Реферат: Химическое закрепление грунтов

Министерствообразования Российской Федерации

Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирскийгосударственный индустриальный университетКафедра инженерных конструкций Рефератпо дисциплине“Основания и фундаменты”

на тему “Химическоезакрепление грунтов”

Выполнил: Студент гр. СПО – 992          Бородина О.С. Проверил: Кравцова И.А.

 

Новокузнецк 2003

Содержание

Введение. 3

Инъекторы… 9

Требования, предъявляемые по забивкеинъекторов. 11

Список литературы… 13

/>Введение

Закрепляемые грунты должны обладать достаточной проницаемостью. Глинистыеи суглинистые грунты вследствие малой проницаемости не поддаются химическомузакреплению. Таким образом, хорошо фильтрующие грунты поддаются закреплению,внедряя в их поры вяжущие материалы. Способ закрепления выбирают в зависимостиот грунтовых условий района строительства, а также производственныхвозможностей его выполнения.

Химическое закрепление грунтов начало развивать­ся с 1931 г., когда Б.А.Ржаницыным был разрабо­тан первый — двухрастворный способ силикатизацииводонасыщенных песков. По схеме двухрастворного спо­соба была осуществленатакже силикатизация просадочных лессовых грунтов, при которой роль второгореагента выполнял сам грунт.

В первый период разработка химических способов закрепления грунтов былаоснована на использовании неорганического полимера — силиката натрия. В даль­нейшемразработка химических способов закрепления грунтов велась по пути созданиягелеобразующих рас­творов, которые представляли собой смесь раствора си­ликатанатрия небольшой плотности с отверждающими растворами кислот и солей. Малаявязкость растворов (1,5—3,0 мПа.с) позволила закреплять песчаныегрунты с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут, в кото­рыхдвухрастворпый способ силикатизации неприменим. Использование для отвержденияраствора силиката нат­рия газов (углекислого газа или аммиака) находится пока встадии разработки.

В связи с развитием химии органических полимеров были проведены большиеисследования по использова­нию выпускаемых химической промышленностью смол длязакрепления грунтов. Наиболее доступной для при­менения оказаласьмочевиноформальдегидная (карбамидная) смола. В качестве отвердителяиспользовали соляную и щавелевую кислоты. Однако некоторая ток­сичность,обусловленная выделением свободного фор­мальдегида в момент разработкизакрепленного масси­ва, т. е. при проходке тоннеля или вскрытии котлована,ограничивала применение способа смолизации. В результате лабораторныхисследований удалось значитель­но уменьшить выделение свободного формальдегида.Это несколько снизило прочность закрепления, но позволило применять смолизациюпри проходке подземных выра­боток.

В разработку рецептур химических способов закреп­ления песков и лессовбольшой вклад внесли доктора техн. наук В. В. Аскалонов и В. Е. Соколович.

В области химического закрепления глинистых и илистых грунтов былипроведены исследования с приме­нением химических растворов и постоянногоэлектриче­ского тока. Изучение процессов электроосмоса в глини­стыхгрунтах позволило разработать способ осушения котлованов в этих грунтах, чтодает возможность закла­дывать фундаменты в них «насухо». Что касается улуч­шениястроительных свойств грунтов путем воздействия на них постоянногоэлектрического тока, то этот способ находит очень ограниченное применение встроительст­ве—главным образом для придания устойчивости скло­нам выемок.

Учитывая все возрастающую потребность в повыше­нии прочностных свойствслабых глинистых и илистых грунтов, в лаборатории с 1975 г. ведутся разработки буросмесительногоспособа закрепления таких грунтов.

Применение разработанных химических способов в различных областяхстроительства показало, что они особенно эффективны для улучшения свойствгрунтов под фундаментами существующих сооружений. Это в значительной степениобъясняется тем, что превращение грунта под фундаментом в каменьосуществляется, как правило, без нарушения эксплуатации здания. 

Характеристика химических способов закрепления грунта

Существует несколько химических способов закрепления грунтов: цементация,глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация, электрохимическоезакрепление и буросмесительное для создания цементогрунта.

Цементация

Цементация грунтов как способ представляет собой заполнение пустот,трещин и крупных пор в крупнообломочных грунтах, образующим со временем твердыйцементный или цементно-глинистый камень.

