Техническая мелиорация грунтов — один из важных разделов грунтоведения (и, следовательно, инженерной геологии), задачей которого является теоретическая и экспериментальная разработка различных методов улучшения или коренного изменения свойств грунтов в соответствии с запросами и спецификой различных видов строительства (в том числе автомобильных дорог и аэродромов).
Практическая значимость технической мелиорации грунтов значительно возросла в последние годы, поскольку разрабатываемыми ею методами решается сложная проблема целенаправленного искусственного изменения свойств горных пород и почв в нужном для человека направлении.
В настоящее время во многих зарубежных странах находят практическое применение десятки различных методов и приемов, позволяющих успешно улучшать природные свойства грунтов, используя их при строительстве различных инженерных сооружений.
^
ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ГРУНТОВ (от лат. melioratio – улучшение), искусственное улучшение природных свойств грунтов для различных хозяйственных целей. Техническая мелиорация грунтов бывает поверхностной и глубинной.
Поверхностные методы мелиорации применяются при строительстве дорог, аэродромов, а также осушении и орошении сельскохозяйственных земель. К поверхностным методам улучшения грунтов относятся укрепление грунтов нейтральными (гравийные, песчаные, глинистые) добавками, различными вяжущими веществами (цемент, известь, смолы, полимерные материалы), уплотнение механическими нагрузками (трамбовки, вибраторы, катки), термическая обработка грунтов. В настоящее время активно ведутся работы по созданию эффективных, экологически безопасных реагентов, обеспечивающих повышение прочности грунтов, новых материалов, позволяющих армировать грунты (геотекстиль), уменьшать или максимально снижать водопроницаемость (полимерные пленки).
Осушительная мелиорация направлена на преобразование переувлажненных угодий в плодородные земли и включает в себя строительство осушительных систем, освоение и окультуривание осушаемых земель.
Оросительная мелиорация направлена на доставку и равномерное распределение воды на засушливых землях и включают в себя строительство поверхностных, почвенных оросительных систем или систем дождевания.
Оценка надежности технической системы методом разложения схемы ...
... — свойство объекта сохранять работоспособное со- стояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. 1.1 Показатели безотказности − вероятность безотказной работы — ... Анализ надёжности сложных систем имеет свои специфические особенности. Влияние различных отказов и снижение работоспособности элементов системы по-разному скажутся на ...
В связи со спецификой строительства и эксплуатационными требованиями различных видов сооружений в настоящее время сложилась дифференциация технической мелиорации грунтов на отдельные ее разделы. Каждый из выделяемых разделов в свою очередь может быть подразделен на отдельные методы укрепления в зависимости от применяемых вяжущих веществ или других реагентов, либо способов воздействия на грунт, преобразующих его свойства.
Для транспортного строительства наибольший практический интерес представляют методы так называемого поверхностного укрепления, которое, как правило, связано с нарушением естественной структуры и сложения грунта, с тщательным измельчением агрегатов грунта и принудительным перемешиванием с вяжущими материалами и другими реагентами. Важная особенность методов поверхностного укрепления грунтов – обязательное максимальное уплотнение готовых смесей при соответствующей оптимальной влажности. Такие методы обычно применяются при сооружении автомобильных дорог, аэродромов и железных дорог.
^
Выемки от поверхностных вод защищают путем устройства водоперехватывающих нагорных и водоотводящих канав или системы дренажей. Продольный уклон лотков или канав назначают в зависимости от рельефа местности и принимают равным не менее 0,003. На размеры лотков или канав и на методы их укрепления влияют приток воды и скорость течения.
Водоотлив применяют при незначительном притоке воды в выемки. Осушение выемки открытым водоотливом заключается в том, что ‘при разработке котлована в водоносном грунте подошве выемки придают небольшой уклон (рис.1) к устраиваему в самой пониженной части приямку (зумпфу), из которого воду откачивают насосами поршневым, диафрагмовым или центробежным, и отводят по лоткам или водоотводным канавам от выемки. Затем разработку котлована ведут наклонными слоями с заглубленным зумпфом.
Рис.1. Схема открытого водоотлива
а — из котлована; б — из траншеи; 1 — зумпф; 2 — ус
При разработке траншей зумпф устраивают в специальном отсеке траншеи, называемом усом.
Искусственное понижение уровня грунтовых вод является более совершенным, но и более сложным методом борьбы с их притоком в выемку. Понижение уровня грунтовых вод обеспечивают путем непрерывной откачки из специальных скважин, оканчивающихся ниже дна выемки.
В грунтах с высоким коэффициентом фильтрации (более 2 м/сут) можно понизить уровень грунтовых вод:
-
легкими иглофильтровыми установками;
-
эжекторными иглофильтрами;
-
водопонижающими скважинами, оборудованными глубинными насосами;
-
скважинами, сбрасывающими воду в нижележащие поглощающие слои или в специальные выработки, и др.
