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.

В ходе реконструкции или строительства зданий и сооружений может возникнуть проблема недостаточно . Слабое грунтовое основание может не выдержать нагрузки от тяжелой постройки, поскольку оно принимает на себя весь вес.

Все грунты можно условно разделить на стабильные и нестабильные. Стабильные грунты представляют собой плотный сухой слой, способный выдержать любые нагрузки от фундамента или дороги. Нестабильный грунт требует осушения и уплотнения до необходимых критериев.

Методы укрепления грунта:

1. Механический.

Механический метод укрепления грунта подразумевает внедрение в основание высокопрочных изделий, таких как сваи или другие материалы (щебень), а также уплотнение с помощью утрамбовки или вибрирования.

2. Укрепление сваями из железобетона.

Смысл такого метода заключается в том, что прочная свая проходит через слой нестабильного грунта и упирается в плотный слой. Таким образом, нагрузка передается вертикально по свае. Она же удерживается за счет трения самого грунта о свою поверхность. Данный метод требует наличия дорогостоящего и громоздкого оборудования и достаточно большой строительной площадки.

Сваи могут быть:

• набивные - забиваются в грунт с предварительным бурением или сразу;
• буронабивные - в осадную трубу заливают жидкий бетон;
• вдавленные - погружаются в грунт машиной-домкратом.

3. Укрепление грунтовыми сваями.

Для создания грунтовых свай бурят отверстие, в которое засыпается смесь из гранулометрического заполнителя разной фракции. Сваи трамбуются послойно и считаются наиболее дешевыми и экологичными по сравнению с обычными железобетонными.

4. Утрамбовка, вибрация или замена грунтовой подушки.

Такие методы используют при небольшой толщине слоя с заданными свойствами. Утрамбовку производят катком (гладким или кулачковым), виброплитами или другим оборудованием с вибрацией. Все пылеватые грунты с песком трамбуют с применением воды. Такой метод наиболее оптимален для строительства дорог, аэродромов и прочих объектов с большой площадью. Если же данный метод по каким-то причинам применить невозможно, то строители извлекают слой слабого грунта и меняют его на прочный.

5. Цементация и инъекции в грунт.

Суть метода сводится к приданию грунту определенных свойств за счет добавления цемента в структуру.

Цементация представляет собой перемешивание грунта с раствором цемента. Для этого применяется шнековый бур с пустой штангой (отверстием по всей длине). Во время работы шнека через отверстие подается цемент, который перемешивается с грунтом. Такой метод недорогой и эффективный, поэтому его часто применяют во влажных грунтах.

6. Струйная цементация.

При струйной цементации раствор подается по трубке под высоким давлением. Таким образом, одновременно пробивается место для «инъекции», а раствор смешивается с грунтом. Для реализации этого способа необходима специфическая строительная техника.

Струйная и механическая цементация подходит для усиленных грунтов, на которых уже построены здания. Для работы в стесненных условиях строители используют компактные установки для цементных инъекций («джет-сваи»), которые можно вводить вертикально и под углом. Все работы происходят в ускоренном темпе и относительно бесшумно.

7. Укрепление плоскости грунта для дорожного полотна.

При обустройстве дороги используют комбинированные способы укрепления грунта под полотно, поскольку на протяжении дорожной линии он обладает разными свойствами. Чаще всего дорожные строители используют механический метод укрепления и утрамбовки поверхности.

8. Смешивание с природными гранулами.

При помощи добавления гранул в грунт можно изменить его свойства. Гранулометрический или другой наполнитель значительно повышает прочность основания. В зависимости от состояния грунта для стабилизации добавляют природные материалы: песок, щебень, глину, гравий и суглинок. Такой метод недорогой и экологичный, поскольку для повышения плотности не нужны химические компоненты. Процесс перемешивания грунта происходит в шнековом бункере.

9. Смешивание с минеральными вяжущими компонентами.

Самый известный способ – это известкование. Оно уменьшает липкость и пластичность глинистого грунта и делает его более устойчивым к размоканию. Но у метода есть существенный недостаток – небольшая морозостойкость. Как правило, известкование грунта используют при подготовке нижнего слоя подушки.

10. Смешивание грунта с органическим вяжущим компонентом.

Этот метод мало отличается от известкования, но здесь в качестве добавки используют смолу, битум, деготь или жидкую эмульсию. Эффект от использования вяжущих компонентов схож с предыдущим методом. Но материалы для такого уплотнения будут стоить существенно дороже. К тому же, они проявляют агрессивное воздействие на окружающую среду. По этой причине данный метод практически не используется. Строители предпочитают недорогие и проверенные способы уплотнения грунта. Иногда для повышения прочности достаточно укрепить участок дороги при помощи обычного мотокультиватора.