Для цементации можно использовать цементные, цементно-песчаные   и  цементно-глинистые   растворы. В каждом отдельном случае необходимо выбиратькак состав раствора, так и его водоцементное отношение (В/Ц), которое можетизменяться от 1 до 0,4. Кроме то­го, инъекционные растворы должны обладатьследующи­ми характеристиками: подвижностью раствора по конусу АзНИИ 10—14 см,водоотделением в течение 2 ч 0-2 %, прочностью при сжатии после твердения втечение 28 сут 1—2 МПа. Исходная плотность таких растворов, как правило,составляет 1,60—1,85 г/см3. Все эти характери­стики обусловливаютсяпроектом.

Применение цементных растворов, как установлено практикой, не прекращалофильтрации полностью, что зависело от характера трещиноватости горных пород.Это объясняется повышенной крупностью помола цемен­та, который в настоящеевремя имеет размер частиц по­рядка 50 мкм, а это значит, что трещины размером0,2 мм не будут зацементированы. Кроме того, водные растворы цемента не дают100%-ного выхода камня, что также влечет за собой остаточную фильтрацию.

В отличие от цементации глинизация может приме­няться для заполнениякарстовых пустот только в сухих породах, способных после нагнетания глинистогорас­твора впитывать из него воду. В связи с этим после за­полнения пустотглинистый раствор должен находиться в течение нескольких суток подгидравлическим напо­ром.

При глинизации применяют глинистый раствор плот­ностью 1,2—1,3 г/см3.В результате повышения давления (более 2 МПа) вода из глинистого раствораотжимается, обезвоженное глинистое тесто плотно заполняет пустоты и придастпороде водонепроницаемость.

Глинизация так же, как и цементация, может приме­няться только принебольших скоростях движения грун­товых вод во избежание уноса раствора изтампонируе­мой зоны, т. е. в гравелистых и трещиноватых грунтах, в которыхкоэффициент фильтрации находится в пре­делах от 50 до 5000 м/сут.

Битумизация

Способ горячей битумизации применяется в трещиноватой скальной иполу­скальной породах при большой скорости фильтрации. Он состоит в нагне­таниичерез пробуренные скважины расплавленного битума, который, остывая в трещинах,сообщает породе водонепроницаемость. Так как битум не смешивается с водой, апри соприкосновении с ней образует пленку, плохо проводящую тепло, то принагнетании он заполня­ет большие пустоты и каверны даже при наличии значи­тельныхскоростей движения грунтовых вод. Остывание битума в больших трещинах ипустотах происходит мед­ленно из-за его слабой теплопроводности, и поэтому ра­диусраспространения его значителен.

Отрицательным качеством горячей битумизации является то, что в течениепоследующего времени при наличии напора грунтовых вод наблюдается выдавливаниебитума из трещин; также из-за значительной вязкости даже расплавленный битум неможет полностью заполнить трещины с раскрытием менее 1 мм, таким образом, ра­диусбитумизации колеблется от 0,75 до 1,5 м, а водо­проницаемость полностью неснимается.

 Указанные выше явления привели к тому, что способ горячей битумизациистал применяться редко как в гид­ротехническом, так и в промышленномстроительстве.

Для придания водонепроницаемости песчаным грун­там разработан способхолодной битумизации, т. е. нагнетания в песчаный грунт битумной эмульсии.Этот способ целесообразно применять тогда, когда тре­буется придать грунтутолько водонепроницаемость. Ос­новным условием успешного применения этогоспособа является приготовление стабильных и однородных эмуль­сий. Опыты'показывают, что частицы битумной эмульсии могут проникать в поры грунта, когдаих диаметр в 25— 35 раз меньше среднего диаметра частиц грунта. Приме­нениеспособа холодной битумизации в песках ограни­чивается коэффициентом фильтрацииот 10 до 50 м/сут.

При наличии в настоящее время других способов, как например,силикатизации и смолизации, способ хо­лодной битумизации не получает широкогоприменения, так как технология приготовления битумной эмульсии значительносложнее технологии приготовления раство­ров при силикатизации и смолизации.