Иглофильтровые установки состоят из ряда стальных труб, погружаемых в грунт по периметру котлована или вдоль траншеи. К нижней части трубы присоединено звено для фильтра, состоящее из наружной перфорированной и внутренней глухой труб.
Искусственное закрепление грунтов
... уровня грунтовых вод Понижение уровня грунтовых вод – более совершенный, но более сложный метод борьбы с их притоком в выемки. Уровень грунтовых вод понижается путем непрерывной откачки из специальной скважины, сооружаемых в массиве грунта. Для искусственного понижения уровня грунтовых вод ...
Наружная труба внизу имеет наконечник с шаровым и кольцевым клапанами (рис.2).
На поверхности земли иглофильтры присоединяют водосборным коллектором к насосной установке (обеспеченной резервными насосами).
При работе насосов уровень воды в иглофильтрах понижается, и из-за дренирующих свойств грунта он понижается и в окружающих грунтовых слоях, образуя новую границу уровня грунтовых вод, называемую депрессионной кривой. Иглофильтры погружают в грунт через буровые скважины или путем нагнетания в трубу иглофильтра воды под давлением до 0,3 МПа (гидравлическое погружение).
Поступая к наконечнику, вода опускает шаровой клапан, а кольцевой клапан, отжимаемый при этом кверху, закрывает зазор между внутренней и наружной трубами. Выходя из наконечника под давлением, струя воды размывает грунт, обеспечивает погружение иглофильтра. Когда вода всасывается, из грунта через фильтровое звено, клапаны занимают обратное положение: шаровой клапан за счет разрежения поднимается, а кольцевой опускается, открывая воде, профильтровавшейся в зазор между обеими трубами фильтрового звена, путь в открытый снизу конец внутренней трубы.
Применение иглофильтровых установок наиболее эффективно в чистых песках и песчано-гравелистых грунтах. Наибольшее понижение уровня грунтовых вод, достигаемое в средних условиях одним ярусом иглофильтров, составляет около 5 м. При большей глубине понижения применяют двухъярусные установки.
Рис. 3. Схема эжекторной установки
а — эжекторная установка; б — схема действия иглофильтра; 1 — эжекторный иглофильтр; 2 — напорный коллектор; 3 — центробежный насос; 4 — циркуляционный бак; 5 — сливной коллектор; 6 — низконапорный насос; 7 — внутренняя труба; 8 — наружная труба; 9 — рабочая вода; 10 — эжекторная насадка; 11 — грунтовая вода; 12 — фильтровое звено
В эжекторной иглофильтровой установке вакуум создается в глубине иглофильтра, что обеспечивает более интенсивный отсос, воды и имеет исключительно важное значение при осушении грунтов с незначительной фильтрационной способностью. Один ярус иглофильтров позволяет уменьшить размеры котлована или траншеи, а, следовательно, и объем земляных работ.
Напряженность электрического поля 0,5 — 1 В/см, а плотность тока 1 А/м. Под действием электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается в сторону иглофильтров. За счет движения этой воды коэффициент фильтрации грунта увеличивается в 5 — 25 раз.
Рис.4. Схема водопонижения с использованием электроосмоса
1- иглофильтр; 2 — сборный коллектор;3 — стальная труба
Для понижения уровня грунтовых вод на глубину более 20 м применяют водопонижающие скважины. Скважины устраивают в обсадных трубах диаметром до 400 мм и оборудуют фильтрами. Воду из скважин откачивают высоконапорными насосами.
^
Совокупность воздействий, в результате которых повышается прочность грунта, он становится неразмываемым, а в некоторых случаях и водонепроницаемым, представляет собой искусственное закрепление грунтов.
замораживание, цементация, битумизация, химический, электрохимический
Замораживание грунтов применяют в сильноводонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок. Для этого по периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенные между собой трубопроводом, по которому нагнетают специальную жидкость-рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный холодильной установкой до -20…-25°С (рис.5).
Рис.5. Схема искусственного замораживания грунтов
Охлаждающие иглы состоят из наружных труб, закрытых и заостренных снизу, и внутренних, вставленных в них коаксиально и открытых снизу. Рассол поступает во внутреннюю трубу, а в нижней части колонки переходит в наружную трубу, по которой поднимается вверх, после чего направляется к следующей колонке. Окружающий грунт замерзает концентрическими цилиндрами с постепенно увеличивающимися диаметрами. Эти цилиндры смерзаются в сплошную стенку мерзлого грунта, которая выполняет функцию ограждения временной выемки.
