами разрывов уплотняется, его прочностные свойства улучшаются. Кроме того, несущая способность упрочненного основания и его жесткость увеличиваются за счет эффекта армирования грунтового массива образующимися линзами из вяжущего раствора, прочность которого с течением вре-

108

ризонтальным контуром, ограничивающим прорыв раствора на поверхность, является подошва самой насыпи.

Опыт использования метода напорных инъекций применительно к задачам транспортного строительства доказал его высокую эффективность и надежность [121].

Струйные технологии укрепления грунтов, известные также под названием «jet-grouting», разработаны в середине 70-х годов прошлого века в Японии [122]. Они основаны на гидравлическом разрушении грунта вращаемыми высокоскоростными струями цементного раствора, нагнетаемыми под давлением 30–50 МПа. Структура грунта при этом полностью разрушается и осуществляется перемешивание на месте его частиц с раствором, в результате чего создается однородная масса, которая со временем твердеет.

Раствор подается в грунт через инъекционный монитор, имеющий на боковой поверхности специальные сопла. В нижней части монитор имеет отверстие для подачи материала, в верхней – подводящие трубопроводы и штангу для опускания монитора в скважину.

Технологически процесс струйной технологии состоит из двух этапов:

1)бурения до проектной глубины лидерной скважины и опускания в нее струйного монитора (или гидропогружение монитора);

2)медленного подъема буровой колонны с одновременным вращением монитора, через сопла которого подают горизонтально направленную размывающую струю и укрепляющий раствор.

В результате на месте скважины образуется столб перемешанного с раствором грунта (рис. 44). При разных соотношениях скоростей подъема и вращения монитора можно получать различные конфигурации упрочняемого массива.

Существует три основных варианта реализации струйной технологии, отличающиеся разным числом рабочих агентов и соответственно разным составом используемого оборудования, а также получаемыми результатами укрепления грунта.

Однокомпонентная технология предусматривает размыв грунта одной или двумя противоположно направленными струями укрепляющего раствора. При однокомпонентной технологии струя распространяется в жидкой среде, то есть работает в затоп-

110