Силикатизация

В 1931 г. был разработан двухрастворный способ силикатизации,сущность которого состояла в том, что в песчаный грунт любой влажности череззабитую металлическую перфо­рированную трубу (инъектор) поочередно нагнеталисьраствор силиката натрия (натриевое жидкое стекло) Na2OnSiO2 и раствор хлористого кальция CaCl2. В результате химической реакции между нимив порах грунта образуется гидрогель кремниевой кислоты, и грунт быстро и прочнозакрепляется. Двухрастворный способ обеспечивает высокую прочность грунта(табл. 1) и практически его полную водонепроницаемость. Недостатками этогоспособа являются высокая стоимость и большая трудоемкость работ. Поэтому егопреимущественно применяют при усилении оснований под сооружениями. Закрепленныйгрунт имеет кубиковую прочность 1,5…3,5 МПа. Прочность закрепленного грунта неснижается при воздействии на него агрессивных вод.

Таблица 1

/>

Для закрепления мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации от0,0006 до 0,006 см/сек применяют однорастворный способ. В грунтнагнетают гелеобразующий раствор из жидкого стекла и фосфор­ной кислоты либо изжидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Первая рецеп­тура обеспечивает бо­лее быстрое гелеобразование. Прочностьзакрепленного грунта (табл.1) зна­чительно ниже, чем при двухрастворном спосо­бе.Этот способ нахо­дит применение глав­ным образом при уст­ройствепротивофильтрационных завес.

Однорастворный способ силикатизации используют и для за­крепления  лёссовых просадочных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации от 0,0001 до0,0023 см/сек. При этом в грунт нагнетают раствор одного жидкого стекла. Гелеобразование происходит за счет реакции раствора жид­кого стекла с водора­створимымисолями грунта и его обменным комплексом. Роль второго раствора выполняет самгрунт. Прочность закрепленного грунта приведена в табл. 1.

Не рекомендуется применять силикатизацию для закрепления грунтов,пропитанных нефтяными продуктами, смолами и маслами, при наличии грунтовых вод,имеющих рН >9 при двухраствор­ном способе, и в случае рН>7,2 приоднорастворном способе силикатизации мелких и пылеватых песков. Нецелесообразноподвергать силикатизации грунты, когда скорость грунтовых вод превышает  0,006см/сек.

Смолизация

Смолы, которые могут быть использованы для за­крепления грунтов, должныобладать невысокой вязко­стью и полимеризоваться в порах грунта при температу­реот 4 до 10 °С. К таким смолам относятся: мочевино-формальдегидные(карбамидные), образующиеся в ре­зультате поликонденсации мочевины иформальдегида; фенольные, образующиеся в результате поликонденса­ции фенолов иальдегидов; фурановые, образующиеся при конденсации фурфурола и фуриловогоспирта; акриловые—производные акриловой кислоты; эпоксидные, получающиеся приконденсации эпихлоргидрина (или дихлоргидрина) с полиаминами, фенолами, поли­спиртамии другими соединениями.

Самой приемлемой для закрепления грунтов по всем критериям является мочевиноформальдегидная(карбамидная) смола с различными отвердителями. Эта смола легкорастворяется в воде, имеет малую вязкость, отвер­ждается при невысокойтемпературе, а самое главное вы­пускается отечественной промышленностью в видекле­ев в большом масштабе и по своей цене вполне доступна. Для широкого использованияпри закреплении грунтов.

Сущность способа состоит в нагнетании в грунт гелеобразующего раствора,состоящего из раствора смолы и отвердителя в виде соляной или щавелевойкислоты. Способ обеспечивает прочное закрепление, придает грунтам водонепроницаемость.Кроме того, способ позво­ляет закреплять карбонатные грунты. При повышенномсодержании карбонатов (до 3%) проводится предвари­тельная обработка грунтараствором кислоты в объеме, равном объему гелеобразующего раствора.

Электрохимическое закрепление грунтов

Как установлено исследованиями, при электрохими­ческом закреплении грунтапроисходят три процесса:

1) электроосмос, в результате которого грунт значитель­но обезвоживаетсяи уплотняется; 2) реакция обмена, при которой поглощенные натрии и кальцийзамещаются водородом и алюминием; 3) структурообразование, яв­ляющеесярезультатом образования алюмогеля.

