Силикатизация грунтов

Основным компонентом для силикатизации является жидкое стекло - коллоидный раствор силиката натрия. В зависимости от состояния грунтов используют: однорастворную силикатизацию -путем инъецирования в грунт гелеобразующего раствора из двух или трех компонентов (силикатно-фосфорнокислые, силикатно-сернокислые,силикатно-фтористоводородные и другие составы) при закреплении песчаных и лессовых грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5-5 м/сут; двухрастворный способ силикатизации - для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации до0,5 м/сут, который заключается в поочередном инъецировании двух растворов(силиката натрия и хлористого кальция). В результате химической реакции образуется гель кремниевой кислоты, придающий фунту в короткие сроки прочность2-6 МПа.

Электросиликатизация основана на сочетании силикатизации с одновременным воздействием постоянного электрического тока и предназначена для закрепления переувлажненных мелкозернистых песков и супесей с коэффициентом фильтрации до 0,2 м/сут.

Газовая силикатизация впервые разработана и применена в нашей стране. В качестве отвердителя силиката натрия используют углекислый газ, что позволяет закреплять песчаные грунты с коэффициентом фильтрации 0,1-0,2 м/сут, лессовые и грунты с высоким содержанием органических примесей. Прочность закрепленного грунта составляет 0,5-2 МПа и достигается в кратчайшие сроки.

Смолизация - закрепление песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5-5 м/сут и лессовых грунтов путем инъецирования водных растворов синтетических смол (карбамид-ных, фенольных,фурановых и др.). Время гелеобразования регулируется количеством вводимого отвердителя. Смолизация не только способствует повышению прочности до 1-5 МПа,но и обеспечивает водонепроницаемость грунтов.

Технологические параметры эффективности укрепления грунтов методами инъецирования приведены в таблице6.2.

Таблица 6.2

Радиусы закрепления грунтов в зависимости от коэффициента фильтрации

№ п.п.	Способ закрепления грунта	Вид грунта	Коэффициент фильтрации, м/сут	Радиус закрепления, м
	Силикатизация:
	двухрастворная	Песчаный	2-10 10-20 20-50 50-80	0,3-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0
	однорастворная	»	0,8-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0 2,0-5,0	0,3-0,4 0,4-0,6 0,6-0,8 0,8-1,0
	Газовая	»	0,5-1,0 1,0-5,0 5,0-20	0,3-0,5 0,5-0,8 0,8-1,0
	Однорастворная	Просадочный	0,1-0,3 0,3-0,5 0,5-2,0	0,4-0,7 0,7-0,8 0,8-1,0
	Смолизация	Песчаный	0,3-1,0 1,0-5,0 5,0-10,0 10,0-20,0 20,0-50,0	0,3-0,5 0,5-0,65 0,65-0,85 0,85-0,95 0,95-1,00
	Электрохимическое закрепление грунтов	Водонасыщенные глинистые, пылеватые, илистые	0,10-0,20	0,4-1,2

Способ инъекционного закрепления заключается в нагнетании реагентов в виде растворов или газов в грунты основания без нарушения их структуры. Инъекционное закрепление распространяется на грунты,обладающие определенной водопроницаемостью. Инъекционному закреплению не подлежат водонасыщенные грунты при скорости фунтовых вод более 5 м/сут.

При закреплении фунтов учитываются конкретные условия: гидрогеологические, характер заложения фундаментов, стесненность производства работ.

Способ закрепления назначается исходя из конкретных условий производств работ и характеристики грунтов.

На рис. 6.1 в схематичном виде приведены методы закрепления грунтов для фундаментов мелкого заложения. В зависимости от принятой технологии расположение инъекторов может быть вертикальным, наклонным и горизонтальным.

Рис. 6.1. методы закрепления грунтов для фундаментов мелкого заложения
I -схемы расположения инъекторов при закреплении грунтов основания фундаментов: 1 - фундамент; 2 -инъектор; 3 – зона укрепления; II -зоны закрепления оснований: а -ленточная; б - сплошная; в - прерывистая; г -кольцевая

Для зданий с подвальной частью закрепление грунтов может осуществляться с наружной или внутренней стороны.Наиболее распространенным является укрепление грунтов с наружных фасадных поверхностей. Из-за меньшей стесненности производительность работ существенно выше.

Технология и организация производства работ

Инъекционное закрепление грунтов выполняется по результатам инженерного обследования здания с техническим решением о необходимости усиления основания фундамента. При назначении метода укрепления оснований определяющими факторами являются себестоимость производства работ и продолжительность процесса.

