Глава 11

ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ

Многие грунты в своем природном состоянии по своим свой­ствам не отвечают тем или иным требованиям строительства. Они могут быть недостаточно прочными, неводостойкими, пере­увлажненными, рыхлыми, трещиноватыми, с большим содержа­нием органического материала и т. д. В связи с этим в ряде слу­чаев появляется потребность в определенном преобразовании 268 грунтов и придании им тех или иных необходимых для строите­льства свойств.

При решении инженерно-строительных задач очень часто приходится преобразовывать как скальные и полускальные, так и дисперсные и мерзлые природные грунты для улучшения их свойств в соответствии с требованиями видов строительства. Это, как правило, приводит к созданию улучшенных по свойствам фунтов. В связи с этим, согласно ГОСТ 25100—95, природными образованиями, измененными в условиях естественного залегания, являются природные фунты, для которых средние значения по­казателей химического состава изменены не менее чем на 15%. При этом к ним относятся не только фунты, подвергшиеся це­ленаправленным изменениям, но и природные фунты, в которых под влиянием деятельности человека произошли различные из­менения в составе, строении, состоянии и свойствах.

Решением вопросов улучшения свойств фунтов занимается специальное направление инженерной геологии — техническая мелиорацияфунтов. Наиболее широкое применение техническая мелиорация фунтов нашла при строительстве зданий и сооруже­ний в целях искусственного изменения свойств фунтов в сторо­ну улучшения их основных свойств: прочности, водоустойчиво­сти, снижения водопроницаемости, что особенно важно, когда эти фунты используются в качестве оснований.

Существуют два основных пути получения улучшенных фун­тов — уплотнение(изменение физическим воздействием) изакреп­ление(изменение физико-химическими методами). Под фунтами, измененными физическим воздействием, понимают природные фунты, в которых техногенное воздействие (уплотнение, замора­живание, тепловое воздействие, оттаивание и т. д.) изменяет строе­ние и фазовый состав. Под фунтами, измененными физико-хими­ческими методами, понимают природные фунты, в которых техногенное воздействие изменяет их вещественный состав, струк­туру и текстуру. При уплотнении, как правило, дисперсных фун­тов происходит уменьшение их пористости, увеличивается количе­ство контактов между частицами. Это приводит к увеличению общей прочности фунтового основания и уменьшению его сжима­емости. Грунты уплотняются как с поверхности (катками, тяжелы­ми трамбовками, вибрацией, замачиванием), так и в глубине толщ (фунтовые сваи, взрывы, замачивание и т. д.).

При закреплении увеличивается прочность фунтов. Это дости­гается повышением прочности контактов между отдельными час­тицами фунта или фунтовыми афегатами путем склеивания час­тиц различными химическими веществами (силикатизация, цементация и другие методы), спекания частиц друг с другом (при обжиге фунтов, применении сверхвысоких частот), путем созда­ния ледовых контактов (замораживание фунтов), путем армирова­ния фунтового массива (применение различных типов анкеров, геотекстильных и нетканых синтетических материалов) и т. д.

Для упрочнения скальных и полускальных фещиноватых фунтов используют в основном закрепляющие методы — цемен­тацию, битумизацию, глинизацию и др. Улучшение свойств дис­персных фунтов производятся всеми методами как закрепления, так и уплотнения. Для крупнообломочных фунтов используют силикатизацию, цементацию, битумизацию, замораживание (при небольших значениях коэффициентов фильфации); для песчаных фунтов — силикатизацию, термическую обработку, смолизацию, кольматацию, замораживание, виброуплотнение, фамбование, укатку, замачивание и др.; для связных фунтов — силикатизацию, элекфоосмос, термическую обработку, фамбование, укатку, взры­вы, замачивание (для лессов), замораживание и др.; для связных органоминеральных и органических фунтов (илы, торф, заторфо- ванные фунты и др.) — электроосмос, электрохимическое закреп­ление, замораживание, фавитационное уплотнение и др.