Способ замораживания имеет следующие недостатки: временное сохранение эффекта (на период действия замораживающей установки), длительный процесс естественного оттаивания, повышение влажности грунта за счет миграции воды из теплых слоев грунта к охлажденным (под действием градиента температур) и др. Однако технология замораживания и технические средства для ее выполнения достаточно отработаны, и поэтому, несмотря на указанные недостатки, этот способ широко используют.
Цементация, Химическим
Химический способ может быть двух- и однорастворный. Двухрастворное закрепление состоит в последовательном нагнетании в грунт сначала водного раствора силиката натрия,а затем хлористого кальция. Растворы вступают в реакцию и образуют гель кремниевой кислоты, который обволакивает зерна грунта и, твердея, связывает их в монолит. Этот способ применяют в достаточно хорошо дренирующих грунтах (коэффициент фильтрации 2…80 м/сут).
При этом прочность грунта достигает 1,5… 3 МПа.
Рис.6. Схема установки для химического закрепления грунтов
а — установка; б — инъектор;1 — распределительный напорный коллектор; 2 — насос; 3 — емкость для раствора; 4 — инъектор; 5 — массив закрепленного грунта; 6 — слабый грунт; 7 — прочный подстилающий грунт; 8 — наголовник; 9 — глухие звенья; 10 — перфорированное звено (с отверстиями диаметром 1…3 мм); 11 — наконечник
Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) используют для слабодренирующих грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленного грунта 0,3… 0,6 МПа.
Раствор при химическом закреплении нагнетают специальными трубами-инъекторами, погружаемыми раздельно или пакетами по 5 шт. Расстояния между инъекторами принимают в зависимости от вязкости раствора и типа грунта, уточняют экспериментально.
Электрическим, Электрохимический
^
Как один из видов производства строительных работ закрепление грунтов в самом общем виде представляет собой целенаправленное искусственное преобразование строительных свойств грунтов посредством их химической или физико-химической, механической и термической обработки, с применением соответствующих технологий.
В зависимости от способа обработки грунтов, в результате которого улучшаются их свойства, закрепление грунтов подразделяется на следующие виды:
- химическое — когда его основу составляют химические и физико-химические процессы, возникающие в грунтах в результате в них определенных химреагентов;
- электрохимическое закрепление, основанное на вторичных химических и физико-химических явлениях электролиза, возникающих в грунтах под действием внешнего поля постоянного электрического тока;
- термическое закрепление, когда улучшение свойств грунтов достигается в результате их обжига в скважинах раскаленными газами или электропрогревом;
- термоконсолидация глинистых водонасыщенных грунтов, когда улучшение строительных свойств достигается самоуплотнением грунтов, обусловленным их нагревом в пределах 50-80 °С.
Химическое закрепление в зависимости от способа введения в грунты химреагентов имеет два направления:
- инъекционное химическое закрепление, когда реагенты в виде растворов или газов вводятся в грунты без нарушения их естественного сложения нагнетанием под давлением;
другими химическими реагентами и добавками при бурении скважин большого диаметра.
К первому направлению относятся способы силикатизации, смолизации, цементации; второе представлено способом буросмесительного закрепления илов и других сопутствующих им грунтов.
Здесь рассматриваются электрохимическое закрепление и термоконсолидация глинистых грунтов, а также закрепление глинизацией, учитывая сугубо специальный характер и весьма ограниченное практическое применение этих видов закрепления.
Каждый из способов закрепления имеет свою область применения, строго ограниченную номенклатурой грунтов и определенными характеристиками, а именно: водопроницаемостью и химическими свойствами для всех грунтов, степенью влажности и емкостью поглощения для глинистых грунтов и др.
Основные способы закрепления грунтов и примерные границы их практического применения по номенклатуре, влажности и водопроницаемости приведены в табл. 1.
Силикатизация и смолизация грунтов, в свою очередь, дифференцируются на ряд конкретных способов, которые различаются между собой химической технологией (рецептурой) и целенаправленно применяются для закрепления определенных разновидностей песчаных и просадочных грунтов сообразно их природным свойствам.
Закреплением указанными выше способами достигается значительное повышение несущей способности, прочности и устойчивости всех видов грунтов, с одновременным обеспечением их водостойкости, что открывает большие возможности для практического применения этих способов при строительстве в слабых грунтах.
