Использование вспененных растворов для укрепления грунтов

Использование вспененных растворов для укрепления грунтов

Особенности взаимодействия инженерного сооружения с геологической средой определяются сочетанием типа сооружения с типом среды как принципиально различных по материалам: материал геологической среды живет по природным законам, а материал инженерного сооружения по техническим. Задача проектировщика состоит в том, чтобы из разнообразия материалов создать единую природно-техническую систему, функционирующую в оптимальном по некоторым фиксированным критериям режиме.

Природно-техническая система (ПТС) должна обеспечить устойчивость, целостность, работоспособность инженерного сооружения в данных инженерно-геологических условиях и ограничить изменение геологической среды под воздействием инженерного сооружения в оптимальном диапазоне по тем же ранее выбранные критериям оптимальности.

Как показывает опыт проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений, даже в простейшей ПТС взаимодействие отдельного инженерного сооружения с геологической средой представляют собой сложный процесс. В большинстве случаев мы имеем дело не с отдельным сооружением, а с комплексом инженерных сооружений, включенных в некоторую инфраструктуру.
Зона взаимодействия комплекса сооружений с геологической средой существенно шире, а их взаимодействия значительно сложнее. Именно такие взаимодействия вызывают наиболее глубокие изменения геологической среды и нередко требуют осуществления защитных мероприятий, обеспечивающих как надежную работу комплекса, так и ограничение последующих негативных изменений геологической среды.

К наиболее распространенным факторам техногенного воздействия на массив горных пород при строительстве подземных сооружений относятся следующие:

• нарушения естественного напряженного состояния массива пород, приводящие к развитию давления;
• дренирование подземных вод (постоянное) изменяет гидрогеологический режим целых регионов и приводит к выщелачиванию, изменяет гидрохимический режим не только подземных, но и поверхностных вод;
• нарушение температурного поля породного массива, прилегающего к подземному сооружению.

Известно, что в основе большинства инженерно-геологических процессов и явлений лежат свойства пород (грунтов), которые в конечном счете влияют на устойчивость сооружений, условия производства строительства и горных работ, возможности использования их в качестве материала и т.д.

Таким образом, изменяя свойства пород, можно в значительной степени оказывать влияние на состояние ПТС, т.е. иметь возможность управлять ею.

В настоящее время в России и за рубежом применяется значительное количество разнообразных методов, позволяющих успешно улучшать природные свойства грунтов.

Одними из таких методов являются методы физико-химического изменения свойств грунтов, которые помимо их уплотнения, обеспечивают также их укрепление за счет введения в грунт различных видов растворов.

Характер изменения свойств грунтов при этом сводится в первую очередь к значительному увеличению прочности, водо - и морозостойкости, уменьшению водопроницаемости грунтов в результате изменения состава и характера структурных связей. Основными процессами, приводящими к образованию новых структурных связей в грунтах, являются: адсорбция, ионообмен, коагуляция, диспергация, адгезионное взаимодействие, полимеризация, поликонденсация, кристаллизация, гидратация, гидролиз, электроосмос, электрофорез и ряд других сложных химических реакций.

Работы по физико-химическому укреплению грунтов и борьба с притоками грунтовых вод в подземные сооружения методами инъекции связаны со значительными расходами инъектируемых материалов (цемент, глина, силикат, смолы и т.д.), которые в отдельных случаях превышают десятки тысяч тонн. Это может быть вызвано наличием в грунтовом массиве карстовых пустот, сильной, трещиноватостью или большими скоростями движения подземных вод.

В отечественной и зарубежной практике имеется немало примеров применения инъекции для обработки сильно трещиноватых грунтовых массивов. В качестве инъекционного материала в таких случаях применяют цементный раствор с наполнителями (песок, зола, глина и т.п.) и без них, а в ряде случаев бесцементные растворы.

Однако, используемые для этих целей материалы не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к инъекционным раствором для заполнения крупных трещин и пустот, а, следовательно, являются малоэффективными и неэкономичными.

Например, чистоцементные растворы вследствие большого расхода вяжущего (содержание цемента в 1 м3 раствора может достигать 1000 кг) являются дорогостоящими, а невозможность регулирования радиуса распространения раствора в уплотняемой породе приводит к большим потерям раствора, который распространяется за пределы запроектированной зоны укрепления. Бесцементные инъекционные растворы размываются водой, не обеспечивают монолитности и достаточной несущей способности грунта. Цементные растворы с различными наполнителями недостаточно эффективны при уплотнении полостей, заполненных водой.

При заполнении таких пустот, как правило, происходит расслоение раствора с вымыванием цемента, в результате чего не достигается предусмотренная прочность. В таких случаях целесообразно использовать растворы, имеющие максимальную стабильность, минимальную усадку после отверждения, способность не разбавляться водой и иметь ограниченный радиус распространения.

Исследования, проведенные к настоящему времени и, в основном, зарубежный опыт укрепления грунтов в различных областях промышленного строительства показали, что приведенным требованиям в наибольшей степени отвечают вспененные (аэрированные) растворы.

Вспененные растворы на основе минеральных вяжущих представляют собой материалы, включающие твердую, жидкую и газообразную фазы. Аэрированные растворы могут, быть получены на основе минеральных и органических вяжущих физическим, физико-химическим и химическим путем.