Для закрепления слабых малопроницаемых грунтов, представленных мелкимипесками, суглинками и супеся­ми, разработан способ комбинированного применения электрическоготока и химических растворов, вводимых в грунт под давлением в моментналожения на него по­стоянного электрического тока. Обычно растворы вводят вгрунт через перфорированные электроды или через за­биваемые инъекторы.Распространение растворов в грун­те в этом случае обусловливается движениемводы от анода к катоду. Кроме закрепления грунта и придания емуводоустойчивости электрохимический способ повы­шает его механическую прочность.При этом большое значение имеет правильное сочетание режимов подачи растворов вгрунт и пуска электрического тока, которые должны назначаться в соответствии сфизико-механиче­скими свойствами грунта.

Большое значение при использовании постоянного электрического тока имеетявление электроосмоса. Бла­годаря ему можно обезвоживать значительныемассивы малопроницаемых грунтов при проходке траншей и вскрытии котлованов.

Технология и производство работ

Для проведения работ по химическому закреплению грунтов применяютследующее оборудование: инъекторы, установки для бурения скважин, для чегомогут быть использованы любые станки и оборудование, поз­воляющее проходитьскважины диаметром 60—127 мм на глубину 15—25 м; пневматические молотки ибетоноломы для забивки инъекторов; насосы или пневматичес­кие установки длянагнетания растворов, тампонирую­щие устройства; компрессор подачей не менее 1м3/мин с обеспечением давления 5—6 атм; силикато-разварочныеустановки для разварки силикат-глыбы; для газовой силикатизации баллоны суглекислым газом; шланги; соединительные части; краны; контрольно-измеритель­наяаппаратура (манометры, термометры, ареометры); емкости для приготовления ихранения растворов; гид­равлические домкраты грузоподъемностью 5—10 т илишарнирный станок для извлечения инъекторов из закрепленного грунта.

Существует схема, характеризующая весь технологический процесс работ похимическому закреплению грунтов однорастворным и двухрастворным способамисиликатизации, а также способом смолизации, которая приведена на рис. 1.

Технологический процесс и оборудование несколько изменяется в зависимостиот применяемого способа. При двухрастворной силикатизации по приведенной схемеорганизации работ путь, который проходит силикат натрия, начинается сдоставляемой “навалом” с заводов силикат-глыбы, развариваемой на месте в автоклавах.

После автоклавов раствор силиката натрия нагревают для снижения вязкостидо 60°С или до предусмотрен­ной проектом температуры. Из запасных чанов, пройдянасосы и затем пульт, где регулируются расход и давле­ние нагнетаемогораствора, силикат натрия закачивается через систему инъекторов в грунт.

/>

Рис. 1. Схема механизации работ при закреплении грунтов

1 – забивка инъектора электрокором; 2 – то же, пневмомолотом; 3 –пультовые распределители реактива; 4 – насосная; 5 – силикаторазварочный узел;6 – котельная; 7 – компрессорная; 8 – емкости для растворов CaCl2.

Путь раствора хлористого кальция аналогичен пути раствора силикатанатрия.

Из схемы ясно, что каждый из растворов имеет свое насосное оборудование исвою регулирующую сеть, но один и тот же инъектор. В этом случае переднагнетани­ем хлористого кальция необходимо прокачать через инъ­ектор небольшуюпорцию воды, что в значительной сте­пени предохранит инъектор от образования внем кремнегеля.

Наряду с оборудованием для забивки инъекторов, станками для буренияскважин, насосным оборудовани­ем и разводящей сетью, снабженной манометрами,рас­ходомерами и пр., площадка, где производится закреп­ление грунтов, должнабыть снабжена электроэнергией, водой и' сжатым воздухом.

Наконец, производство работ по химическому закреп­лению грунтов должнобыть обеспечено постоянным кон­тролем за качеством применяемых растворов изакреп­ленного грунта.

/>Инъекторы

Конструкция инъектора и механизма для его погру­жения в грунт зависит отхарактера и мощности подле­жащего закреплению грунта (рис. 2).