Таблица 1
|
Способ закрепления |
Вид грунтов |
Природная степень влажности |
Коэффициент фильтрации, м/сут |
|
Силикатизация |
Просадочные лeссы, лeссовидные и некоторые виды покровных суглинков |
Не более 0,7 |
Не менее 0,2 |
|
Песчаные |
Независимо от влажности |
0,5-80 |
|
|
Смолизация |
Песчаные |
Независимо от влажности |
0,5-50 |
|
Цементация |
Пустоты большого размера. Трещиноватые скальные, крупнообломочные и гравелистые песчаные |
— |
Для скальных 0,01. Для нескальных 50 |
|
Буросмесительное закрепление |
Илы, а также сопутствующие им глины в суглинки мягкопластичной, текучепластичной, текучей консистенции, рыхлые и средней плотности пески |
— |
Независимо от водопроницаемости |
|
Термическое закрепление |
Просадочные лeссы и лeссовидные суглинки, непросадочные суглинки и глины |
Не более 0,5 |
Независимо от водопроницаемости |
Инъекционное химическое закрепление грунтов
Как один из видов производства работ в строительстве инъекционное химзакрепление представляет собой искусственное, целенаправленное преобразование строительных свойств грунтов обработкой их в естественном залегании различными реагентами. Для силикатизации и смолизации эта обработка основана на реакциях взаимодействия химреагентов между собой или с химически активной частью грунтов; для цементации — на химическом процессе твердения цементных растворов в крупных пустотах, трещинах и порах грунтов. При этом практически во всех случаях обеспечивается необратимость и, следовательно, долговечность приобретенных грунтами свойств.
Нагнетание в грунты химреагентов и их подбор по рецептурам составляют соответственно физико-технологическую и химико-технологическую сущность способов закрепления.
Инъекционное химзакрепление распространяется на грунты, обладающие более или менее значительной водопроницаемостью, включая песчаные, крупнообломочные, трещиноватые скальные и полускальные грунты, а также просадочные лeссы, лeссовидные суглинки и некоторые виды покровных суглинков.
Закрепление вечномерзлых грунтов, указанных выше литологических видов, возможно лишь после их предварительного оттаивания. Это относится также и к обычным мерзлым грунтам в деятельном слое. Закрепление этими способами ограничено также определенными температурными условиями.
Не подлежат закреплению грунты, пропитанные нефтепродуктами, и водонасыщенные грунты при скоростях грунтовых вод, больших, чем установленные для каждого способа величины. Возможность закрепления засоленных грунтов устанавливается специальными исследованиями в лабораториях и натурных условиях.
По сравнению с другими способами оно имеет два преимущества: одно заключается в том, что осуществляется без нарушения естественной структуры и сложения грунтов, практически исключает их деформации при производстве работ, второе — что под существующими сооружениями оно не нарушает их нормальной эксплуатации.
Посредством способа цементации, креме указанного в возможно заполнение пустот и полостей больших размеров, образующихся по разным причинам (в том числе карстового происхождения) под фундаментами и в основании существующих сооружений. Этим предотвращается обрушение кровли пустот и обусловленные им недопустимые локальные просадки грунтов, неизбежные при этом повреждения в наземных конструкциях. С помощью цементации крупных пустот в сочетании с силикатизацией и смолизацией грунтов, окружающих эти пустоты, успешно решают такие задачи, как усиление оснований и фундаментов существующих и возводимых вновь зданий и сооружений на закарстованных территориях.
Заключение
Широкое использование местных грунтов разнообразного состава, свойств и генезиса как основного сырья для получения полноценных строительных материалов с заданными свойствами — важная задача для народного хозяйства.
Разработка различных методов укрепления грунтов была начата в нашей стране в конце двадцатых и начале тридцатых годов. Уже с самого начала поисковые исследования имели естественноисторическую направленность, что, безусловно, было правильно и обосновано.
Многолетний опыт исследований показал, что при практическом внедрении методов укрепления грунтов требуется не только правильно и всесторонне учитывать свойства и генезис обрабатываемых грунтов, но и правильно использовать все факторы, определяющие естественноисторическую обстановку, в которой в дальнейшем будет эксплуатироваться автомобильная дорога или аэродром.
Следует отметить, что конечная задача различных методов укрепления грунтов — создание таких новых материалов, которые бы отвечали всем техническим требованиям, вытекающим из условий работы того инженерного сооружения, для которого они создаются. При этом должно максимально учитываться и использоваться влияние окружающих природных условий (геологии, климата, растительности).
Найти правильное решение в выборе применяемых методов и веществ, преобразующих первоначальные свойства грунта, можно лишь при комплексном учете естественно — исторических условий, а, следовательно, на основе познания свойств и состава грунтов, изучаемых методами, установившимися и инженерной геологии и грунтоведении.
Список использованной литературы:
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/metodyi-tehnicheskoy-melioratsii-gruntov/
-
Ананьев В.П., Воляник Н.В. Инженерное грунтоведение и техническая мелиорация грунтов: Учебное пособие. Ростов-на-Дону: РГАС, 1994. — 87с.
-
Справочник мелиоратора. М.: Россельхозиздат, 1976. 236 с.
-
Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов (техническая мелиорация грунтов) / Под ред. В.М.Безрука. — М.: Изд-во МГУ, 1973. — 376 с.
-
Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. — 263 с.