Следует указать, что все многолетнемерзлые фунты (класс мерзлых фунтов) при оттаивании резко ухудшают свои прочно­стные и деформационные показатели.

Наибольшее количество методов улучшения свойств связано с дисперсными фунтами. Методы имеют различную сферу исполь­зования: одни методы применимы только в предпосфоечный пе­риод; а другие как в предпосфоечный период, так и во время сфоительства и эксплуатации объекта (метод силикатизации). Ряд способов улучшает свойства фунтов только на поверхности земли и до небольшой глубины (поверхностные методы), например фам­бование, уплотнение фунтов укаткой. Другие методы дают воз­можность уплотнять фунты в глубине фунтовых толщ (силикати­зация, термический обжиг) — это глубинные методы. Существуют методы, которые способны улучшить свойства фунтов, как на по­верхности, так и в глубине фунтовых массивов, например вибро­уплотнение.

Улучшение свойств фунтов в ряде случаев осуществляется пос­ле предварительного нарушения природных сфуктурных связей (фамбование, укатка), а в других случаях это достигается при со­хранении этих связей (силикатизация, химическая обработка).

В последние годы разработаны принципиально новые комп­лексные методы улучшения оснований сооружений, позволяю­щие исправлять крен зданий с отклонением от вертикальной оси до 1,0м.

В табл. 30 показаны основные методы технической мелиорации.

Методы улучшения свойств грунтов (методы технической мелиорации)

Класс грунтов	Группа методов	Метод	Разновидность методов
Скальные	—	Скрепление тре­щин скобами	-
		Тампонажное за­крепление Противофильтра- ционные Защитные (уклад­ка слоев глин)	Цементация, силикатиза­ция, глинизация, битумиза­ция
Дисперс­ные, мерзлые, техногенные	Физико-ме­ ханические	Механические	Трамбование, укатка, грави­тационное уплотнение, виб­роуплотнение, грунтовые сваи, энергия взрыва, замачи­вание лессовых грунтов
		Физические	Электрохимическое уплот­нение, электроосмотическое осушение, обжиг, заморажи­вание
	Физико-хи­ мические	-	Солонцевание, кольмата- ция, гидрофобизация
	Химические	С органическими вяжущими С неорганически­ми вяжущими	Битумизация, смолизация Силикатизация, цемента­ция, известкование

Скальные грунты. Ослабление прочности скальных грунтов свя­зано с трещиноватостью и пустотностью. Трещины скрепляются металлическими скобами, заделываются цементными и силикат­ными растворами, что придает скальным грунтам монолитность и прочность. Последнее называюттампонажным закреплением.В це­лях прекращения фильтрации воды трещины заливают горячим битумом или забивают глиной. Аналогичные способы используют для пустот, если они расположены вблизи поверхности земли и ограничены в объемах (противофилътрационные методы).Водора­створимые скальные грунты, например, хемогенные известняки, которые имеют достаточно высокие прочностные и деформацион­ные показатели, защищают укладкой на их поверхность слоев глин или тяжелых суглинков (защитные методы).

Дисперсные грунты. Улучшить свойства рыхлых и связных грунтов можно различными методами. По своим особенностям их разделяют на три группы:

• физико-механические (механические и физические);

• физико-химические;

• химические.

Это деление имеет известную условность, поскольку многие методы по своему содержанию не вписываются в рамки одной какой-либо группы и часто очень тесно связаны друг с другом.

В литературе по строительству методы технической мелиора­ции разделяют на две другие группы: методы уплотнения и мето­ды закрепления фунтов. Под уплотнениемимеется в виду меха­ническое упрочнение фунтов, а подзакреплениемвсе другие способы улучшения свойств (физические, физико-химические и химические).

