768
.pdf
ленном режиме. Разрушение грунта происходит на расстоянии 20–35 см от сопла, а диаметр получаемой грунтобетонной сваи или столба составляет 0,5–0,8 м.
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
|
в) |
|
|
|
|
г) |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 44. Схема закрепления грунтов струйной технологией: а – проходка скважины и погружение монитора;
б, в, г – закрепление грунта
При двухкомпонентной технологии подача струи цементного раствора осуществляется одновременно с подачей концентрично расположенной с ней кольцевой струи воздуха. Такой подход позволяет увеличить радиус воздействия разрушающей струи до 0,9– 1,5 м от сопла, а диаметр столба укрепленного грунта – до 2–3 м.
Трехкомпонентная технология отличается тем, что разрушение грунта производится водовоздушной струей (водяной струей в ореоле сжатого воздуха). Одновременно через второе отверстие, расположенное ниже воздушно-водного канала, подается цементный раствор. Диаметр укрепления достигается такой же, как и при двухкомпонентной технологии, при этом уменьшается расход закрепляющего раствора, так как исключаются его потери за счет частичного выноса вместе с размытым грунтом на поверхность.
Прочность закрепленного грунта зависит от свойств грунтов, состава и свойств раствора, технологии нагнетания и может достигать 5–6 МПа. Возможно приготовление раствора заранее (например, цементного, цементно-глинистого) или изготовление в
111
процессе работы путем подачи к соплам составляющих, смешивание которых происходит непосредственно в струе (например, жидкое стекло и отвердитель или цементный раствор и ускоритель схватывания). В зависимости от поставленных целей столбы могут образовывать сплошные или прерывистые массивы и стены.
Приближенные расчеты параметров струйной технологии инъекционного армирования грунтов осуществляются в следующей последовательности:
1.Выбор требуемой конечной прочности укрепляемого грунта.
2.Определение требуемого диаметра упрочненного столба и расчет потребного количества цемента на единицу его длины.
3.Подбор состава цементного раствора.
4.Выбор параметров инъектирования (давление нагнетания, размер и количество сопел, время инъекции на 1 пог. м грунтоцементного столба, шаг подъема буровой колонны, скорость ее вращения и т.д.).
Обоснованность выбранных параметров упрочнения грунта проверяется путем опытного закрепления.
Струйная технология позволяет армировать практически любые грунты – от гравия до мелкодисперсных глин и илов. К преимуществам струйной технологии также относятся:
–высокая производительность работ;
–возможность выполнения работ в стесненных условиях;
–отсутствие динамических воздействий на фундаменты близлежащих зданий;
–возможность регулирования прочностных свойств армируемого грунта в широком диапазоне;
–возможность использования серийных механизмов (нестандартными являются только струйный монитор и установка для его привода) и др.
К недостаткам струйной технологии следует отнести то, что при закреплении техногенных и глинистых грунтов не всегда удается добиться сплошности обработки грунтового массива или достичь требуемых параметров закрепления.
Метод глубокого перемешивания закрепляемого грунта с це-
ментом, получивший название технологии DSM (DeepSoilMixing), разработан в Японии и там же был впервые применен [123]. Он предусматривает погружение в слабый грунт специальной ме-
112
шалки с лопастями (рис. 45), перемешивающей грунт с одновременно подаваемым цементным раствором. Благодаря равномерному распределению цемента в массе грунта и его химическому взаимодействию с грунтом обеспечивается значительное повышение прочности последнего. Механические свойства улучшенного грунта зависят от характеристик естественного грунта, количества вводимого цемента, условий и времени твердения.
В зависимости от того, когда инъектируется цементный раствор, различают две технологии производства работ: инъекция при внедрении и инъекция при извлечении. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки.
Технология DSM отличается экологической чистотой, а также минимальным количеством бурового шлама по сравнению со струйными технологиями (рис. 46).