До начала производства работ уточняются наличие и расположение подземных коммуникаций, а также размещение зданий и сооружений вблизи мест закрепления. Затем осуществляется комплектование оборудования и материалов в соответствии с проектом производства работ.

Производится контрольное закрепление грунта с последующим испытанием. В результате контрольного закрепления уточняются радиус действия инъекторов, скорость набора прочности фунтом, расход материалов и физико-механические характеристики уплотненного грунта.В зоне контрольных испытаний отрывается шурф, который позволяет оценить геометрические характеристики зоны укрепления. С помощью кернообразователей извлекаются образцы из 3-4 зон, которые подвергаются механическим испытаниям.

Инъекционное закрепление грунтов включает последовательно следующие виды работ:

подготовительные и вспомогательные работы, включая приготовление закрепляющих растворов;

работы по бурению скважин,погружению инъекторов, обустройству инъекционных скважин;

нагнетание закрепляющих реагентов в грунт;

извлечение инъекторов и заделка инъекционных скважин;

работы по контролю качества закрепления.

Подготовительные и вспомогательные работы

До начала работ следует выполнить цикл подготовительных работ: подготовить территорию и фронт работ; провести временное ограждение, подвести электроэнергию, водоснабжение, канализацию; при необходимости установить геодезическое наблюдение за осадками фундаментов;обеспечить зоны складирования, площадки или стационарные узлы для приготовления растворов; осуществить разметку погружения инъекторов или бурения инъекционных скважин; приготовить закрепляющие растворы рабочих концентраций; выполнить работы по закреплению контрольных участков; обеспечить выполнение правил безопасного ведения работ.

Закрепляющие растворы рабочих концентраций приготавливают исходя из требуемой консистенции и необходимого объема.

Погружение и извлечение инъекторов

Способ погружения инъекторов зависит от физико-механических характеристик грунтов, глубины закрепления и может быть осуществлен: забивкой; вибропогружением; задавливанием; установкой в предварительно пробуренные скважины.

На рис. 6.2 приведены конструктивная схема инъектора переменного сечения и метод его погружения.Инъектор состоит из наконечника, перфорированного звена, переходных ниппелей,глухих звеньев. Наличие глухих звеньев позволяет изменять длину инъектора, тем самым обеспечивая необходимую зону инъецирования.

Рис. 6.2. Конструктивная схема инъектора (а),метода погружения (б),реечного домкрата для извлечения инъекторов (в)
1 -наконечник; 2 -перфорированное звено; 3 -переходной ниппель; 4 - глухое звено

После окончания работ по инъецированию необходимо провести извлечение инъектора. Оно производится виброметодом, а также путем использования специального реечного домкрата (рис.6.2, в).

Погружение инъекторов забивкой и вибропогружением применяют при силикатизации песчаных грунтов на глубину до 15м. Применяют ударные инструменты механического или пневматического типа.Забивка осуществляется по заходкам в последовательности, отраженной в проекте. При погружении инъекторов через железобетонные плиты фундаментов,отмостки, полы в них предварительно выбуриваются отверстия.

Погружение и установка инъекторов в предварительно пробуренные инъекционные скважины применяются при силикатизации просадочных грунтов при обычной и дополнительной цементации.Бурение ведется вертикальными и наклонными скважинами.

Устройство скважин для цементации зоны контакта подошвы фундамента с основанием рекомендуется производить колонковыми станками сплошным забоем, а в условиях стесненного производства работ - пневмоударными мобильными установками. При наличии слабых грунтов требуется установка обсадных труб.

Расстояние между скважинами колеблется в пределах 1,7-3 м. Очередность бурения скважин и инъецирования определяется проектом производства работ. Чаще всего инъецирование производится с интервалом в последовательности 1; 3; 5; 7 и 2; 4; 6; 8 и т.д. Потребность в оборудовании, приспособлениях и механизмах приведена в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Механизмы, оборудование и приспособления для проведения инъекционных работ

№ п.п.	Оборудование, механизмы, приспособления	Тип	Марка	Количество	Техническая характеристика
	Станок бурильный	Вращательное бурение	СКБ-4
	Компрессор		ПСК-6м		Р ра6 = 0,7 МПа
	Насосы	Одноплунжерный Двухплунжерный Шестиплунжерный	ПС-45 НГП-1М НС-3		Р ра6 = 1,5 Мпа Р ра6 = 1,5 Мпа Р ра6 = 1,2 МПа
	Насос-дозатор		НЛ 1000/10		П = 1 м3/ч
	Растворосмесители		РН-500		V = 500 л
	Пневматические молотки		ОМ-506 СМ-5 ОСМП-6		Р ра6 = 0,4-0,5 МПа
	Резиновые рукава диаметром 25 мм				Р = 3 МПа
	Резиновые воздушные рукава диаметром 19-25 мм				Р= 1 МПа