Физико-механические методы.Механические методы дают возможность уплотнять дисперсные фунты внешними нафузка- ми (давлением, ударами, вибрацией). Различают следующие спо­собы уплотнения фунтов:1) фамбованием;2) фунтонабивными сваями; 3) виброуплотнением; 4) энергией взрыва; 5) укаткой;6) фавитацией; 7) замачиванием. Сущность всех этих способов од­нотипная — уплотнение фунтов происходит за счет уменьшения пористости. При этом природные сфуктуры фунтов нарушаются и формируются новые сфуктурные связи. Механическое уплот­нение применяют как для рыхлых, так и для связных фунтов.

Трамбование.В промышленно-фажданском сфоительстве наи­большее применение получил метод механического уплотнения пылевато-глинистых фунтов фамбованием. Для фамбования ис­пользуют железобетонные или металлические фамбовки до 7 т, которые сбрасываются на фунт с некоторой высоты. В последние годы появился опыт применения сверхтяжелых фамбовок (до 80—100 т). Глубина уфамбованных лессовых просадочных суглин­ков может достигать 3—3,5 м (при сверхтяжелых фамбовках зна­чительно больше). Применяют также двухслойное уплотнение. Вначале на дне котлована выфамбовывается первый слой. Далее на уплотненный слой отсыпается такой же фунт и тоже фамбует- ся. Так образуется второй уплотненный слой. Общая мощность уфамбованного фунта при этом может достигать 5 м. Метод фам­бования еще используют для вьпрамбования Сфоительных котло­ванов (фаншей). В этих случаях дно котлованов будет иметь слой из уплотненного фунта.

Грунтонабивные сваиотносят к методам глубинного уплотне­ния фунтовых массивов и используют для всех видов пылева­то-глинистых фунтов, но наибольший эффект они дают в лессо­вых просадочных фунтах. Вначале в фунте проходят буровые скважины. При этом вокруг скважин образуются зоны из уплот­ненных фунтов. Далее скважины заполняют фунтом с уплотне-272 нием. Такие сваи придают прочность массивам грунтов, а в лес­совых грунтах устраняют просадочные свойства.

Виброуплотнениеприменяют для повышения плотности пес­ков. Различают поверхностное и глубинное виброуплотнения. Поверхностное виброуплотнение производят с помощью вибри­рующей плиты (уплотняет до глубины 3 м) и используют для уплотнения оснований, дорожных одежд, песчаных подушек и насыпей. Глубинное виброуплотнение осуществляют глубинными вибраторами при одновременном водонасыщении грунтов. Этот способ применяют в основном для повышения несущей способ­ности грунтов оснований.

Энергия взрывов (сейсмическое уплотнение)позволяет произво­дить уплотнение грунтов в глубине массивов (водонасыщенных песков, лессовых грунтов II типа по просадочности и др.), а так­же создавать в глубине массивов грунтов подземные пустоты, ко­торые можно использовать как емкости для хранения нефти и других жидких продуктов.

Укаткугрунтов применяют главным образом в дорожном строительстве, а также при подготовке оснований под полы в промышленных цехах и при планировке территорий строитель­ных площадок.

Метод гравитационного уплотненияв виде приложения стати­ческих нагрузок достаточно широко используют для уплотнения водонасыщенных грунтов (илов, торфяников и пр.). Различают наземное и подводное гравитационные уплотнения. Наземное уплотнение применяют для обжатия и повышения несущей спо­собности органоминеральных и органогенных фунтов. В качестве прифузки используют песок (фавий, галечник) в виде слоев мощностью 2—3 м. Под действием нафузки происходит отжатие воды и уплотнение фунтов. Способ подводного уплотнения при­меняют при строительстве сооружений в прибрежных речных и морских водах, где на дне залегают илы. На илы укладывают толщи песка. Илы постепенно уплотняются и становятся доста­точно надежным основанием.

Метод замачиванияиспользуют для механического уплотнения лессовых просадочных фунтов. В насыщенном водой лессовом фунте под действием собственного веса или собственного веса и нафузки от объекта разрушается структура, фунт уплотняется и теряет свои просадочные свойства. Наиболее эффективно это проявляется в фунтах II типа по просадочности и на тех глуби­нах, где напряжения в фунте превышают величину начального просадочного давления. Этот метод применяют как до строитель­ства, так и в период эксплуатации объектов.