/>Рис. 2. Схемызабивки и задавливания инъекторов

При закреплении грунта на глубину до 20 м применя­ют инъектор, состоящийиз наголовника, колонн глухих звеньев труб, перфорированного звена, наконечникаи соединительных частей-ниппелей. Забивку инъектора на глубину до 20 м впесчаные и лессовые грунты можно осуществлять отбойными молотками (рис. 2, а).

Закрепление грунтов на глубину до 30 м требует применения более прочногоинъектора, сделанного из цельнотянутых труб диаметром 58—62 мм. Перфориро­ваннаячасть такого инъектора имеет длину 1,5—2,0 м, а отверстия во избежание ихзасорения закрыты резино­выми кольцами. Погружение таких инъекторов осущест­вляетсяболее мощным оборудованием (рис. 2, б).

Забивку инъекторов выполняют как с поверхности земли, так и из подземныхвыработок. Для забивки инъ­екторов применяют преимущественно механизмы, обору­дованныепневмоударниками или пневматическими мо­лотками типа перфораторов. Например,используют бу­рильный станок с пкевмоударником   СБУ-100 или НКР-ЮОМ,смонтированный на ходовой тележке СБУ-2 или КБУ-50, а также различные опытныеустановки типа портативных передвижных копровых установок.

Для извлечения инъекторов кроме указанных выше установок можноиспользовать гидравлические спарен­ные домкраты грузоподъемностью до 10т.

При силикатизации просадочных лессовых грунтов с влажностью 16—20 %инъекцию силикатного раствора плотностью 1,13—1,20 г/см3 можноосуществлять с помо­щью забивки инъекторов (рис. 2, в) или через стенкипробуренных скважин (рис. 2, г). Для этого бурильным станком ЦГБ-50 проходятскважину глубиной, равной длине первой заходки. Длина заходки в существующейпрактике составляет 2—3 м. Затем в верхней зоне за­ходки устанавливают надувнойтампон, через который по шлангу от насоса раствор нагнетают в грунт. Затемтампон вынимают из скважины и производят ее бурение на длину следующей заходки.Так повторяют на всю глу­бину закрепления просадочного лесса.

При химическом закреплении песчаных грунтов на глубине 50—150 м, как этобыло при создании противофильтрационной завесы в основании Высотной Асуан­скойплотины, нагнетание химических растворов осуще­ствляют через манжетныеинъекторы, опускаемые в про­буренную под защитой глинистого раствора скважинудиаметром 120—150 мм. Скважину пробуривают на всю глубину закрепляемой зоны,затем в скважину, запол­ненную глинистым раствором (благодаря чему стенки ее нетребуют крепления), погружают инъектор с резиновы­ми манжетами, закрывающимиего отверстия. После этого через нижнюю манжету с применением тампона нагнетаютцементно-глинистый раствор, который запол­няет зазор между инъектором и стенкойскважины. Этот •вариант позволяет в дальнейшем нагнетать закрепляю­щий растворв любой зоне инъектора (рис. 2, д). Манжетный инъектор может быть использовандля закрепления грунта под существующими зданиями путем задавливания его изспециально подготовленной траншеи (рис. 2, е).

Таким образом, применение инъекторов различной конструкции позволяетнагнетать химические растворы на требуемую глубину.

/>Требования,предъявляемые по забивке инъекторов

К работам по забивке инъекторов предъявляют сле­дующие требования:

1) инъектор должен быть забит строго по указанному в проекте направлениюи с точностью угла наклона 2—3°;

2) забивка должна быть произведена на заданную глубину в возможнокороткий срок;

3) при забивке оборудование нс должно подвергать­ся сильному износу.

Перечисленные требования предъявляют, в свою оче­редь, серьезныетребования к механизмам и оборудова­нию, применяемому на этих работах.

Производить забивку инъекторов в вертикальном и наклонном направлениях, атакже извлекать их из грун­та можно с помощью портативной копровой установки сперфоратором КЦМ-4. Она состоит из сварной рамы, трубчатых направляющих, покоторым перемещается перфоратор, и ручной лебедки.

/>Списоклитературы

1.   Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов. – М.: Стройиздат,1980.-119 с., ил.

2.   Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. – М.:Стройиздат, 1986.-264 с.: ил. – (Надежность и качество).