СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ
GROUTING METHOD

Настоящее изобретение относится к строительству, конкретно к геотехническим работам с грунтами оснований сооружений и их закреплению.
Известен способ закрепления грунтов инъекцией микроцементных суспензий, условно называемых «растворами». Размер цементных частиц в известных цементно-водных суспензиях от пяти до пятнадцати микрометров. Недостатком способа является ограниченный диапазон грунтов, пригодных для закрепления по величине пор, т.е. по проницаемости /1/.
Известен способ закрепления грунтов смолизацией /1/. Способ состоит из нагнетания в грунт карбамидной смолы. В результате полимеризации смолы в порах грунта, массив приобретает повышенные физические и механические свойства. Средний расход смолы на один кубометр закрепленного грунта составляет 200 кг. Недостатком способа является экологическая «грязность», определяемая выделением остаточного формальдегида из массива закрепленного грунта, а также высокая стоимость работ из-за повышенного расхода смолы, заполняющей все поры в грунте.
Известен способ закрепления грунтов силикатизацией. Способ обладает ограниченной областью применения из-за повышенного расхода силикатного раствора, значительная часть которого остается неотвержденной и со временем выщелачивается грунтовыми водами /2/.
Наиболее близким к предлагаемому является способ «газовой» силикатизации /2/. В отличие от простой силикатизации, в нем участвует слабая угольная кислота, образующаяся в грунте в процессе реакции углекислого газа, нагнетаемого в грунт и поровой воды.
Способ реализуется в следующей технологической последовательности.
В грунтовый массив, подлежащий закреплению, погружают инвентарные инъекторы, служащие для нагнетания сжиженного углекислого газа и инъекции крепительного силикатного раствора. Затем нагнетают в грунт углекислый газ для подкисления пленочной грунтовой воды, затем инъектируют силикатный раствор, который заполняет поры в грунте, затем вторично вкачивают углекислый газ для более полного отверждения силикатного раствора. По мере заполнения пор и распространения раствора от инъектора резко возрастает гидравлическое сопротивление, что, в свою очередь, требует повышения давления нагнетания. Повышение давления выше определенной величины вызывает гидроразрывы в грунте и неконтролируемое распространение крепительного раствора. Режим пропитки (импрегнации) переходит в режим разрывной инъекции. Область гарантированного взаимодействия крепительного раствора и «подкисленной» грунтовой воды небольшая, т.е. радиус импрегнационного закрепления обычно не превышает 40 см.
Недостатком способа, принятого за прототип, является высокая трудоемкость, вызванная необходимостью частого расположения инъекторов из-за небольшого радиуса распространения крепительного раствора, определяемого размером пор, т.е. проницаемостью грунта.
Известна водоразбавляемая дисперсия эпоксидной смолы и низковязкого отвердителя /3/. Композиция служит для пропитки и обеспыливания бетонных изделий. Недостатком известной композиции является близкая к нулю способность полимеризации при пониженной температуре (+5-+6°С) и водонасыщении, характерных для большинства грунтовых условий на глубине более 1.5-2,0 м.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности импрегнационного закрепления грунтов (песчаных, макропористых и пылевато-глинистых), снижение материалоемкости, трудоемкости и стоимости работ.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе закрепления грунтов, включающем последовательное нагнетание в грунтовый массив газа и крепительного раствора, согласно изобретению, предварительно готовят крепительный раствор - водную эмульсию смеси эпоксидных смол с отвердителем, после чего в грунтовый массив для вытеснения из пор грунтовой воды нагнетают сжатый воздух под давлением 0.1-0.3 МПа, затем в поровое пространство нагнетают крепительный раствор под давлением 0.1-0.2 МПА, и производят опрессовку путем повторного нагнетания сжатого воздуха, после чего осуществляют повторное нагнетание следующей порции крепительного раствора. При этом в качестве крепительного раствора могут использовать водную эмульсию смеси эпоксидных смол «Эпитал-Импрегнат», при этом крепительный раствор перед нагнетанием в грунтовый массив могут нагревать до температуры 60-75°C. Кроме того, в крепительный раствор из водной эмульсии смеси эпоксидных смол могут добавлять катализатор для ускорения процесса полимеризации. При этом в крепительный раствор из водной эмульсии смеси эпоксидных смол могут добавлять микроцемент в количестве 5-40% от веса раствора. Причем крепительный раствор готовят, например, из смеси эпоксидных смоли отвердителя при соотношении компонентов 1:(0,1-10) по весу и воды.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что предварительно готовят крепительный раствор - водную эмульсию смеси эпоксидных смол с отвердителем, после чего в грунтовый массив для вытеснения из пор грунтовой воды нагнетают сжатый воздух под давлением 0,1-0,3 МПа, затем в поровое пространство нагнетают крепительный раствор под давлением 0,1-0,2 МПА и производят опрессовку путем повторного нагнетания сжатого воздуха, после чего осуществляют повторное нагнетание следующей порции крепительного раствора. Операции повторяют до полного насыщения грунта.