Для нагнетания растворов можно применять насосы с расходом 1-10 м³/мин и давлением до 1,5 МПа. К таким насосам относятся: одноплунжерный ПС-45, двухплунжерный НПГ-1М шестиплунжерный НС-3 и др. Для погружения инъекторов можно применять пневматические и отбойные молотки КЦМ-4, ОМ-506, ОМСП-6, СМ-5 и др. с рабочим давлением 0,4-0,55 МПа и расходом воздуха 1,0-1,6 м³/мин.

Для контроля технологических процессов используется аппаратура: манометры на давление 1-3 МПа, ареометры для измерения плотности растворов, термометры, редукторы УР-2, КРР-50 для регулирования давления углекислого газа.

Инъекторы после окончания цикла нагнетания извлекаются гидравлическими, реечными домкратами или другими приспособлениями грузоподъемностью 5-10 т.

Нагнетание закрепляющих реагентов

Закрепляющие реагенты нагнетают отдельными заходами в технологической последовательности, предусмотренной проектом производства работ. В однородные по водопроницаемости грунты нагнетание производится от устья в глубину или из пяты скважины к устью. В неоднородных по водопроницаемости грунтах в первую очередь закрепляют слои с большей водопроницаемостью.

Величина расхода закрепляющих химических растворов уточняется при контрольном закреплении и контролируется по расходомерной шкале и счетчику расходомера.

Расход раствора Q на одну заходку можно рассчитать по формуле Q = nR ² l ₃ a,где п -пористость грунта, %; R - радиус закрепления, м; l ₃- длина заходки, м; а -коэффициент, принимаемый в зависимости от способа силикатизации (5 -при двухрастворной; 12 - при однорастворной; 7 - при газовой; 8 - для плывунов;5 - для просадочных грунтов).

Требуемое количество раствора на одну заходку рассчитывается исходя из радиуса действия, пористости грунта и коэффициента насыщения раствором Q = nR ² (1,33 R + 1) na 1000 л,где п -пористость грунта; а -коэффициент насыщения грунта раствором (таблица 6.4).

Таблица 6.4

Значения коэффициента насыщения грунта раствором

Скорость распространения раствора, см/мин	Коэффициент насыщения грунта	Скорость распространения раствора, см/мин	Коэффициент насыщения грунта
0,3	1,0		0,5
0,6	0,8		0,4
1,0	0,7		0,35
1,8	0,6

На рис. 6.3 приведена технологическая схема инъекционного закрепления грунтов в основаниях фундаментов способом однорастворной силикатизации. Технология выполнения работ предусматривает:разметку мест бурения скважин; пробивку сквозных отверстий под устьем скважин в бетонном основании и отмостки; установку и перемещение бурового станка;непосредственно бурение скважин; приготовление растворов; установку инъекционных труб; нагнетание растворов; заделку скважин; отрывку контрольных шурфов; взятие образцов; обратную закопку с уплотнением шурфов.

Рис. 6.3. Технологическая схема инъекционного закрепления грунтов основания фундаментов способом однорастворной силикатизации

1 - компрессор; 2, 3, 4, 5 - емкости для отвердителя,крепителя, рабочей концентрации; 6 - насосы; 7 - дозатор; 8 -емкость для рабочего раствора; 9 - инъекторы; 10 - расходомер; 11, 12 -инъекционные скважины 1-й и 2-й очередей; 13 -бурильный станок; 14 - зона ограждения; 15 - зона складирования

При двухрастворной силикатизации жидкое стекло и раствор хлористого кальция нагнетаются рядами с чередованием инъекторов через ряд. Перерывы между нагнетанием жидкого стекла и хлористого кальция зависят от скорости грунтовых вод 3-1,5 м/сут. Каждый раствор нагнетается отдельным насосом.

Подобная технология применима для однорастворной силикатизации песчаных грунтов. Химические реагенты доводят до требуемой концентрации и через дозаторы подают в рабочие емкости, где готовится гелеобразная смесь. Затем с помощью насоса закачиваются в инъектор.

При закреплении грунтов способом газовой силикатизации через инъектор нагнетаются углекислый газ и раствор силиката натрия, а затем снова углекислый газ. Давление при нагнетании газа для отвердения силикатного раствора должно находиться в пределах 0,4-0,5 МПа.Перерыв во времени между нагнетанием силиката натрия и газа не должен превышать30 мин.