Физические методыиспользуют физические поля (электриче­ские, температурные, магнитные). С помощью этих методов можно повышать плотность, прочность, водо- и морозостойкость грунтов, устранять просадочные свойства в лессовых образовани­ях. Наибольшее распространение получили методы, в основе ко­торых лежат:

• использование постоянного электрического тока (электрохи­мическое закрепление и осушение грунтов)',

• воздействие на грунты высоких положительных температур (обжиг)и отрицательных температур (замораживание).

Все физические методы способны воздействовать на массивы фунтов на всю их доступную глубину. Электрический постоян­ный ток применяется для: электрохимического уплотнения', элект- роосмотического осушенияфунтов. Сущность методов заключается в пропускании через сильно влажные глинистые фунты постоян­ного электрического тока. Для этого в фунт забивают металличе­ские трубы — электроды и пропускают ток. Катионы, находящие­ся в водном поровом растворе, начинают передвигаться к катоду, а от катода к аноду. В свою очередь, начинают перемещаться и анионы. При этом возникают химические реакции, образуются новые вещества, которые упрочняют структуру фунта. Движение электрического тока одновременно заставляет передвигаться воду от анода к катоду, что приводит к осушению фунта.

Эффективность метода улучшения свойств фунтов электриче­ским током может быть увеличена за счет предварительного вве­дения в фунт растворов солей или химических веществ, которые могут способствовать образованию новых и более прочных струк­турных связей.

Обжиг.В основе метода лежат высокие температуры, которые обжигают фунты и тем самым придают им прочность. Метод ча­сто называют «термическим закреплением» фунтов. Обжиг на­шел широкое применение в целях устранения просадочных свойств маловлажных лессовых фунтов. Для этого в просадочном фунте бурят скважины, в которые подают горячие газы, обжига­ющие фунт. В других случаях обжиг осуществляется за счет сжи­гания горючего вещества в самих скважинах. При обжиге созда­ется температура 900—1000 °С. В результате такого воздействия вокруг каждой скважины в радиусе 1—1,5 м фунт превращается в камнеподобное тело, похожее на кирпич, становится прочным, водоустойчивым и теряет просадочные свойства. Метод обжига позволяет устранять просадочные свойства в пределах всей тол­щи просадочных фунтов.

Замораживание.Отрицательные температуры используются для временного закрепления обводненных фунтов, главным образом,274 в целях прекращения движения грунтовой воды и проникновения ее в будущий строительный котлован. Для этого вокруг будущего котлована бурят скважины. От специальной установки в скважину подается холодный раствор. Обычно для этого используется рас­твор хлористого кальция с температурой до —17 °С. Холод раство­ра замораживает воду. В итоге вокруг котлована образуется льдо­грунтовая стенка, препятствующая проникновению воды в строительный котлован, что позволяет производить в нем строите­льные работы. По окончании работ подача холода прекращается и лед растаивает. Замораживать можно все водонасыщенные фунты, но чаще всего его применяют для песков.

Физико-химические методы.Эти методы предназначены для обработки на поверхности земли дисперсных фунтов. Они дают возможность сохранять и даже несколько упрочнять их сфуктуру, защищать ее от воздействия воды. Улучшение свойств осуществ­ляется путем обработки фунтов небольшим количеством (не бо­лее 1—3 % от веса фунта) определенных реагентов, которые воз­действуют на поверхность минеральных частиц и в целом на всю структуру.

К физико-химическим методам относятся:

• солонцевание фунтов (обработка солями);

• глинизация (или иначе «кольматация») массивов фунтов гли­нистыми растворами;

• гидрофобизация, т. е. покрытие фунтовых сфуктур поверх­ностно-активными веществами, которые позволяют фунту оттал­кивать воду.

