Под укреплением грунтов понимают комплекс мероприятий по повышению их механической прочности и водоустойчивости. Химическое укрепление грунтов является искусственным преобразованием грунтов путем химической обработки различными реагентами. При этом протекают реакции взаимодействия реагентов между собой и с компонентами грунта, обеспечивающие долговечность приобретенных им строительных свойств (прочности, водостойкости и др.).

Процесс укрепления грунтов включает ряд технологических операций (размельчение, перемешивание, дозирование вяжущих, увлажнение, приготовление растворов, инъектирование, уплотнение), обеспечивающих в результате активного воздействия на грунт связующих и других веществ высокую плотность, прочность и длительную устойчивость укрепленного грунта как в сухом, так и водонасыщенном состоянии.

При разработке методов укрепления грунтов основной задачей является получение нового строительного материала с заданными структурно-механическими свойствами.

Выбор метода укрепления грунта зависит от строительных или инженерных задач, определяющих соответствующую область применения укрепленного грунта: дорожное и аэродромное строительство; фундаментостроение; горное дело; гидротехническое строительство; охрана окружающей среды.

В дорожном строительстве связующие используют для укрепления грунта при устройстве оснований под дороги и при укреплении дорожных бровок.

Особенность автомобильных дорог и аэродромов состоит в их большой зависимости от климатических, грунтовых и гидрогеологических условий местности. Специфика строительства заключается в использовании огромного объема различных каменных материалов - песка, щебня и др. Для снижения стоимости дорожных и аэродромных одежд во многих районах вместо каменных материалов применяют местные грунты, отходы или попутные продукты промышленных предприятий. Как правило, использование таких материалов требует их укрепления с помощью связующих, например портландцемента, шлакопортландцемента, извести, жидкого стекла, битумов. В качестве компонентов дорожной одежды используют такие промышленные отходы, как топливные золы и шлаки, доменные и металлургические шлаки, шламы глиноземного производства и др.

При фундаментостроении химическое укрепление грунтов с помощью связующих решает следующие задачи:
строительство промышленных и гражданских сооружений на просадочных и набухающих грунтах, имеющих широкое распространение на территории РФ;
усиление фундаментов под существующими сооружениями (эта операция производится без перерыва в эксплуатации самого сооружения);
увеличение несущей способности свай и опор большого диаметра с последующим закреплением грунта ниже их забоя.

В горном деле закрепление грунтов используют при проходке горных выработок в сложных горно-геологических условиях вместо дорогостоящего крепления их с помощью строительных конструкций, а также при вскрытиии котлованов в водонасыщенных грунтах.

В гидротехническом строительстве путем укрепления грунта создают противофильтрационные завесы в аллювиальных грунтах для строительства на них высотных земляных и каменнонабросных плотин (например, в основании Асуанской плотины создан противофильтрационный экран из 2 млн м3 грунта).

Методами химического укрепления грунта осуществляют защиту бетонных фундаментов от вредного воздействия на них агрессивных грунтовых и производственных сточных вод. Для этого создаются противофильтрационные завесы с помощью нагнетания в грунты затвердевающих химических реагентов, а также введения специальных антикоррозионных добавок в грунт в процессе обратной засыпки.

Важное народно-хозяйственное значение приобрело укрепление грунтов в решении проблем охраны окружающей среды, особенно при строительстве и эксплуатации различных сооружений для хранения промышленных отходов и полупродуктов, представляющих опасность для природы и человека. Такие отходы и продукты могут быть тонкодисперсными и сухими, в этом случае одна из инженерных задач - предотвращение распространения их по местности за счет пыления. Если отходы представляют собой влажные суспензии (особенно, когда содержат водорастворимые соединения), то путем укрепления грунта может быть создан противофильтрационный экран, представляющий собой заслон для распространения вредных веществ при их фильтрации через грунт.

Грунты, которые могут быть укреплены, по гранулометрическому составу разделяют на две группы:
1. Крупнообломочные и мелкообломочные несвязанные грунты (горные породы) с включением значительного количества зернистых фракций, образующих и сохраняющих раздельно несущий зернистый каркас при максимальном уплотнении. Этот каркас обладает достаточной устойчивостью, обусловленной большим внутренним трением и хорошим сцеплением между частицами. Такие каркасные смеси могут быть эффективно омоноличены с приданием им высокой прочности, сдвигоустойчивости и водонепроницаемости путем введения вяжущих веществ (портландцемента, битума, извести или же сочетания каких-либо других веществ) и мелких фракций, заполняющих пустоты между крупными и прочными частицами (обычно зерна полевого шпата и кварца или обломки горных пород).
2. Суглинки и глины, т. е. связанные грунты, не обладающие зернистым несущим каркасом; промежуточное положение занимают супесчаные грунты. Эта группа грунтов характеризуется наличием связности, в ней отсутствует каркас из прочных и крупных частиц, но проявляется высокая физико-химическая и химическая активность.

Каждая из указанных групп в широком диапазоне может различаться по своему петрографическому, минералогическому, химическому составам и другим свойствам.

Выделяют два основных направления в технологии химического закрепления грунтов:
инъекционное укрепление, осуществляемое путем нагнетания в грунт с помощью инъекторов или в скважины химических и цементационных растворов (смолизация, силикатизация, цементация). При этом реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунт в условиях его естественного залегания (без нарушения | структуры грунта) путем нагнетания под давлением;
буросмесительное укрепление, включающее разработку и перемешивание грунта с цементом или цементными, а также цементно-песчаными, цементно-глинистыми растворами в скважинах. При таком способе закрепления нарушается природная структура грунта в результате его механического перемешивания с цементом или другими связующими с добавками. Перемешивание грунта со связующим производят с помощью специальных механизмов.