11. Осушение грунта

Одним из основных факторов слабого грунта может быть высокая влажность и наличие воды в составе. Если удалить лишнюю влагу, грунтовое основание станет более плотным.

12. Обжиг или термическое укрепление.

Такой метод очень эффективен при работе с глинистым грунтом. В заранее пробуренную скважину погружают перфорированную трубу из огнеупорной стали и в нее подают горячий газ. Лишняя влага полностью испаряется, а сама глина запекается. Особенностью метода можно назвать тот факт, что для разогрева газов используется природное топливо в виде угля или дров.

13. Смешивание грунта с химическим раствором.

Самый простой метод – это силикатирование. Он заключается в добавлении жидкого стекла в грунт с помощью раствора. Раствор нагнетают в заранее пробуренную скважину по трубам, которые потом извлекают. После такой подготовки грунт окаменевает. Но недостатком такого метода является низкая морозоустойчивость, быстрое затвердение материала и достаточно ограниченная область применения. Причем, в зависимости от состава грунта требуется определенный раствор химических реагентов для силикатирования.

14. Электрический метод.

Для укрепления используют электроосмос, в котором движение воды происходит от «плюса» к «минусу». Этот метод подходит для обезвоживания влажного грунта.

15. Электрохимическое укрепление.

Данный метод основан на добавлении в грунт химических растворов в определенных точках. Это энергоемкий процесс, нуждающийся в больших затратах электроэнергии. При хорошем уровне знаний дорожных специалистов электрохимический способ (с применением осмоса) можно использовать для постоянного отведения воды от фундамента.

16. Армирование.

При создании откосов или оформлении берегов при ландшафтном дизайне используется армирование полимерными конструкциями. Армирование одинаково эффективно на ровных или наклонных поверхностях дороги.

17. Георешетка.

Решетка для укрепления грунта представляет собой трехмерную конструкцию из перфорированных лент. Она придает хорошую прочность и удерживает грунт во всех плоскостях. Для этого в соты решетки засыпают мелкий наполнитель или обыкновенный грунт. Для утрамбовки его проливают водой. Толщина армированного слоя грунта обычно колеблется в пределах 10-25 см.

18. Геотекстиль.

Метод используют для многослойной подготовки грунтового основания. из прочного материала пропускает воду, но не позволяет другим слоям перемешиваться между собой. Таким образом он распределяет нагрузку между слоями.

19. Геосетка.

С помощью можно растянуть нагрузку на грунтовое основание. Сетку применяют довольно редко в качестве арматуры тонкого слоя и при сочетании с другими материалами.

20. Засев травой.

Метод декоративного укрепления откосов с помощью засева склонов травой очень эффективен при крутизне не более 1 к 1,5 м. При засеве грунт уплотняют механическим способом на не затапливаемых откосах. Выросшая трава хорошо предотвращает процесс эрозии и размывания почвы.

На приусадебных участках часто используют сочетание армированной технологии с засевом травой. С помощью сетки создаются интересные и оригинальные конструкции, в которые утрамбовывается грунт с семенами. Таким образом, можно создать невероятные ландшафтные формы и сохранить природную чистоту грунта.

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.

Перед возведением дома на своем участке обязательно нужно выполнить анализ грунта и выявить его характеристики, а главное, несущую способность и прочность. Важно заранее выяснить, выдержит ли земля нагрузки в виде дома и прилежащих построек.

Не всегда результаты анализа утешительны, тогда приходится менять планировку дома, отказываться от мансарды или второго этажа в угоду сухому расчету.

Однако не обязательно отказываться от своих планов, ведь можно выполнить укрепление грунтов, фактически изменив их состав, повысив прочность до нужной отметки.

Не всегда прочность и свойства грунтов соответствуют требованиям для осуществления задуманного строительства или переделки участка. Усиление грунтов часто единственный вариант для:

• постройки дома;
• восстановления несущей способности грунтов под эксплуатируемыми зданиями;
• ландшафтного дизайна;
• подготовки площадки под парковки, дороги и т.д.

Способ усиления подбирается индивидуально, исходя из анализов почвы, требуемой нагрузочной способности грунтов и даже доступности материалов и экономической целесообразности.

Постоянно появляются новые технологические подходы и приемы, с помощью которых рыхлые, пучинистые или заводненные почвы можно превратить в монолитную основу.