Все эти методы чаще всего используют в дорожном строите­льстве. Для укрепления лессовых фунтов и песков в промыш- ленно-фажданском сфоительстве наиболее эффективным спосо­бом является кольматация. Используя большую пористость, в эти фунты под давлением нагнетается суспензия из гидрофильной (монтмориллонитовой) глины. Глинистые частицы заполняют по­ры, усиливают структурные связи и делают фунты более проч­ными, менее водопроницаемыми.

Химические методы.Улучшать свойства фунтов можно, воз­действуя на них органическими и неорганическими вяжущими веществами, которые вводят в фунты в количестве 1—5 %. Упрочнение фунтов происходит в результате изменения их со­става и характера структурных связей. Грунты после такой обра­ботки значительно увеличивают свою прочность, водо- и моро­зостойкость, уменьшается их водопроницаемость. Наиболее широко из химических методов применяют битумизацию и смо- лизацию (органические вяжущие), силикатизацию, цементацию и известкование (минеральные вяжущие). Обработка фунтов ор­

ганическими веществами и известкование относятся в основ­ном к поверхностным методам, а неорганическими вяжущи­ми — к глубинным методам.

Битумизацияоснована на введении в грунты битумов в виде расплавов, эмульсий или паст.

Смолизация— это упрочнение глинистых грунтов синтетиче­скими полимерами (смолами).

Силикатизацияоснована на внедрении в грунты технического силиката натрия (жидкого стекла), который при взаимодействии с коагулятором выделяет гель кремниевой кислоты. Этот гель выполняет роль искусственного цемента грунтов. Жидким стек­лом можно закреплять трещиноватые скальные грунты, но наи­более часто и эффективно этот метод используют для закрепле­ния песков и лессовых просадочных фунтов (рис. 62).

Упрочнение этих фунтов достигается нагнетанием через сква- жины-инъекторы жидкого стекла. Грунты становятся камнепо­добными, прочными, водонепроницаемыми, а лессовые образова­ния утрачивают просадочные свойства на длительное время. Силикатизация также является эффективным средством в упроч­нении лессовых фунтов, которые, уже будучи основаниями зда­ний, начали проявлять свои просадочные свойства и привели к деформациям здания. Силикатизации можно подвергать всю про- садочную толщу лессового массива.

Метод силикатизации дает наиболее хорошие результаты в лессовых фунтах типа супесей и суглинков.

Рис.62. Силикатизация лессовых фунтов:

а — до строительства; б — при деформации зданий в результате просадки в период эксплуата­ции; 1 — участок силикатизации; 2 — лессовые просадочные грунты; 3 — то же, непросадоч- ные; 4— направление инъекции; 5 — подстилающая толща; 6— здания

Цементациякак один из способов улучшения свойств грун­тов применяется во многих видах строительства. В технической мелиорации наиболее часто используют портландцемент. Цемен­том скрепляют трещины скальных грунтов. В нескальные грунты цемент вводится через скважины-инъекторы под давлением. Рас­твор может состоять из одного цемента либо цемента и специа­льных добавок. Цементный раствор заполняет трещины и поры, твердеет, существенно повышает прочность грунтов и делает их менее водопроницаемыми.

Цементация осуществляется по всей глубине толщи грунтов и особенно хороший эффект дает в песках, гравии, галечниках, су­глинках, супесях.

В настоящее время широко применяют предложенные Анри Видалем армированные грунты (армогрунты), где в качестве упрочняющего элемента используется сталь, но в последнее время сетки и каркасы из пластмасс — геосинтетических матери­алов, например из полиэтилена высокого давления.

В заключение необходимо отметить, что в будущем следует ожи­дать дальнейшего развития методов улучшения свойств фунтов.

Из года в год объем строительных работ возрастает. Строите­лям предстоит осваивать районы с неблагоприятными для сфои- тельства фунтами. Будет возрастать капитальность сооружений, что повысит фебования к прочностным и деформационным ха­рактеристикам грунтов. Для решения всех этих задач необходимо более глубокое понимание природы фунтов, дальнейшее разви­тие технической мелиорации.