Борьба с просадкой грунтов при помощи жидкого стекла

В первые несколько лет эксплуатации здания происходит сжатие грунтов под действием нагрузок. В следствии чего происходит осадка фундамента — он опускается на определенную величину. Опасней всего неравномерные осадки, которые являются причиной трещин, деформаций и прочих разрушений здания.

Различают два вида просадочных грунтов:

  1. когда просадка от собственного веса не превышает 5 см;
  2.  когда возможна просадка от собственного веса более чем на 5 см.

Просадки грунтов происходят по нескольким причинам.

Набухание грунтов в процессе их увлажнения приводит к последующим просадкам при высыхании. К просадочным относятся глинистые грунты, которые, находясь в напряженном состоянии, под действием нагрузки от сооружения или собственного веса при замачивании дают дополнительную деформацию — просадку.

Насыпные грунты (грунты с нарушенной структурой), образовавшиеся в результате отвалов, засыпки оврагов, котлованов, планировки сложного рельефа и т. п. сжимаются неравномерно и в большинстве случаев использоваться в качестве оснований не могут. При этом следует учитывать время их самоуплотнения. В отличие от естественных насыпные грунты имеют неоднородный состав и сложение, неравномерную сжимаемость, способность уплотняться с течением времени под действием собственного веса и приложенных нагрузок. В этом случае при сооружении фундаментов следует учитывать возможную степень и сроки самоуплотнения.

Для уплотнения грунта и уменьшения осадки находящегося на нем здания используют несколько различных методов. Одним из эффективных способов уплотнения грунта является его силикатизация.

Силикатизация предусматривает укрепление мелких и пылеватых песков и плывунов однорастворным или двухрастворным составами на основе жидкого стекла. При однорастворном составе используют силикат натрия — жидкое стекло и алюминат натрия. В двухрастворном составе вместо алюмината натрия используют хлористый кальций. Растворы нагнетают инъекторами под давлением 3—6 атмосфер, закрепляя грунт в радиусе 0,3—1 м. Способом силикатизации можно закреплять отдельные участки, а также целые массивы грунта. При сплошном закреплении массива грунта инъекторы располагают в шахматном порядке с расстоянием между рядами, равным 1,5 радиуса закрепления одним инъектором.

Состав, концентрация и количество клеевого раствора определяются с учетом:

  • физико-механических свойств грунта;
  • гидрогеологических условий на закрепляемом участке;
  • размеров закрепляемого участка;
  • сейсмической категории зоны строительства.

Процесс склеивания грунтов может осуществляться:

  • последовательно — сначала в грунт закачивается клей (жидкое стекло или водный раствор смолы), потом — отвердитель;
  • одномоментно — клей и отвердитель смешиваются до начала процесса, и получившаяся смесь закачивается в грунт.

Одномоментная силикатизация

Для закрепления мелких песков и плывунов разработан способ однорастворной силикатизации. Он основан на введении в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов, с вязкостью, близкой к вязкости воды (2—5 спз) и с замедленным (заранее заданным) временем гелеобразования. Одаорастворная силикатизация сообщает грунту водонепроницаемость, достаточно высокую механическую прочность и применяется для защиты котлованов от притока грунтовых вод; закрепления грунтов при проходке подземных выработок; создания водонепроницаемых завес в гидротехнических сооружениях; увеличения несущей способности грунтов под фундаментами зданий и сооружений (рецептура: силикат натрия+кремнефтористоводородная кислота).

При одномоментной подаче основного компонента клея и отвердителя требования к технологии подачи смеси повышаются, так как процесс схватывания компонентов клея начинается с момента соединения компонентов. Это неизбежно приводит к увеличению вязкости раствора и снижению его текучести. Это обстоятельство требует повышения скорости подачи раствора в инъектор и увеличения давления для обеспечения проникновения композита на заданную глубину инъектирования.

Силикатно-фосфорнокислая рецептура. В качестве отвердителя в данной рецептуре используется ортофосфорная кислота — Н3Р04. Широкого применения в строительной практике из-за дефицитности фосфорной кислоты рецептура не получила.

Силикатно-алюмосернокислая рецептура. Отвердителем в этой рецептуре является жидкое стекло кислого золя, состоящее из двух компонентов — серной кислоты и сернокислого алюминия. Использование серной кислоты в качестве коагулянта рентабельно. Однако она слишком быстро коагулирует жидкое стекло, вследствие чего затрудняется  регулирование  времени гелеобразования. Для замедления процесса коагуляции в раствор серной кислоты добавляют реагенты, выполняющие роль буфера в процессе гелеобразования. Таким реагентом и является сернокислый алюминий.

Последовательная силикатизация

Последовательная подача компонентов клея в грунт позволяет получить более прочное закрепление грунтовых структур. Первый компонент без отвердителя обладает большей проникающей способностью, и процесс схватывания начинается еще до ввода отвердителя, из-за взаимодействия с природными отвердителями, находящимися в самом грунте. Кроме того, последовательная подача компонентов в инъектор позволяет выиграть время на проведение работ и упростить технологию подачи растворов — производить их при меньших давлениях подачи. Закрепленный таким способом грунтовый массив более однороден, чем при одномоментной подаче компонентов клея в грунт.

Основу «жидкого стекла» составляет силикат натрия. Для обеспечения надежного схватывания грунта методом силикатизации используются следующие отвердители:

  • раствор хлористого кальция (32%);
  • раствор ортофосфорной кислоты (78%);
  • раствор кремнефтористоводородной или щавелевой кислоты;
  • алюминат натрия;
  • углекислый газ;
  • другие химические вещества.

В сложных гидрогеологических условиях или для укрепления особенно ненадежных грунтов используются цементносиликатные и глиносиликатные растворы, смешанные с отвердителями.

Силикатизация может быть двухрастворной, однорастворной и газовой.

Двухрастворная силикатизация применяется для укрепления хорошо дренирующих грунтов, например, гравелистых, крупных и средней крупности песков с коэффициентом фильтрации (kф) от 5 до 80 м/сут.

Однорастворная силикатизация применяется для укрепления слабодренирующих грунтов, например, для закрепления песков средней крупности, мелких и пылеватых с kф от 0,5 до 20 м/сут. При такой силикатизации в грунт нагнетается смесь жидкого стекла и отвердителя (кремнефтористо-водородной кислоты или ортофосфорной кислоты). При этом радиус закрепления составляет от 0,3 до 0,6 м, а прочность закрепленных песков — от 2 до 4 МПа.

При газовой силикатизации в качестве коагулятора жидкого стекла применяется углекислый газ, который закачивается в грунт до и после раствора силиката натрия.

Области применения клеевых технологий закрепления грунта

Силикатизация и смолизация используются для закрепления грунта под зданиями или сооружениями на весь период их существования. Применение этих способов особенно эффективно для песчаных грунтов и трещиноватых скальных пород. В то же время появление новых клеящих веществ позволяет использовать клеевые методы для закрепления более сложных грунтов, в том числе и просадочных. Полученное основание будет отличатся высокой надежностью и долговечностью. Поэтому силикатизация в основном применяется при подготовке оснований для таких сооружений, как высотные здания, плотины, дамбы, или для усиления оснований под уже построенными зданиями и сооружениями. Прочность закрепленного грунта сохраняется даже при воздействии на него воды, в которой растворены агрессивные химические вещества.

Грунт, который планируется закрепить тем или иным клеевым методом, должен обладать достаточной проницаемостью.