3.2. Закрепление грунтов оснований (ч. 1)
Для повышения прочности оснований эксплуатируемых зданий и сооружений и предотвращения развития в их конструкциях деформаций аварийного характера, а также для выполнения работ по реконструкции существующих фундаментов и их оснований широко применяют различные методы закрепления. В зависимости от технологии закрепления и процессов, происходящих в грунте, методы закрепления оснований можно разделить на три основных вида: химическое, термическое и физико-химическое. Закрепление оснований не требует перерыва в эксплуатации зданий и сооружений, является достаточно быстрым, надежным, а в ряде случаев единственно возможным мероприятием по упрочнению грунтов с недостаточной несущей способностью.
Способами закрепления являются: силикатизация, электросиликатизация, газовая силикатизация, аммонизация, смолизация [39, с. 234— 273; 40, с. 29-38; 41, с. 99—228; 42, с. 29—254; 43, 47, 48, с. 390—404] и др. Химическое закрепление используют также для усиления существующих фундаментов и подпорных стен, увеличения несущей способности свай, защиты фундаментов от агрессивных воздействий, а также для закрепления откосов котлованов и земляных сооружений.
Основным материалом для силикатизации является жидкое стекло — коллоидный раствор силиката натрия (Na2O · nSiO2 + mН2О). В зависимости от вида, состава и состояния закрепляемых грунтов применяется одно- и двухрастворная силикатизация,
Однорастворная силикатизация основана на введении (инъецировании) в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов. Получили распространение силикатно-фосфорнокислые, силикатно-алюмо-сернокислые, силикатно-фтористосернокислые, силикатно-фтористоводородные и другие составы. Однорастворный способ используется для закрепления лессовых просадочных и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5—5 м/сут.
Двухрастворный способ силикатизации применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации до 0,5 м/сут и заключается в поочередном нагнетании (инъецировании) в грунт двух растворов: силиката натрия и хлористого кальция. В результате химической реакции образуется гель кремниевой кислоты, придающей грунту в короткие сроки высокую прочность (до 2—6 МПа) и водонепроницаемость.
Электросиликатизация основана на сочетании двух методов воздействия на грунт — силикатизации и постоянного электрического тока и предназначена для закрепления переувлажненных мелкозернистых песков и супесей с коэффициентом фильтрации до 0,2 м/сут.
При газовой силикатизации в качестве отвердителя силиката натрия используют углекислый газ. Способ позволяет закреплять песчаные грунты (в том числе карбонатные) с коэффициентом фильтрации 0,1—0,2 м/сут и лессовые грунты, а также грунты с высоким (до 0,2) содержанием органических веществ. Прочность закрепленного грунта составляет 0,5—2 МПа и достигается в кратчайшие сроки.
Аммонизация заключается в нагнетании в грунт под небольшим давлением газообразного аммиака. Способ применяют для придания лессовым грунтам свойства непросадочности.
Смолизация представляет собой закрепление песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5—5 м/сут и лессовых грунтов путем инъецирования в них водных растворов синтетических смол (карбамидных, фенольных, фурановых, эпоксидных и др.). Эффект смолизации возрастает при добавлении в закрепляющий раствор соляной кислоты (для песчаных грунтов или при предварительной обработке его углекислым газом (для лессовых грунтов). Время гелеобразования легко регулируется количеством вводимого отвердителя. Закрепленному смолизацией грунту сообщается водонепроницаемость и прочность на сжатие до 1—5 МПа.
По характеру расположения инъекторов химическое закрепление может быть вертикальным, наклонным, горизонтальным и комбинированным (рис. 3.6, а, б, в и г соответственно). Схемы зон закрепления в плане устраивают ленточными, сплошными, прерывистыми, кольцевыми и фигурными (рис. 3.7). Выбор способа и схем закрепления зависит в основном от характеристик основания, формы и размеров фундамента, действующих нагрузок.
В нашей стране и за рубежом уже накоплен большой опыт химического закрепления фундаментов существующих зданий. Так, способом однорастворной силикатизации были закреплены основания, в том числе из насыпных и просадочных грунтов, под фундаментами отдельных зданий Московского Кремля, театральных зданий в Москве, Ленинграде, Одессе, Куйбышеве, Запорожье, жилых и административных зданий в Москве, Ташкенте и Ростове-на-Дону, а также при строительстве метрополитена в Москве, Ленинграде, Харькове [46; 41, с. 99—228]. С помощью двухрастворной силикатизации в Москве закреплены грунты под фундаментами концертного зала, кинотеатра и ряда жилых зданий. Одно- и двухрастворная электросиликатизация применена при закреплении обводненных лессовидных грунтов под фундаментами промышленного здания в Таганроге и ряда зданий в Ростове-на-Дону, плывунных грунтов при надстройке тремя этажами существующего трехэтажного здания в Ленинграде [45]. В ФРГ силикатизация используется при усилении фундаментов, связанных с прокладкой метро, реконструкцией промышленных и жилых зданий, сохранением памятников архитектуры [47]. В аналогичных целях закрепление силикатизацией широко применяется в Англии и Японии [48, с. 390—404, 511—518], здесь же этот способ используется для закрепления откосов, оползневых склонов и создании противофильтрационных завес.
Способом газовой силикатизации, разработанным и впервые примененным в нашей стране для закрепления грунтов, осуществлено усиление оснований под фундаментами жилых и промышленных зданий в Ногинске, Запорожье, Москве, Пярну и других городах, а также церкви Св. Лазаря в Московском Кремле.