Техническим результатом изобретения является улучшение пропитки малопроницаемых грунтов и обеспечение твердения крепительного раствора, в том числе и при пониженных температурах.
В предлагаемом способе применяют готовый крепительный раствор, например микроцементный или полимерный. Причем перед инъекцией крепительного раствора производят вытеснение грунтовой воды вокруг инъектора сжатым воздухом под давлением 0,1-0,3 МПа для освобождения порового пространства и повышения проницаемости грунта в объеме 0,1-0,6 куб.м, затем подают под давлением порционно готовый крепительный раствор и сжатый воздух. Давление нагнетания раствора не должно превышать предельных значений, при которых может происходить гидроразрыв грунта. Оно определяется по формуле
,
zγ
zπ
где σ - вес вышележащего грунта; σ - вертикальное дополнительное напряжение от внешней нагрузки (давление фундамента); μ - коэффициент Пуассона; c - сцепление грунта.
Крепительный раствор готовят в виде водоэмульсионной смоляной композиции, состоящей из смеси полимерных диановых смол, низковязкого отвердителя аминного типа и разбавителя. Учитывая, что эпоксидные смолы практически не растворяются в воде, все дальнейшие процессы выполняются в режиме «водоразбавления», т.е. образования дисперсий, эмульсий, путем введения в смесь смол и отвердителя, разбавителя и добавок при активном перемешивании в реакторе со смесителем со скоростью не менее 3600 об/мин. Вначале смешивают смолу и отвердитель в массовом соотношении 1:(0,2-0,6) в зависимости от времени отверждения, затем образуют крепительный раствор эмульгированием смоляной части в разбавителе в массовом соотношении 1:(0,5-10,0) в зависимости от требуемой вязкости. Затем непосредственно перед инъекцией в грунт в крепительный раствор могут быть введены добавки (катализаторы, уплотнители и др.). Пропитка (импрегнация) грунта выполняется через инвентарные (извлекаемые) или теряемые в грунте инъекторы, погружаемые в массив на проектную глубину
Катализатор, например раствор аммиака, вводят в разбавитель для повышения скорости полимеризации крепительного раствора в грунте. Для увеличения проницаемости грунта и уменьшения расхода крепительного раствора пневмоопрессовку чередуют с подачей крепительного раствора. Причем для экономии смолы, для связывания избыточного количества разбавителя (воды) и повышения температуры за счет выделения тепла при гидратации, в крепительный раствор могут добавлять гидравлическое вяжущее, например микроцемент, в количестве до 40% по весу.
Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана технологическая схема приготовления крепительного раствора и импрегнации грунтового массива; фиг. 2 - схема пропитки грунта в основании железобетонной сваи; фиг. 3 - схема создания инъекционного анкера.
Предлагаемый способ реализуется в следующей технологической последовательности.