Инъекционное укрепление применяют для грунтов, характеризующихся определенной водопроницаемостью (песчаные, ; крупнообломочные, трещиноватые скальные и др.). Химическое укрепление грунтов инъекцией при высоком содержании в грун- I те нефтепродуктов, высокой засоленности, а также при скоростях фильтрации грунтовых вод выше 5 м/сут невозможно.

Буросмесительное укрепление применимо для всех нескаль- . ных грунтов, включая глинистые, независимо от их водопроницаемости.

Иногда различают также:
поверхностное укрепление - введение неорганических (цемент, известь и др.) и органических (битум, деготь) вяжущих, синтетических высокомолекулярных смол, комплексное укрепление вяжущими и другими реагентами;
глубинное укрепление - введение неорганических вяжущих или растворов, синтетических высокомолекулярных смол, ииъ-ектирование глинистых и цементных суспензий, химических растворов или золей малой вязкости, замораживание, термическое укрепление;
придание водонепроницаемости и газонепроницаемости - введение неорганических или органических веществ и растворов, комплексные методы.

Существующие методы укрепления грунта с позиций применения различных связующих можно подразделить на несколько классов:
1. Укрепление грунтов портландцементом или его аналогами (белитовый, спекательный шламы и т. д.).
2. Укрепление грунтов известью.
3. Укрепление грунтов щелочно-силикатными растворами различного состава.
4. Укрепление грунтов кислотами и солями различного состава.
5. Укрепление грунтов отходами нефтехимического производства (битумами, битумными эмульсиями).
6. Укрепление грунтов синтетическими высокомолекулярными соединениями (фурфурольные и карбомидные смолы, ре-зорцинформальдегидные и кальциево-акрилатовые смолы, поливиниловый спирт и т. п.).
7. Смешанные методы -укрепление грунтов, например, растворами силиката натрия и серной кислоты, силикатно-органи-ческими растворами и т. д.

Укрепление грунтов при применении в качестве связующего композиций на основе растворов силиката натрия называют силикатизацией грунта, при использовании в качестве связующего карбамидных смол - смолизацией, а цементных растворов - цементацией грунта.

При укреплении грунтов различными вяжущими имеют место химические процессы, включающие: гидратацию цементных зерен, твердение продуктов гидратации и их новообразований, возникающих при химическом взаимодействии связующих с тонкодисперсной частью грунта; полимеризацию и поликонденсацию низкомолекулярных соединений; химическое взаимодействие с активными реагентами, входящими в состав твердеющей композиции.

Физико-химические процессы при укреплении грунтов включают обменное поглощение продуктов гидролиза и гидратации цементных минералов (например, Са(ОН)2) тонкодисперсной частью грунта или другими катионоактивными или анионоак-тивными веществами. При этом может также иметь место молекулярная адсорбция веществ из растворов на поверхности раздела фаз, коагуляция глинистых и коллоидных веществ, их микроагрегирование и цементирование.

В ходе укрепления грунта происходят измельчение грунтовых частиц и агрегатов, их гомогенизация с цементом, битумом, известью или другими вяжущими веществами и реагентами, увлажнение и уплотнение готовой грунтовой смеси с последующим длительным режимом влажного или иного режима твердения. Эти разнообразные сложные процессы находятся в тесной взаимосвязи, накладываются друг на друга во времени. Таким образом, при укреплении тонкодисперсных грунтов протекают физико-химические взаимодействия, приводящие к возникновению новообразований как за счет взаимодействия связующего с компонентами грунта, так и за счет собственного твердения связующего (образование цементного клея).

На выбор метода укрепления грунта влияют вид инженерной задачи, минералогический, гранулометрический, химический составы грунта, погодно-геологические условия, экономическая эффективность того или иного метода.

Наиболее распространен метод укрепления грунта с помощью портландцемента и шлакопортландцемента с добавками, регулирующими процесс твердения цементогрунта (хлористый кальций, известь, соли щелочных металлов, поверхностно-активные вещества). Основные процессы, происходящие при формировании цементогрунта, зависят от взаимодействия цемента с глинистыми частицами грунта. Это взаимодействие вызывается растворением кремнезема и глинозема из частиц глины и аморфного компонента в среде с высоким рН, образованной в результате выделения гидратирующимся цементом высокореактивного Са(ОН)2- Растворившиеся компоненты могут с ионами кальция образовывать дополнительный цементирующий материал, который скрепляет между собой частицы глины. Для цементации грунтов применяют цементные, цементно-песчаные, цементно-глинопесчаные и цемент-но-глинистые растворы. В ряде случаев требуется повышение проницаемости частиц цемента в грунт, для этого производят домол цемента (мокрый или сухой) или воздушное сепарирование крупных частиц.

Диспергированные цементы позволяют приготовить инъекционные растворы, обладающие лучшей проницаемостью в трещиноватые скальные породы. Для ускорения нарастания прочности суспензий добавляют СаС12 (0,5-3,0%), для повышения стабильности - бентонит (1-5%). Для кислых грунтов целесообразно введение небольших (0,6- 3,2%) добавок Са(ОН)2, что способствует увеличению прочности укрепляемого грунта.

Гумусовые перегнойные вещества, содержащиеся в грунте, отрицательно влияют на его упрочнение, их воздействие растет по мере увеличения кислотности, что связано с изменением количественного соотношения и качественного состава органических кислот и солей, входящих в гумусовые вещества. Действие гумусовых веществ на процессы структурообразования в цементогрунте может быть ослаблено небольшими добавками только извести или извести в сочетании с хлористым кальцием. При увлажнении смеси известь вступает в ионно-обменное взаимодействие с тонкодисперсной частью грунта и гумусовыми веществами, насыщая их ионами кальция. При этом создается щелочная среда, благоприятная для твердения гидратированных зерен цемента, а наличие в растворе катионов кальция приводит к образованию нерастворимых в воде гуматов кальция. В качестве компонента цементогрунта наряду с портландцементом в ряде случаев применяют отходы и попутные продукты местных химических и металлургических, а также топливных производств-топливные шлаки и золы-уноса, доменные шлаки, от ходы глиноземного производства (нефелиновые шламы и бокситовые шламы).