Рис. 45. Общий вид установки глубинного перемешивания
В зависимости от инженерногеологических условий и поставленной задачи обработке может быть подвергнута вся толща слабого грунта или его часть. В первом случае получают основание,
опирающееся на нижние прочные слои грунта, во-втором – основание «плавающего» типа, под которым остается прослойка слабого грунта.
113
Модуль деформации упрочненного грунта во много раз превышает модуль деформации естественного основания.
4.4.2. Электрические методы закрепления грунтов
Электрические способы технической мелиорации грунтов основаны на особенностях электрических свойств твердой и жидкой фазы грунта [124, 125]. В грунтах, представляющих собой систему «вода-минеральные частицы грунта», вода несет положительный заряд, а частицы твердого вещества – отрицательный. На граничных поверхностях компонентов сосредотачиваются одинаковые заряды противоположного знака. Они группируются в два слоя ионов, образующих вокруг частицы грунта нейтральную оболочку. Таким образом, вся система «вода-твердое вещество» оказывается электрически нейтральной. Полярность твердой и жидкой фаз проявляется лишь тогда, когда на эту систему накладывается электрическое поле, возникающее между двумя электродами, подключенными к источнику постоянного тока.
Врезультате подвижная поровая вода как носитель положительных зарядов движется по направлению к отрицательному электроду (катоду). Кроме того, в глинистых грунтах под воздействием постоянного электрического тока часть связанной воды переходит в свободную, что увеличивает эффективное сечение пор.
Врезультате глины и суглинки легко отдают воду, а их водопроницаемость увеличивается в 10–100 раз. Одновременно электрическое поле, создаваемое в водонасыщенных глинистых грунтах, вызывает эмиссию ионов из металла электродов. Эти катионы также могут вступать в соединения, которые приводят к стойкому упрочнению грунтов.
Различают три способа электрического закрепления грунтов
(рис. 47):
–с помощью эмиссии ионов металла (А13–, Fе2–) из материалов электродов;
–с помощью растворов электролитов, вводимых в грунт через перфорированные трубчатые аноды (например, СаС12, FeCl2, A1C13);
–с помощью затвердевающих водных растворов, вводимых в
грунт через аноды или катоды (например, смолы, жидкое стекло).
114
Рис. 47. Схема электрохимического закрепления грунтов (стрелками показано направление стабилизации грунта):
1 – катод; 2 – анод; 3 – источник постоянного тока; 4 – фильтр; 5 – раствор химического вещества; 6 – вода
В общем случае действие постоянного электрического тока на водонасыщенный глинистый грунт вызывает в нем электролиз, электроосмос, обменные реакции, образование и накопление новых химических соединений. При применении этих способов всегда необходимо оценивать влияние используемых средств на хи- мико-минералогический состав пород. Ионный обмен в грунтах
происходит в соответствии с катионообменным рядом: Na–, K–, Ca2–, Mg2–, Fe2–, Fe3–, А13–. Каждый из этих катионов может быть
вытеснен катионом, стоящим в этом ряду справа от него. Электроосмос. Физическое явление электроосмотического
обезвоживания используется в случае необходимости осушения или временного закрепления сильносвязных и органических грунтов.
В качестве катодов при электроосмотическом осушении используются перфорированные трубы или иглофильтры, анодом служит простой металлический стержень. Расстояние между электродами обычно принимается равным от 3 до 10 м. Напряжение электрического поля принимается равным от 30 до 100 В на 1 м расстояния между электродами, разность потенциалов между которыми и возникающие под воздействием этой разности силы
115
электрического поля создают условия для перемещения поровой воды от анода к катоду, из которого она откачивается.
Наряду с явлением электроосмоса в глинистых грунтах происходит электрофорез – движение коллоидов и мелких глинистых частиц к положительному полюсу. Кроме того, происходит изменение состава поверхностного слоя глинистых частиц вследствие замещения входивших в него катионов катионами, поступающими от электродов. При длительном воздействии электрического тока на глинистый грунт протекающие в нем физикохимические процессы приводят к образованию необратимых соединений, которые упрочняют грунт.
