Искусственное закрепление грунтов

На выбор способа водопонижения в грунтах при прокладке сетей  водоснабжения и канализации влияет много факторов.

Закрепление грунтов — это искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами. Такое преобразование грунтов обеспечивает увеличение их прочности, устойчивости, уменьшение сжимаемости и водонепроницаемости. Существует два способа закрепления грунтов: поверхностное и глубинное. Поверхностное закрепление выполняют на глубину до 1 м. При этом способе грунт предварительно разрыхляется, перемешивается с закрепляющими материалами (вяжущие, цемент, известь и др.) и затем уплотняется. Глубинное закрепление предусматривает обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путем инъекции закрепляющих материалов,  термообработки   и   замораживания, с использованием предварительно пробуренных скважин, шпуров или забиваемых инъекторов. Инъекцию производят с использованием вяжущих, силикатных материалов и смол.

Цементизацию, глинизацию и битумизацию производят в песчаных, гравилистых и трещиноватых скальных грунтах с k>50 м/сут. Для цементации применяют специальные составы цементных, цементно-песчаных, цементно-глинистых растворов на портландцементе не ниже М300, для глинизации —, глиносиликатные и бентонито-силикатные растворы. Растворы нагнетают в скважины под давлением до 10 МПа. Битумизацию выполняют путем нагнетания насосами в скважины через специальные инъекторы горячего битума марок БН-Ш и БН-IV под давлением, постепенно возрастающим от 0,2...0,3 до 5...8 МПа. Нагнетание цикличное с прерыванием для остывания битума.

Силикацию грунтов производят двумя способами: двух-растворной силикатизацией и однорастворной силикатизацией. Первый способ применяют для закрепления песчаных грунтов с k = 2...50 м/сут. Сначала в грунт через инъекторы под давлением до 1,5 МПа нагнетают жидкое стекло (силикат натрия), затем отвердитель (раствор хлористого кальция). Второй способ используют для закрепления мелких пылеватых песков с k — 0,5...5 м/сут. При этом в грунт нагнетают смесь жидкого стекла с фосфорной или серной кислотой и др. Нагнетание ведут равномерно с расходом 1...5 л/мин при давлении до 1,5 МПа.

Смолизацию применяют для закрепления мелких песков с k = 0,5...5 м/сут и выполняют путем нагнетания через инъекторы в грунт смеси растворов карбамидной смолы и соляной кислоты.

Термический способ используют для закрепления лессовых грунтов. При этом способе в скважину под давлением через жароупорные трубы подаются топливо (газообразное или жидкое) и воздух или раскаленные газы. Диаметр скважины должен быть не меньше 1,5 м. Сверху скважину герметизируют путем бетонирования, поверхностного уплотнения грунта, устройства защитных козырьков и т. п. для создания в ней избыточного давления. Во избежание оплавления обжигаемого грунта температура газов в скважине не должна превышать 1100° С.

Искусственное замораживание грунтов является универсальным и надежным методом временного закрепления слабых водонасыщенных грунтов с k не более 200 м/сут. Сущность данного метода заключается в том, что через систему замораживающих скважин, расположенных по периметру и в теле будущей выработки, пропускается хладоноситель с низкой температурой, который, отнимая от окружающего грунта тепло, превращает его в ледогрунтовый массив, обладающий полной водонепроницаемостью и высокой прочностью.

В зависимости от вида хладоносителя различаются два способа замораживания: рассольный и сжиженным газом. В первом случае рассол-хладоноситель представляет собой высококонцентрированный раствор хлористого кальция или натрия, предварительно охлажденный в испарителе холодильной машины до температуры минус 25° С. Рассол с помощью насоса через распределительный трубопровод по подающим трубам подается в нижнюю часть колонок, установленных в скважины. Затем восходящим потоком он медленно поднимается вверх, отбирая тепло от окружающего массива грунта, и при температуре минус 8... 10° С возвращается к холодильной установке. В качестве хладагента в холодильных машинах используются аммиак, фреон или жидкий азот. Во втором случае в качестве хладоносителя сжиженных газов используется главным образом жидкий азот, имеющий температуру испарения минус 196° С. При этом способе замораживающие колонки соединяются гибкими шлангами по несколько штук (от 3 до 5) последовательно. В низ первой колонки через подающую трубу под избыточным давлением выпускается жидкий азот. Поднимаясь вверх, частично испарившись, он переходит во вторую колонку и затем в последующие. При выходе из последней колонки газообразный азот вместе с жидкой фазой попадает в сборную емкость. Для перевода отработанного азота в исходное состояние требуется его сжатие и охлаждение.