Для укрепления грунтов с повышенным содержанием гумуса, а также засоленных грунтов наиболее часто применяют композиции на основе портландцемента с добавками извести, соды, жидкого стекла, поташа, крем неорганических соединений, полимеров.

Выявлена перспективность использования синтетических полимерных соединений в качестве самостоятельных активных реагентов, обеспечивающих создание прочной и гидрофобной структуры укрепленных грунтов различного состава и генезиса.

Наиболее важными характеристиками полимеров, указывающими на их пригодность для укрепления грунтов, необходимо считать следующие:
малую вязкость, растворимость или эмульгируемость в воде (в мономерной или полимерной форме) на стадии введения полимера в грунт, перемешивания, увлажнения и уплотнения смеси;
нерастворимость в воде и несмачиваемость (гидрофобность) после завершения стадии затвердевания укрепленного грунта, при этом процессы отверждения смолы должны происходить в воздушной или водной среде в интервале температур от 0 до 35 °С;
способность избирательной адсорбции по отношению к гидрофильным глинистым минералам;
способность противостоять физическим и химическим воздействиям и биологическому разложению;
возможность производства работ по обработке грунта при повышенной его влажности в интервале температур от 0 до 35 °С.

Главными химическими процессами, происходящими при образовании высокомолекулярных соединений, являются полимеризация и поликонденсация. В качестве синтетических высокомолекулярных соединений применяют фурфурольные смолы, карбамидные смолы и др.

При химическом укреплении грунтов как неорганические, так и органические полимеры формируют цементирующие образования в укрепляемых грунтах в виде различной степени обводненных гелей, которые в природных условиях могут и не встречаться. Химическое укрепление грунтов, в отличие от их природной цементации, осуществляется практически мгновенно (в геологическом смысле) с достижением прочности на одноосное сжатие в лучшем случае не более 5 МПа, в то время как естественная цементация длится чрезвычайно долго с образованием осадочных пород более высокой прочности.

Полученное соединение переменного состава является цементирующим новообразованием в виде тонких пленок в пристенном слое капилляра.

Двухрастворный способ силикатизации грунтов применяется для укрепления маловлажных и водонасыщенных песков, прочность укрепления песков на одноосное сжатие достигает 2-4 МПа. Укрепленный песок приобретает полную водонепроницаемость, высокую морозостойкость, устойчивость к кислотам и растворам нейтральных и кислых солей, но малоустойчив в щелочных средах вследствие растворения щелочного цементирующего геля кремневой кислоты. Такой способ -один из самых дешевых, нетоксичен, требует несложного оборудования, но неприемлем для укрепления малопроницаемых грунтов из-за высокой вязкости натриевого силикатного раствора.

Сущность однорастворного способа силикатизации грунта состоит в нагнетании в закрепляемый грунт раствора силиката натрия, предварительно смешанного с химическими добавками, которые приводят в строго определенное время к образованию геля кремневой кислоты, цементирующей грунт.

Таким образом, в грунт нагнетают смесь раствора из силиката натрия и добавок отвердевающего реагента. В качестве коагулирующих (отверждающих) химических реагентов, используемых для отверждения раствора силиката натрия, применяют растворы кислот и кислых солей, а также органические отвер-дители. При этом возможно образование двух цементирующих гелей кремневой кислоты: щелочного и кислого.

На скорость образования геля влияет состав кислоты или кислой соли, степень нейтрализации геля, температура гелеоб-разования, образование и структура пленки гидратированной кремнекислоты на поверхности частиц.

Разработано большое количество составов щелочных и кислых гелеобразующих растворов, в которых в качестве отверди-теля используются слабые кислоты и растворы кислых солей с большой буферной емкостью - NaH2P04, NaHCC>3, NaHS04, (NH4)HC03, A12 3, (NH4)2S04.

Наибольшее распространение в строительстве получили алю-мосиликатная и кремнефтористо-силикатная рецептуры.

В последнее время разработаны процессы с использованием органических отвердителей, в частности сложных эфиров, в качестве отвердителей жидкостекольных связующих. Из сложных эфиров для отверждения силикатных растворов чаще всего используют самый доступный и дешевый уксусно-этиловый эфир СН3СООС2Н5 (этилацетат).

В сильно щелочной среде силикатного раствора идет реакция омыления этилацетата с образованием ацетата натрия и этилового спирта:

СН3СООС2Н5 + NaOH – CH3COONa + C2H5OH.

В результате нейтрализации щелочи в силикатном растворе происходит повышение силикатного модуля, приводящее к ге-леобразованию (гель Si02). Количество добавки этилацетата составляет около 6%.

Технология инъекционного укрепления грунта состоит в нагнетании под давлением в поры и пустоты грунтов (в их естественном залегании) отверждающихся и закрепляющих грунты химических реагентов в виде двух отдельно нагнетаемых растворов (двухрастворный способ), одного раствора (однораствориый однокомпонентный способ), одного раствора и газа (двухкомпо-нентные газовые способы), гелеобразующих смесей из двух компонентов (однорастворные двухкомпонентные способы).

Нагнетание закрепляющих реагентов в грунты осуществляют насосами под давлением сжатого воздуха, в основном по технологии с вертикальным и наклонным заглублением инъекторов сверху вниз. Инъекторы представляют собой внедряемые тем или иным способом в грунты специальные устройства, посредством которых осуществляется нагнетание закрепляющих компонентов в грунты под давлением.

Укрепление грунтов в близи фундамента может потребоваться как при новом строительстве, так и при ремонте уже существующего фундамента здания. Усиление основания необходимо для повышения несущей способности опорной части дома, предотвращения равномерных и неравномерных деформаций, появления трещин.