Цель любого усиления грунта заключается в повышении плотности почвы, снижении водопоглащения, придании почве морозостойких свойств и устойчивости к эрозии.

Под фундаментом

Схема укрепления под фундаментом

В лучшем случае усиление грунтов под фундамент выполняется еще на стадии разработки площадки . Есть возможность полноценно исследовать качество грунта, подготовить котлован и по всей площади выполнить усиление с применением простых подходов, таких как цементирование грунта или заливки специальных укрепляющих составов.

Сложнее выполнить усиление грунта под уже эксплуатируемым зданием. Часто возникают проблемы, когда под домом прочность грунтов снижается, притом неравномерно, что грозит усадкой и деформацией несущих конструкций.

Причиной могут быть:

• чрезмерное заводнение почвы и вымывание, например из-за вышедшей из строя дренажной системы или прорыва водопровода;
• последствие холодного пучения;
• эрозия почвы;
• некачественная утрамбовка и подготовка основания еще на стадии строительства, из-за чего часть площадки под фундаментом оседает быстрее и тянет за собой все строение.

Традиционным способом усиления фундамента долгое время были только сваи. Их приходилось заводить под фундамент и углублять, скрепляя после с основанием дома.

Однако эти работы можно выполнить либо частично разобрав дом, либо в ходе выполнения обширных земляных работ, в течении которых пользоваться домом невозможно и даже опасно.

Сейчас достаточно правильно подобрать один из многих вариантов усиления грунта, которые можно выполнить, даже не выселяя жильцов.

Ландшафтный дизайн

При обустройстве придомовой территории уже часто применяется ландшафтный дизайн с формированием холмов, искусственных водоемов, посадкой декоративных растений и т.д.

Выполнить переформатирование почвенного слоя достаточно легко, однако необходимо их закрепить так, чтобы со временем холмы не сровнялись, а насаждения оставались на месте.

Еще серьезнее ситуация обстоит с участками, которые по определению расположены на склонах гор и холмов. Почвы под собственным весом и при содействии обильного количества атмосферной влаги постепенно сходят вниз, что особенно касается верхнего плодородного слоя.

Закрепить форму ландшафта на участке, обеспечить прочность и стабилизировать почву помогают:

• многослойное усиление почвы геотекстилем;
• сети;

Фактически необходимо выполнить армирование почвы так, чтобы она удерживалась на одном месте. Основные требования к материалам армирования: стойкость к биологическому воздействию, коррозии и воздействию влаги, а также прочность и долговечность. Именно поэтому идеально подходят полимерные материалы.

Ячеистая структура или нетканое полотно из полимерных волокон эффективно армируют почву и при этом не мешают расти зеленым насаждениям, не создают преграду грунтовым водам.

Площадки

Участки под парковку, подъезды к дому, автодороги, игровые и развлекательные площадки следует готовить с особой тщательностью. Чтобы со временем основа под площадкой не деформировалась и не пучилась, важно выполнить усиление и стабилизацию грунта.

Чтобы не зависеть от свойств грунта, часто выполняют полное монолитное бетонирование или закладку другого типа фундамента, однако подобные работы сопряжены с большими затратами.

Усиление грунта под площадками можно выполнить с помощью цементирования или силикатизации. При этом фактически формируется бетонное основание, в котором наполнителем вместо гравия или щебня выступает имеющийся грунт в сочетании с классическими вариантами вяжущего вещества.

Методы и технологии

Выбор метода и средств по усилению грунта можно сделать только на основании подробного анализа грунтов и опираясь на проектные целевые значения нагрузочной способности.

Под определенные типы грунта допускается применение силикатных, полимерных или цементных составов, притом так, чтобы результат полностью соответствовал ожиданиям.

Для уже эксплуатируемых зданий, у которых возникли проблемы с прочностью грунта под фундаментом, специально разрабатываются инъекционные методы, способы, основанные на гидроразрыве пластов и т.п.

Притом лишь некоторые проверенные методики позволяют усилить грунт, уплотнить его, не прибегая к обширным земельным работам или без привлечения тяжелой техники.

Силикатизация грунтов

Действующее вещество – силикат натрия/калия (жидкое стекло), алюминат натрия.

Особенность процесса – силикаты через инъекционную трубу распределяются в объеме грунта.

Использование силикатов в качестве вяжущего вещества оправдывает себя для суглинистых, пылеватых песчаных почв и плывунов, там, где есть риск большого водонасыщения и смещения крупных пластов почвы, постепенного размывания.