До начала закрепления грунта готовят крепительный раствор. Для этого в реакторе 6 смешивают смоляную часть из емкости 1 и отвердитель из емкости 2, затем в полученный раствор вводят определенное количество разбавителя из емкости 3, например воды, и при необходимости добавки из емкости 4 и производят интенсивное эмульгирование, в смесителе 5, например, вращением со скоростью не менее 3600 об/мин с кавитацией или ультразвуковой обработкой. Затем для ускорения процесса полимеризации смолы полученный крепительный раствор нагревают до температуры 35-60°C в емкости 6 или вводят катализатор из емкости 4. Затем по трубопроводам или гибким шлангам 7 в предварительно погруженные в грунтовый массив 10 инвентарные (или оставляемые в качестве армирующих сердечников) инъекторы 8 подают под определенным давлением поочередно сжатый воздух компрессором 9 и крепительный раствор из емкости 5. Сжатый воздух вытесняет в стороны поровую воду, повышая проницаемость грунтового массива 10, тем самым интенсифицируют процесс импрегнации грунта крепительным раствором за счет снижения его влажности. Последующим нагнетанием сжатого воздуха вытесняют крепительный раствор на периферию в стороны от инъектора, увеличивая радиус закрепления, снижая расход раствора за счет поризации твердеющего массива и снижения его влажности, и тем самым повышает эффективность закрепления грунтового массива. Количество крепительного раствора принимают из расчета заполнения всего объема пор грунта для достижения полной водопроницаемости.
Когда в проекте предъявляются требования только к максимальной прочности закрепленного грунтового массива, пористость заполняется частично в пределах 40-50%. В зависимости от плотности крепительного раствора и количества вводимого разбавителя прочность закрепленного песка составляет 10-100 МПа.
Пример №1
В диапазоне 8-13 м по глубине грунтового разреза строительной площадки залегает слой рыхлого водонасыщенного песка, сжатие которого приведет к сверхнормативным осадкам проектируемого сооружения. Со дна котлована в грунтовое основание будущего здания с проектным шагом погружают инвентарные инъекторы 8 на глубину, несколько меньшую глубины расположения подошвы проблемного слоя грунта. Через инъекторы по манжетной технологии производят поочередное нагнетание сжатого воздуха под давлением 0,1-0,3 МПа и крепительного раствора под давлением 0,-1-0,2 МПа приготовленного по известным методикам из смоляной смеси, добиваясь получения пропитки и упрочнения грунта / см. ГОСТ 23278-78 Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости /.
Пример №2.
Способ используют для повышения несущей способности сборных железобетонных забивных свай 12, погруженных в грунт и опирающихся концами на песчаное основание 11. Сваи при изготовлении на заводе ЖБК оснащаются продольным отверстием 13, которое используется в качестве инъектора для подачи в грунтовое основание сваи крепительного раствора из емкости 5 и сжатого воздуха из компрессора 9. Нагнетание воздуха компрессором 9 позволяет увеличить радиус закрепления и снизить расход крепительного раствора, а горячий воздух позволяет, кроме того, интенсифицировать процесс полимеризации крепительного раствора. После введения в грунт проектного объема крепительного раствора и выдержки времени для набора прочности, свая получает дополнительный ресурс несущей способности, в 1.5-2.5 раза превышающий исходный.
Пример №3.
Закрепление грунта в зоне корня инъекционного грунтового анкера 14. При устройстве грунтового анкера для поддержания «стены в грунте» и ограждений котлованов через инъекционную трубку 13 подают крепительный раствор 5 и закрепляют прилегающий объем грунта 15 слабым раствором, а корень анкера создают из концентрированного крепительного раствора.
Пример №4.
Повышение прочностных характеристик грунта в откосе без нарушения проницаемости. Поверхностная или глубинная пропитка разбавленным до 1:8-1:10 крепительным раствором позволяет склеивать частицы грунта, оставляя свободным поровое пространство для фильтрации воды. Это позволяет избежать проявления барражного эффекта и создания подземной плотины. Регулируя плотность пропитки можно добиться создания массива, приемлемого для произрастания травы и деревьев.
Источники информации
1. Пособие к СНиП 3.02.01-83 «Пособие по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве». М., Стройиздат, 1986.
2. Рекомендации по газовой силикатизации песчаных и лессовых грунтов. М., Стройиздат, 1973 / прототип /.
3. Патент РФ №2365608, кл. C09D 163/00, опубл. 27.08.2009.