Своевременные мероприятия по усилению грунта позволят продлить срок службы фундаментов, предотвратить или отсрочить появление различных повреждений (трещины, сколы). Методов проведения работ существует большое количество. Выбор между ними зависит от масштаба проблемы и типа грунта на участке. К основным способам можно отнести:

• механический;
• электрохимический;
• инъектирование;
• термический;
• электроосмос.

При выполнении любых мероприятий необходимо руководствоваться СП 45.13330.2012, пунктами 16 и 17.

Такой вариант подойдет для стабилизации грунта при новом строительстве. Использовать его для ремонта затруднительно без разборки фундаментов. Для предотвращения подвижек и деформаций можно применять один из следующих способов механических воздействий на почву:

• Частичная замена грунта и устройство песчаных подушек. Чтобы усилить очень слабые грунты таким методом, потребуется вложить много усилий. Но для не достаточно прочных оснований вариант поможет предотвратить деформации и ослабить воздействие морозного пучения.
• Трамбовка и уплотнение . Мероприятия проводятся с помощью катков или виброинструментов. Также возможно укрепить грунт плитами, сбрасываемыми с большой высоты.
• (цементация путем смешения цементного раствора с грунтом буросмесительным способом). Этот способ активно используется при строительстве подземных сооружений, защите склонов от обрушения. Суть заключается в том, что одновременно с работой бура в грунт подается закрепляющий раствор, который перемешивается с почвой и застывает. Вариант подойдет для слабых торфяных грунтов. Вместо грунтоцементных свай иногда используют железобетонные буронабивные. Шаг элементов назначается небольшим, они устанавливаются практически вплотную друг к другу.

Механические методы укрепления грунтов достаточно трудоемки и требуют наличия специальной техники. При строительстве своими руками в большинстве случаев они не применимы.

Электрохимический способ для глинистых и илистых почв, пылеватых песков

В этом случае в почву через трубы подаются специальные химические вещества. Одновременно выполняются три действия:

• прохождение электрического тока через грунт;
• подача в грунт растворов солей через электрод со знаком «+» (анод);
• откачка грунтовой воды через электрод со знаком «-» (анод).

При прохождении электрического тока область закрепления грунта насыщается различными солями. Почва при этом уплотняется. Среди всех способов закрепления основания под строящимися или существующими фундаментами электрохимический можно назвать одним из самых дешевых. Но увеличение стоимости электроэнергии приводит к повышению затрат на строительные работы.

Инъектирование сыпучих грунтов и болотистых почв

Метод актуален при необходимости укрепления песков и крупнообломочных пород. Суть заключается в введении в основание специального вяжущего вещества, которое надежно скрепляет сыпучий или слабый материал в единое целое. Перед выполнением работ стоит ознакомится с пособием к СНиП 3.02.01-83 по химическому закреплению грунтов инъекцией в промышленном и гражданском строительстве.

К преимуществам использования инъекционных установок можно отнести: малые габариты техники, сокращение буровых работ, возможность применения для труднодоступных мест и стесненных участков и высокую производительность. В зависимости от используемого раствора рекомендуемая область применения отличается:

• Цементация и битумизация инъекторами подойдут для связывания крупнообломочных и гравийных почв, размер фракции которых достаточно велик. В качестве рабочего материала также иногда используют глину с высокой прочностью.
• Силикатизация позволит усилить песчаные основания любой фракции. Закрепление грунта в этом случае проводится жидким стеклом. Также вариант применим для лессовых отложений. При выполнении мероприятий жидкое стекло можно заменить на смолу. Точный состав раствора для укрепления зависит от типа почвы.

Цементация грунта инъекцией.

Чаще всего раствор нагнетается в почву инъекторами через заранее пробуренные скважины. Основное оборудования для производства работ представлено буровыми установками, мощными насосами и миксерами для приготовления раствора.

Важно, чтобы частицы цемента свободно проходили между частицами основания. По этой причине метод нагнетания цемента, битума или жидкого стекла не подойдет для глинистых почв. Эти породы не пропускают даже воду.

Подбор раствора для выполнения мероприятий станет достаточно сложной задачей. Лучше доверить такое усиление фундаментов профессионалам. Кроме привычных составов возможно применение микроцементных и геополимерных растворов.

Термическое закрепление лессов

Для выполнения задачи применяются раскаленные газы. По этой причине усиливаемая порода должна обладать высокой газопроницаемостью. Грунты обжигают двумя методами:

• под отдельно стоящие фундаменты здания (столбы, сваи);
• весь массив под домом.

В обоих вариантах для термической обработки используют скважины, в которые помещается камера сгорания для топлива (солярка, горючий газ). Во втором случае скважины размещают так, чтобы границы зон упрочнения соприкасались.

Топливо моет сжигаться только в верхней части скважины или поочередно по всей ее высоте. Здесь все зависит от имеющегося оборудования. Во втором случае оно должно позволять перемещать камеру сгорания.

Температура обработки лессов не должна превышать 750-850°С. В противном случае порода станет непроницаемой для газов. Средняя продолжительность воздействия высоких температур составляет 5-12 суток. В результате принятых мер структура основания уплотняется, появляются прочные структурные связи, устойчивые к воздействию влаги.

Электроосмос для глин

Из-за низкой проницаемости глинистых оснований их усиление другими методами может быть затруднено. Способ электроосмоса отлично подойдет для водонасыщенных грунтов. Метод схож с электрохимическим, но не подразумевает использования специальных растворов.

При электроосмосе связанная вода стремиться к отрицательному электроду.

В грунт погружают два электрода (положительный и отрицательный). При пропускании тока происходит частичное уплотнение структуры. Связанная с почвой влага скапливается у отрицательного катода. Электрод должен быть выполнен в виде перфорированной трубы, через которую можно выполнить откачку жидкости.