Вяжущее вещество вносится в грунт инъекционным методом или путем прямого внесения и перемешивания. Эффективно сцепляет мелкозернистые компоненты почвы и образует прочный, монолитный столб сложной формы.

После усиления почвы получается основа с минимальным водопоглащением, прочная и долговечная, однако не выдерживающая сильных динамических нагрузок.

Цементом

Действующее вещество – Портленд цемент М400 в соотношении 5-10% от сухого объема почвенной массы.

Особенность процесса – цемент с порцией воды перемешивается с грунтом, после трамбуется и уплотняется.

Цемент способен связывать не только гравий или щебенку. Наполнителем может выступать и сам грунт под зданием или площадкой.

Есть три варианта усиления грунта с помощью цементного раствора:

• Перемешивание с почвенным слоем толщиной до 15-20 см по всей поверхности площадки под застройку с последующей утрамбовкой.
• Заполнение грунта инъекционным методом под существующим фундаментом или по площади для подготовки основы под фундамент.
• Формирование опорных колонн путем размывания грунта цементным раствором в ходе бурения.

Цементизация грунта

Какой вариант выбрать, определяется в индивидуальном порядке, опираясь на состав грунта, необходимую степень и качество усиления, формат строительства.

Вяжущим материалом

Наряду с силикатами и цементом применяются специально разработанные составы на основе полимеров для уплотнения и усиления грунтов. Отличным примером является разработка компании ANT для усиления грунта под автодорогами, строительными площадками, парковками и т.п.

Состав вяжущего вещества пропитывает грунт и укрепляет его в ходе уплотнения механизированным способом. Часто для достижения требуемой прочности покрытия площадки применяется совместно с портленд цементом М400.

Геополимерные колонны

Инновационный подход к проблеме усиления почвенной массы под уже функционирующими зданиями и фундаментами. В процессе работ бурится ряд отверстий по площади фундамента, и закладываются специальные капсулы и трубы с полимерным наполнителем и пластиковыми заглушками для труб https://www.metall-xl.ru/metalloprokat/plastikovye .

В ходе активной реакции наполнитель расширяется и тем самым уплотняет слабые грунты, повышая их нагрузочную способность.

Отличительной чертой метода является простой способ бурения и закладки оборудования. Нет необходимости разбирать здание или применять тяжелую технику.

Достаточно пробурить через черновой пол и основание фундамента отверстия малого диаметра до 10 см. Выхода действующего вещества не наблюдается, как в случае с закачкой цементного раствора, потому весь процесс особенно чист, что немаловажно для жилых домов.

Полимерные материалы не подвержены гниению или быстрому старению, нейтральны к любому биологическому или химическому воздействию.

Инъекционным методом

Основное преимущество инъекционного метода в возможности усиления грунта под уже функционирующими зданиями в ходе восстановительных и реставрационных работ. Раствор вяжущего вещества под большим давлением закачивается через инъекционные трубы с перфорацией в грунт на значительную глубину.

Состав растворов может существенно разниться от случая к случаю. Все зависит от состава грунта, его свойств и необходимой степени усиления.

Также отличаются и фактический набор технических средств, условий по закачке связующего средства. Для цементного раствора требуется давление порядка 200-600 атмосфер, для инициации гидроразрыва пластов.

В случае с силикатными наполнителями требуется давление всего 3-6 атм. с тем, чтобы заполнить специфические легкие типы грунтов и обеспечить хорошую проникающую способность.

Сетка для укрепления на склоне и наклонном участке

Для укрепления склонов холмов, участков с уклоном в горных районах, а также элементов ландшафтного дизайна применяется целый ряд полимерных материалов в виде сетей, ячеистых матов или нетканых полотен из полимерного волокна.

В зависимости от расчетного напряжения, угла наклона поверхности участка и ряда других факторов подбирается один из множества вариантов полимерных или стальных сетей для усиления грунта.

Основная идея использования сетей для укрепления грунта на склонах в том, чтобы не мешать росту и укоренению зеленых насаждений и не мешать нормальному движению воды, атмосферных осадков и грунтовых вод.

В качестве стандартного решения по склону снимается слой почвы толщиной до 50 см. После укладываются геоматы или сетка. Притом некоторые из сетей предназначены для дополнительного наполнения крупным гравием для дренажа почвы.

При необходимости сеть по верхнему краю и в середине дополнительно укрепляется штырями и столбами с большим заглублением. После этого армирующий слой покрывается почвенным слоем. В зависимости от нагрузок подбирается количество слоев сетки и варианты ее укладки.

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.