Электрохимическое закрепление используют для тех же грун-
тов, что и электроосмос. Этот способ характеризуется более коренным изменением свойств грунтов. В этом случае в качестве катодов и анодов используются перфорированные трубы или иглофильтры. Через аноды в грунт подается специально подобранный электролит, активизирующий процессы ионного обмена в грунтах. Через грунт пропускают постоянный электрический ток, под воздействием которого резко возрастает процесс водоотдачи, увеличивается скорость фильтрации вводимых электролитов, возрастает интенсивность физико-химических процессов, приводящих к образованию в грунте нерастворимых соединений и необратимых коллоидов. Из катодов производят откачку воды.
Для применения электрохимических методов мелиорации грунтов требуется то же оборудование, что и для электроосмотического осушения. В то же время расстояние между электродами сокращается. Чтобы достичь более равномерного закрепления грунтов между электродами, направление движения постоянного тока через определенный период времени изменяют на противоположное. Соответственно катоды и аноды меняются местами.
Электросиликатизация заключается в том, что через погруженные в грунт перфорированные аноды последовательно заливают растворы силиката натрия и хлористого кальция, которые под действием постоянного электротока активно перемещаются в направлении катодов. Расстояния между электродами при электросиликатизации принимаются равными от 0,6 до 1,0 м. При закреплении грунтов жидким стеклом или смолами ионный обмен
116
играет второстепенную роль. Эффективность этого способа зависит прежде всего от условий перемещения закрепляющих реагентов в грунте. Электросиликатизацией с успехом можно закреплять водонысыщенные глинистые грунты, где использование обычной силикатизации из-за малой проницаемости грунтов невозможно. В то же время для электросиликатизации характерна существенная неравномерность прочностных показателей закрепленных грунтов, так как лучшее закрепление отмечается в анодной зоне.
Опыт показывает, что для качественного закрепления на каждый кубометр глинистого грунта необходимо затратить от 30 до 60 кВт ч электроэнергии. При этом электрообработка должна вестись круглосуточно в течение не менее 10–15 сут.
Общими недостатками всех методов электрического закрепления грунтов являются существенные энергетические затраты, необходимость использования дополнительного оборудования (источников тока, насосов для откачки катодной воды, электродов) и соблюдения особых правил техники безопасности. Поэтому, за редким исключением, они не получили распространения в транспортном строительстве. Вместе с тем там, где существует необходимость закрепления или осушения слабофильтрующих глинистых грунтов, электрические методы не заменимы.
4.4.3. Температурные методы упрочнения грунтов
Сущность методов температурного закрепления заключается в увеличении прочности структурных связей в грунте под влиянием высокой или низкой температуры. К температурным методам улучшения свойств грунтов причисляют все технические мероприятия, основанные на двух основных принципах:
–подводе тепла для высушивания или обжига грунтов;
–отводе тепла от грунтов для их замораживания или понижения отрицательной температуры.
Термическое упрочнение (обжиг) грунтов используется для улучшения физико-механических свойств связных грунтов в условиях их естественного залегания. Обжигу могут быть подвержены различные грунты (кроме заторфованных) с содержанием глинистых частиц не менее 7 % и с коэффициентом водонасыщения
117
Sr < 0,8. Наиболее широко этот способ применяется для устранения просадочности и упрочнения лёссовых суглинков и глин [126].
Взакрепляемом массиве без обсадки бурятся скважины диаметром 150–300 мм. В устье скважины устанавливаются трубы для подвода в скважину продуктов горения, монтируется камера сгорания с форсункой для подачи жидкого или газообразного топлива. Перед началом обжига поверхность грунта вокруг устья скважины надежно герметизируется.