Степень уплотнения зависит от времени воздействия электрического тока на основание. Одновременно метод позволяет укрепить основание и осушить его. Стержень-анод после выполнения работ частично разрушается.

Грамотное укрепление грунтов на этапе строительства или реконструкции позволит увеличить срок эксплуатации всего дома. Перед началом работ потребуется выполнить геологические изыскания и определить тип грунта на участке. При этом стоит руководствоваться ГОСТ «Грунты. Классификация».

Совет! Если вам нужны подрядчики, есть очень удобный сервис по их подбору. Просто отправьте в форме ниже подробное описание работ которые нужно выполнить и к вам на почту придут предложения с ценами от строительных бригад и фирм. Вы сможете посмотреть отзывы о каждой из них и фотографии с примерами работ. Это БЕСПЛАТНО и ни к чему не обязывает.

Согласно статистике, основная причина возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации зданий и сооружений - это нарушение работы оснований и фундаментов. Обычно это связано с отсутствием достоверной информации о геологических условиях и характеристиках грунтов площадки размещения объекта, принятием неправильных решений на стадии проектирования и не качественным выполнением строительных работ.

Характерными признаками несоответствия конструкций основания и фундаментов здания требуемым параметрам являются трещины в наружных стенах, цоколе, перекосы дверных и оконных проемов, неравномерная осадка и другие. Своевременно выполненные работы по выявлению повреждений в конструкциях и усилению дефектных элементов, в том числе - грунтов основания, являются условием надежной и безаварийной эксплуатации зданий.

Почему возникает необходимость в улучшении качества оснований

Усиление грунтов основания может выполняться как для восстановления эксплуатационных характеристик существующих сооружений, так и при строительстве новых. В первом случае точные причины нарушения работы строительных конструкций определяются в процессе выполнения технического обследования. Наиболее распространенными среди них являются следующие:

• ухудшение геологических условий площадки с течением времени;
• увеличение нагрузок, передаваемых зданием на фундамент, при выполнении реконструкции, надстройки этажей, установке дополнительного оборудования;
• появление ранее не учтенных нагрузок от возведения нового здания рядом с существующим;
• проявление просадочных свойств грунта основания при его замачивании грунтовыми и поверхностными водами природного и техногенного происхождения;
• вымывание и выпирание грунта основания при разработке рядом с существующим фундаментом котлована под новое здание;
• динамические и вибрационные нагрузки, возникающие при выполнении строительно-монтажных работ рядом с существующим зданием;
• промерзание грунта в зимний период;
• неравномерная осадка фундаментных конструкций;
• деформация фундаментов с появлением трещин, сколов, нарушением защитного слоя бетона, оголением и коррозией арматуры.

При строительстве на вновь отведенной площадке необходимость в усилении грунтов, а также целесообразность выполнения этих работ с экономической точки зрения, определяются по результатам инженерно-геологических изысканий. Метод усиления грунтов принимается в комплексе с техническими решениями по устройству фундаментов при проектировании.

Оценка состояния оснований и фундаментов

Комплексное обследование и оценка технического состояния конструкций здания (в том числе, оснований и фундаментов) выполняется для выявления нарушений в их работе, обоснования причин и определения возможных последствий деформаций. По результатам оценки производится выбор наиболее надежных и экономичных компенсирующих мероприятий, исключающих дальнейшее развитие деформаций. Работы включают в себя несколько этапов.

Вначале производится изучение и анализ имеющейся изыскательской и проектной документации, данных предыдущих обследований (если таковые были). Затем выполняется визуальный осмотр наземной части здания для определения характера деформаций (фасады, несущие стены, колонны). Во внимание принимается окружающая обстановка: наличие рядом с обследуемыми конструкциями других сооружений, котлованов, автомобильных и железных дорог.

В подземной части здания обследованию подлежат непосредственно конструкции фундаментов и несущее основание. Для осмотра фундаментов и инструментального анализа материалов в контрольных точках по периметру здания отрываются шурфы. Глубина шурфа принимается на 0,5 м ниже подошвы фундамента. В результате осмотра и инструментальных замеров определяются геометрические параметры фундамента, качество материалов, состояние гидроизоляционной защиты, наличие повреждений.

Обследование грунта выполняется методом бурения скважин с отбором и анализом образцов. Таким образом определяются остаточные физико-механические свойства основания. По итогам выполненных работ производятся поверочные расчеты с определением реальной несущей способности грунтов и фундаментных конструкций, выдается заключение о ее достаточности. При выборе варианта усиления конструкций фундаментов и грунтов принимаются наиболее технически и экономически обоснованные решения.

Методы усиления грунтов основания

В отличие от усиления различных конструктивных элементов здания (таких как стены, колонны, фундаменты), типовые решения по улучшению характеристик грунтов основания отсутствуют. Закрепление производится по индивидуально разработанному проекту с применением принципов конкретного метода. К основным методам усиления грунтов относятся: физико-химические, механические (уплотнение) и конструктивные.

Физико-химические методы

Наиболее современными и высокоэффективными считаются физико-химические методы усиления грунтов. Среди них выделяют следующие.

Силикатизация - инъецирование грунтов основания растворами жидкого стекла. Раствор подается под давлением до 0,6 МПа в предварительно пробуренные скважины через перфорированные трубы. Метод используется для повышения прочности песков различной крупности, насыпных грунтов. В процессе силикатизации вокруг каждой скважины создается столб упрочненного основания диаметром до 2 м.

Цементация применяется для закрепления грунтов просадочного типа, водопроницаемых, трещиноватых скальных пород, лессов, крупного песка. Инъецирование грунтов производится водоцементным раствором (иногда с добавлением песка) под давлением до 10 МПа. В результате цементации раствор заполняет поры грунта, образуя новое, высокопрочное основание.

Смолизация предполагает инъецирование в грунты основания синтетических смол с отвердителями. Метод используется для усиления пылеватых, мелких песков, супесей и суглинков. Применяются вертикальный, горизонтальный и наклонный способы установки инъекторов.

Глинизация , или нагнетание глинистой суспензии, производится с целью снижения фильтрующих свойств песчаного основания. В результате проникновения глинистых частиц в поры грунта происходит его заиливание и тампонаж с созданием водоупорной зоны. Метод используется при небольшой скорости течения грунтовых вод, так как частицы глины могут выноситься потоком.

Битумизация также является способом снижения фильтрационных свойств грунта и применяется при высоких скоростях движения грунтовых вод. Существуют методы горячей и холодной битумизации. В первом случае в предварительно пробуренные скважины подается расплавленный битум, а во втором - битумная эмульсия. В обоих случаях результатом является создание водонепроницаемой зоны вокруг инъектора.

Термический способ используется для усиления грунтов, обладающих просадочными свойствами. Суть метода состоит в сжигании топлива в предварительно пробуренной скважине. Для возможности горения топлива на глубине в скважину подается воздух. Устранение просадочных свойств грунта происходит под воздействием температуры от 400 до 800 градусов Цельсия. Каждая скважина позволяет произвести закрепление массива грунта диаметром до 2,5 м.

Усиление грунтов основания конструктивными элементами

Основными конструктивными методами усиления являются следующие:

• грунтовые подушки . Метод заключается в замене слабонесущего грунта, расположенного под фундаментом на малосжимаемый. В качестве последнего используют песок, щебень, некоторые виды шлаков. При укладке грунт подвергается уплотнению во избежание его последующей осадки;
• шпунтовые ограждения . Метод используется для предотвращения выпирания слабонесущего основания из-под фундамента. В этом случае по периметру фундамента на минимальном от него расстоянии монтируется ограждение из свайных конструкций. Сваи забиваются в слой плотного грунта, проходя насквозь через слабонесущий.

• армирование . Способ позволяет повысить прочностные характеристики грунта и устранить просадочность. Армирование подразумевает внедрение в грунт дополнительных высокопрочных элементов, которые при совместной с ним работе обеспечат требуемые характеристики основания. В качестве армирующих элементов используются бетон, железобетон, грунтоцемент, цементно-песчаный раствор и другие.

• противофильтрационные завесы . Метод применяется для предотвращения фильтрации подземных вод через грунт основания. Мероприятие осуществляется путем заливки тиксотропной суспензии в предварительно подготовленные скважины. Суспензия готовится на основе бетонитовой глины, которая способна поглощать воду в больших количествах, а после загустевания создавать водонепроницаемый экран.

Механические способы

Механические способы усиления грунтовых оснований представляют собой различные варианты их уплотнения. Различают два основных способа уплотнения: поверхностное и глубинное.

Поверхностное уплотнение производится при помощи трамбовок, катков, грузоуплотняющих машин, вибраторов. Данный способ, как правило используется при необходимости выполнить уплотнение на глубину до 1,5-2 м. Однако, применение тяжелых трамбовок и трамбующих машин позволяет уплотнять основание глубиной до 10 м. Существуют также методы вытрамбовывания котлована под фундамент трамбовками, имеющими форму самого фундамента.

Глубинное уплотнение грунтов осуществляется такими способами:

• устройство грунтовых и песчаных свай в насыпных грунтах, лессах, обладающих просадочными свойствами. Метод предполагает забивку в основание трубы, в процессе чего происходит уплотнение окружающего грунта. После забивки труба заполняется песком с послойным уплотнением. По мере засыпки песка труба постепенно извлекается из грунта. Сваи располагаются в шахматном порядке так, чтобы усиленные зоны грунта перекрывали друг друга;
• виброуплотнение с использованием специального оборудования - вибраторов, вибробулавы. Метод используется для усиления песчаных водонасыщенных грунтов и заключается в погружении вибрационного снаряда в толщу грунта;
• предварительное замачивание позволяет устранить просадочность грунта основания. Метод, как правило, используется при новом строительстве на достаточном удалении от существующих зданий и сооружений, так как существует опасность замочить их основания.

Еще одним способом механического уплотнения является предварительное обжатие грунтов. Обжатие производится путем нагружения насыщенного водой слабого основания временной насыпью, в результате чего вода выдавливается из пор грунта с последующим его уплотнением. При этом давление, создаваемое насыпью должно превышать давление от проектируемой конструкции. Обжатие можно произвести и путем понижения уровня грунтовых вод с откачкой их через скважины или при помощи организации дренажа.

Выводы

Усиление грунтов основания выполняется в следующих случаях:

• при необходимости восстановления корректной работы несущих элементов существующего здания;
• при новом строительстве на площадке с плохими инженерно-геологическими условиями.

В первом случае работы, как правило выполняются в комплексе с усилением и ремонтом фундаментов и имеют ограничения в выборе методов (во избежание воздействия на рядом расположенные здания). При усилении грунтов на новой площадке выбор метода определяется только техническим и экономическим обоснованием.

Усиление грунтов позволяет использовать для нового строительства земельные участки, имеющие заведомо низкие инженерно-геологические показатели, а также территории, не подходящие для ведения сельского хозяйства (болота, насыпные грунты и прочие) и других видов деятельности. Современные высокотехнологичные способы повышения несущей способности оснований позволяют более рационально подходить к использованию застройщиком трудовых, территориальных и экономических ресурсов.

Данная технология изобретена ООО "АНТ-Инжиниринг" в 2006 году. На сегодняшний день на территории России и за ее пределами построено более 150 км автодорог различных категорий. Автомобильные дороги, построенные с применением технологии «ANT», эксплуатируются во всех климатических зонах: от пустыни до полярного круга.

Основным элементом технологии является препарат «Стабилизатор грунтов и органоминеральных смесей «ANT» (англ. - «муравей»). Применяется как самостоятельно при стабилизации грунта, так и совместно с неорганическими или органическими вяжущими при укреплении.