Вкачестве топлива чаще всего используется природный газ. На термическую обработку 1 м3 грунта расходуется от 40 до 60 м3 природного газа. Топливо сжигают непосредственно в скважине,
сцелью чего в нее подают еще и холодный сжатый воздух, поддерживающий горение и регулирующий температуру в скважине.
Под избыточным давлением ( 0,05 МПа) горячие газы из скважины проникают в поры грунта и обжигают его за 5–10 сут в ра-
диусе 0,8–1,5 м.
К достоинствам термического закрепления грунтов можно отнести стойкое упрочнение грунта в результате воздействия необратимых процессов и химических превращений. Прочность при одноосном сжатии обожженного грунта достигает 1–3 МПа.
Недостатками являются большие энергозатраты, относительная сложность обустройства устья скважины, а также зависимость получаемой формы закрепленного массива от газопроницаемости грунтов по глубине.
Этими же недостатками обладают плазменный метод и метод СВЧ [128]. Оба эти метода находятся в стадии разработки и накопления данных, поэтому рекомендовать их для практического применения в ближайшее время не представляется возможным.
Искусственное понижение отрицательных температур при-
меняют для усиления многолетнемерзлого состояния грунтов в основаниях сооружений [129].
Эффективное понижение температуры мерзлых грунтов может быть достигнуто с помощью вентилируемых буровых скважин или пустотелых свай, устраиваемых на глубину охлаждаемой зоны основания в качестве вертикальных элементов стока тепла из грунта в атмосферу. В качестве хладоносителя, цирку-
118
лирующего через полость скважины или сваи (рис. 48, а), обычно используют наружный зимний воздух.
Охлаждение грунтов этим способом эффективно лишь при низких температурах воздуха (рис. 48, б): ниже –20 °С для глинистых грунтов и ниже –10…15 °С – для песчаных. При более высоких температурах воздуха время, требуемое для охлаждения грунта вокруг скважины, резко возрастает.
a)
б)
Рис. 48. Охлаждение мерзлых грунтов скважиной
сциркулирующим холодным воздухом:
а– схема обустройства охлаждающей скважины;
б– график охлаждения заданного объема грунта
взависимости от температуры наружного воздуха:
1– всасывающие трубки; 2 – шланг; 3 – щит; 4 – циркуляционная труба; 5 – для песков; 6 – для глинистых грунтов
Для охлаждения высокотемпературных вечномерзлых грунтов, а также для восстановления мерзлого состояния оснований, протаявших по той или иной причине во время эксплуатации сооружений, широко применяют автоматические самонастраивающиеся охлаждающие установки (СОУ), которые бывают двух типов: парожидкостные и жидкостные.
119
Парожидкостная установка (рис. 49, а) представляет собой стальную трубу, погруженную в зону охлаждения грунта, с выступающей оребренной наружной частью (радиатором). В полос-
|
|
ти трубы под давле- |
|
|
|
нием |
0,4 МПа нахо- |
|
|
||
a) |
б) |
дится |
сжиженный |
|
|
|
|
газ – пропан или аммиак. При снижении температуры радиатора установки ниже температуры охлаждаемого грунта у ее нижнего конца происходит кипение и испарение пропана, пары которого поднимаются, унося с собой тепло из грунта в верхнюю, более охлажденную часть трубы. Здесь пропан, охлаждаясь до температуры наружного воздуха, конденсируется на стенках трубы и стекает в ее нижнюю часть. При положи-
тельных температурах наружного воздуха (в летнее время) вертикальная циркуляция пропана в трубе прекращается сама по себе и теплообмен грунта с атмосферой через установку останавливается.
Жидкостные СОУ (рис. 49, б) чаще всего изготавливают двухтрубными из труб разного диаметра, соединенных в замкнутую систему, в которой происходит циркуляция жидкости – керосина. В трубе меньшего диаметра керосин охлаждается быстрее, чем в трубе большего диаметра, и плотность его в тонкой трубе больше. Это и является причиной циркуляции керосина в холодный период года: по тонкой трубе – вниз, по трубе больше-
120