Принцип действия стабилизатора грунта «ANT»

Стабилизатор грунта «ANT» является российским продуктом и производится в г. Волжском, Волгоградской области. Является комплексным органическим препаратом. Его действие направлено на проведение в грунте окислительно-восстановительных реакций. Производит направленную окислительную реакцию путем воздействия молекулярным кислородом на поверхность частицы грунта, а также в цементе (в случае использования). Вследствие этого происходит образование новых окислов химических элементов, содержащихся в грунте. Затем, присоединенный ранее кислород отделяется, и происходит обратная восстановительная реакция, что приводит к образованию новых кристаллических соединений в грунте между его частицами.

Эта реакция полностью повторяет процессы образования осадочных пород в земной коре. Если бы мы имели возможность увеличить нагрузку при уплотнении обработанного грунта более чем в 5 раз, то мы бы смогли получить укрепленные грунты с маркой по прочности свыше М200. Но, к сожалению, современная техника и методика проведения дорожных работ не позволяет нам достичь данных результатов.

Кроме того, стабилизатор содержит в своем составе поверхностно-активные вещества, что позволяет достичь максимального коэффициента уплотнения грунта, а, следовательно, получение материала с меньшим наличием капилляров. Это позволяет значительно понизить водопоглощение стабилизированных и укрепленных грунтов.

5 основных преимуществ

1. Высокие физико-механические показатели.

Грунты, укреплённые с применением Стабилизатора "ANT", обладают высокими физико-механическими показателями и полностью соответствуют требованиям ГОСТ 23558-94 "Смеси щебёночно-гравийно-песчаные и грунты, обработанные неорганическими вяжущими материалами, для дорожного и аэродромного строительства".

К примеру, при строительстве автомобильных дорог V технической категории переходного типа достаточно устройство одного слоя из укреплённого грунта толщиной h= 15см. Данный конструктивный слой рассчитан на движение транспорта с нагрузкой на ось до 8ТС. Общий модуль упругости на поверхности данного слоя составит более 150МПа.

2. Малый расход, а также его низкая сметная стоимость.

Расход составляет 0,007% от массы грунта. При проведении дорожно-строительных работ требуется 1л на 7,5 м 3 будущего слоя. Для строительства 1 км автодороги IV– Vкатегории, т.е. устройства 6000м 2 слоя укрепленного грунта, толщиной 15см, расход стабилизатора составит 120 литров, сметная стоимость соответственно 312 000 рублей или 52 руб./м 2 .

3. Упрощение процессов стабилизации и укрепления грунтов.

А именно:

• отсутствие ухода за укрепленными грунтами;
• возможность возобновления движения автотранспорта сразу после уплотнения слоя;
• отсутствие необходимости устройства деформационных швов.

4. Возможность использования Стабилизатора грунта «ANT» как самостоятельно, так и совместно с неорганическими и органическими вяжущими.

При использовании Стабилизатора совместно с цементом, прочностные свойства укрепленных грунтов повышаются более чем на 30% относительно контрольных образцов без него.

При применении совместно с битумными эмульсиями или вспененным битумом, происходит лучшее распределение вяжущего по всему объему грунта, повышение адгезии частиц вяжущего с грунтом и последующее повышение показателей физико-механических свойств укрепленных грунтов.

5. Полная экологическая безопасность.

Стабилизатор "ANT" не оказывает какого-либо отрицательного воздействия на окружающую среду и является 100% экологически безопасным. При проведении дорожно-строительных работ не требуется обеспечение технического персонала дополнительными средствами защиты.Также он не оказывает отрицательного воздействия на узлы машин и механизмов.

Область применения стабилизатора грунта «ANT»

устройство оснований автомобильных дорог I– V категории, нежесткого и жесткого типов;

покрытия дорог IV – V категории переходного типа;

стабилизация подошвы и рабочего слоя земляного полотна;

в качестве добавки при укреплении грунтов органическими или комплексными вяжущими.

Самостоятельно Стабилизатор «ANT» может применяться при стабилизации глинистых грунтов с числом пластичности от 1 до 17 (супеси, суглинки, глины). Стабилизированные грунты могут применяться для стабилизации подошвы или рабочего слоя земляного полотна, а также устройства нижних слоев оснований.

Для получения укрепленных грунтов необходимо добавление цемента в количестве 2%-5% от массы грунта. Норма расхода цемента зависит от типа грунта, климатической зоны и требуемых прочностных свойств укрепленного грунта. Для проведения работ возможно использование супесей, суглинков, песчано-гравийных смесей, слабопрочных каменных материалов, отходов дробления каменных материалов и бетона.

Использование Стабилизатора грунта «ANT», совместно с органическими или комплексными вяжущими, позволяет снизить расход вяжущих и увеличить прочностные характеристики укрепленных грунтов. Помимо происходящей окислительно-восстановительной реакции в грунте, Стабилизатор «ANT» позволит повысить адгезию битумного вяжущего с грунтом, а также равномерно распределить его по всему объему грунта.

Норма расхода

Требуемое количество Стабилизатора составляет 0,007% от массы грунта. При проведении дорожных работ за норму его расхода принимают 1л стабилизатора на 7,5 м 3 будущего конструктивного слоя.

Норма расхода стабилизатора грунта«ANT» на каждые 1000м 2 конструктивного слоя, в зависимости от толщины слоя

Стабилизатор грунта «ANT» используют в виде водного раствора. Требуемое количество воды рассчитывают, исходя из естественной влажности грунта и оптимальной при уплотнении. Также предусматривают поправку по количеству воды на климатические условия, тип грунта, количество используемого цемента и др. На практике, коэффициент растворения стабилизатора с водой колеблется от 1:250 до 1:1000.

Варианты проведения дорожно-строительных работ

Проведение дорожных работ возможно с использованием различных вариантов комплектации техники.

Самоходные ресайклеры. С их помощью в течении рабочей смены производят устройство конструктивного слоя из укрепленных грунтов, площадью свыше 5000 м 2 . Обработанную грунтосмесь приготавливают непосредственно на дороге, за один проход. Водный раствор дозируют в ротор, и его расход контролирует бортовой компьютер машины. Распределение цемента производят до прохода ресайклера.

При использовании техногенных грунтов возможно приготовление смеси на специализированных грунтосмесительных или бетоносмесительных установках. Укладку обработанного грунта производят с использованием асфальтоукладчика (наилучшие результаты в плане геометрии) или автогрейдера. Скорость производства работ зависит напрямую от производительности смесительных установок.

Приготовление обработанного грунта также производят с помощью сельскохозяйственных фрез и борон. Заглубление в грунт должно быть выше на 30%, чем расчетная толщина конструктивного слоя. Наилучшие результаты достигаются при использовании горизонтальных навесных фрез с приводом от вала отбора прочности трактора. На практике, скорость производства работ в смену составляет 1000м 2 и более.

Укрепление грунтов органическими вяжущими осуществляется так же, как и минеральными вяжущими, способами смешения на земляном полотне дорожной фрезой или однопроходной грунтосмесительной машиной, а так же в карьере в грунтосмесительной установке. Готовую смесь укладывают в дорожную одежду самоходным укладчиком или автогрейдером с уплотнением самоходным катком на пневматических колесах.

При необходимости дополнительного увлажнения грунта при его укреплении битумной эмульсией следует учитывать количество воды, находящееся в эмульсии, при этом целесообразно изменять концентрацию эмульсии от 55…50 до 35…40%.

При укреплении грунта органическими вяжущими с добавкой извести сначала должен быть обработан грунт известью и только через 12…14 ч смесь грунта с известью обрабатывают органическим вяжущим.

При укреплении грунта органическим вяжущим с добавкой цемента уход за уложенным слоем должен быть аналогичен укреплению грунта только цементом.

Для улучшения размельчения тяжелых суглинков и глин в сухую погоду их следует предварительно размельчать с введением добавки ПАВ (ССБ, ОП-7, ОП-10 в количестве 0,05…0,5% массы грунта).

Грунты, укрепленные смолобитумным вяжущим (битумная эмульсия - эмульсированное вяжущее 40% и карбомидная смола 60%), применяют для устройства покрытий на дорогах IV и III категорий и верхних слоев основания под асфальтобетонные покрытия.

Битумная эмульсия должна быть анионная прямого типа, медленнораспадающаяся, карбомидная смола типа УКС и М 19-92. Отвердителем служит аммоний хлористый (ГОСТ 2210-73) в количестве 10…20% массы вяжущего. Расход смолобитумного вяжущего для укрепления грунтов приведен в табл. 2.28.

Таблица 2.28

Расход смолобитумного вяжущего

Смолобитумное вяжущее с добавкой отвердителя должно быть введено в грунт и уплотнено в течение до 3 ч. Вяжущее без отвердителя допускается хранить не более 3 суток. Движение по слою грунта, укрепленному смолобитумным вяжущим, может быть открыто через 2 суток в условиях сухой погоды с температурой 15°С и выше.

2.4.4. Комплексные и другие способы укрепления грунтов

Комплексные способы укрепления грунтов основаны на применении, кроме основного минерального или органического вяжущего, небольших добавок различных поверхностно-активных веществ или вяжущего другого вида. Такой способ дает значительные преимущества, основными из которых являются:

Возможность использования для укрепления малопригодных грунтов;

Снижение расхода основного вяжущего;

Повышение прочности, морозостойкости укрепленных грунтов;

Уменьшение трудозатрат при измельчении грунта и перемешивании его с вяжущим.

При комплексных способах укрепления грунтов формируются сложные совмещенные пространственные типы бинарных структур, взаимно чередующихся в микрообъемах и пронизывающие друг друга.

Например, при укреплении грунтов цементом и битумной эмульсией формируется пространственная бинарная структура – коагуляционно-кристаллизационная.

В качестве добавок при укреплении грунта цементом можно использовать известь гашеную или молотую негашеную, хлористый кальций, гипс и ряд поверхностно-активных гидрофобных веществ (полиакриломид, абиетовую смолу, ферромылонафт и др.). Известь добавляют при укреплении кислых или солонцовых супесей, суглинков и глин, имеющих рН ниже 6 с влажностью на 4…6% больше оптимальной (1…3% по массе).

Хлористый кальций (0,4…0,8% по массе) применяют при пониженной или отрицательной температуре воздуха, чтобы ускорить процессы твердения. Силикат натрия (0,5…2,0% по массе) применяют для повышения прочности цементогрунта, ускорения его твердения и снижения расхода цемента при супесчаных и суглинистых карбонатных грунтах. При добавке (0,05% от массы грунта) пиридина в виде водного раствора появляется возможность снизить в 1,5 раза расход цемента. Пиридин и его производные являются отходами нефтехимической промышленности.

При укреплении грунтов известью в смесь вводят силикат натрия или золу уноса, получаемую от сжигания бурого угля, торфа и каменного угля, в соотношении от 1:2 до 1:5 (золоизвестковое вяжущее).

Для повышения водостойкости укрепляемого грунта эффективна добавка в битум веществ, способствующих образованию хемосорбиционных соединений на поверхности грунтовых частиц, насыщенных ионами кальция (или железа).

Наиболее высокие прочность, водо- и морозостойкость битума получают при добавке в него анионоактивных веществ органических кислот или фенолов, а в грунты – извести.

Назначение и выбор веществ для комплексного укрепления грунтов при органическом вяжущем проводят после детального исследования свойств веществ и образцов из битумогрунтовой смеси с добавкой испытуемого вещества.