СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 1997 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительству, а именно, к способам закрепления грунта, содержащего органические вещества, способные к сильной гидратации и набуханию, например, истинного плывуна.

Известен способ закрепления грунта [1] включающий нагнетание закрепляющего раствора. Однако этим нельзя достичь высокой прочности закрепления из-за значительной концентрации в грунте органических веществ, способных к сильной гидратации и набуханию.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ закрепления грунта [2] включающий осушение грунта и нагнетание закрепляющего раствора через грунтовые выемки.

Известный способ имеет следующие недостатки. Осушение грунта осуществляют до момента окончания процесса инъецирования закрепляющего раствора. Таким образом к началу твердения закрепленного грунта его природная влажность в окружающем массиве по существу восстанавливается (в маловажных и влажных грунтах за счет диффузии, а в обводненных за счет фильтрации). В то же время в закрепляемом грунте остаются органические вещества в гидратированном состоянии в гидратированном состоянии, влага в которых находится как на поверхности, так и во внутренних полостях молекул. То есть, они имеют значительный объем. Поэтому, если для закрепления грунта применяют раствор, для твердения которого влага не нужна (например, синтетические смолы), то наличие в грунте таких веществ приводит к снижению плотности образующегося композиционного материала, экранированию контакта закрепляющего состава с частицами вмещающего грунта, уменьшению прочности закрепления. Если же для твердения раствора вода необходима (например, раствор на основе портландцемента), то она поступает из прилегающего объема грунта; дегидратация молекул органических веществ при этом не происходит, они в процессе твердения занимают значительный объем и следствием этого является невысокая прочность закрепления.

Целью предлагаемого способа является повышение прочности закрепления грунта. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе закрепления грунта, заключающемся в осушении грунта и нагнетании закрепляющего раствора через грунтовые выемки, перед осушением и нагнетанием осуществляют инъецирование промывочной жидкости, ее откачивание, контроль за содержанием в грунте органических веществ и определение начальной прочности закрепленного грунта, при этом осушение осуществляют до набора закрепляемым грунтом начальной прочности, а при осушении удаляют из грунта несвязанную грунтовую воду и гидратационную воду органических веществ.

При этом, если для закрепления используют раствор на вяжущем, для твердения которого необходима вода (например, портландцемент), то при реализации предлагаемого способа имеют место следующие процессы. За счет инъецирования и откачивания промывочной жидкости из грунта удаляют органические вещества, которые находятся в поровой жидкости и частично в сорбированном на поверхности минеральных частиц состоянии. О процессе их удаления судят путем контроля их содержания в откачиваемой промывочной жидкости. Снижение концентрации органических веществ способствует повышению в дальнейшем прочности закрепления вследствие увеличения плотности получаемого композиционного материала и улучшения качества контакта цементного камня с поверхностью частиц грунта. После нагнетания закрепляющего раствора из-за невысокой влажности высушенного (до удаления несвязанной грунтовой воды и гидратационной воды органических веществ) грунта, окружающего закрепленный, имеет место следующее. Вода, использованная при приготовлении закрепляющего раствора, диффундирует в этот грунт и постепенно удаляется за счет продолжающегося процесса осушения. Тем самым количество влаги в закрепляемом грунте снижается, повышается концентрация растворенных продуктов гидратации, гидролиза вяжущего. Таким образом интенсифицируются процессы кристаллообразования, снижаетсявремя схватывания, возрастает скорость твердения закрепленного грунта. В то же время из-за снижения содержания в нем влаги идет процесс дегидратации молекул органических веществ с одновремменной их минерализацией, происходит их уплотнение, уменьшение занимаемого ими объема. Это приводит к повышению плотности и прочности закрепляемого грунта. При этом диффузия воды из внутренних полостей молекул органических веществ происходит постепенно. Это приводит к тому, что количество образующихся продуктов взаимодействия такой воды с вяжущим невелико, их кристаллизация происходит в малом объеме с образованием мелкокристаллической структуры. Площадь поверхности кристаллов возрастает, увеличивается и число точек контакта их с минеральной частью грунта. Этим так же объясняется повышение прочности закрепления. После дегидратации молекул органических веществ закрепленный грунт набирает начальную прочность и ее дальнейшее увеличение замедляется. В этот момент осушение грунта прекращают, влажность восстанавливается, происходит дальнейшее твердение закрепляющего раствора за счет диффузии воды в закрепленный грунт. Возможная гидратация и набухание органических веществ при этом приводит к созданию внутрипорового давления. Однако оно не может уже привести к нарушению структуры закрепленного грунта, а лишь способствует его дальнейшему уплотнению.

Если для закрепления грунта применяют раствор на вяжущем, для твердения которого вода не требуется (например, синтетические смолы), то при инъецировании промывочной жидкости, ее откачивании (с контролем за содержанием в грунте органических веществ) удаляют органические вещества; те что остались в результате осушения до удаления несвязанной грунтовой воды и гидратационной воды органических веществ занимают меньший объем. Следствием этих процессов является повышение плотности и прочности закрепления. Осушение продолжают до набора композиционным материалом начальной прочности, достаточной для восприятия внутрипорового давления при возможной гидратации органических веществ.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед осушением и нагнетанием закрепляющего раствора осуществляют инъецирование промывочной жидкости, ее откачивание и контроль за содержанием в грунте органических веществ и определение начальной прочности закрепленного грунта, при этом осушение осуществляют до набора закрепляемым грунтом начальном прочности, а при осушении удаляют из грунта несвязанную грунтовую воду и гидратационную воду органических веществ.

Известны технические решения [1] в которых грунт закрепляют путем нагнетания закрепляющего раствора. Однако решение со сходными признаками - предварительной инъецирование промывочной жидкости, ее откачивание с контролем за содержанием органических веществ в грунте, осуществление осушения до набора закрепляемым грунтом начальной прочности и удаление при осушении несвязанной грунтовой воды и гидратационной воды органических веществ отсутствует. Этим отличается предлагаемый способ от известных.

При закреплении маловажного грунта, содержащего органические вещества, способные к сильной гидратации и набуханию в количестве, не требующем промывки грунта перед закреплением, способ реализуют следующим образом (для закрепления применяют синтетические смолы). На строительной площадке устраивают две системы буровых выемок. Одну из них используют для размещения нагревательных устройств (в качестве таковых можно использовать, например, электронагреватели, известь негашенную и т.п.), а вторую для контроля за процессом осушения грунта и дегидратацией органических веществ, а после осушения для нагнетания закрепляющего раствора. Расстояние между выемками первой системы определяют исходя из требований осушения грунта, а второй из требований инъецирования закрепляющего раствора и осушения. Перед началом производства работ отбирают образцы грунта и определяют качественный состав и количественное содержание органических веществ, в том числе высокомолекулярных; устанавливают влияние влажности грунта и степени гидратации органических веществ на прочность закрепления. Затем осуществляют опытное закрепление на строительной площадке, уточняют технологические параметры процессов (температура осушения, расстояние между буровыми выемками, продолжительность осушения и набора грунтом начальной прочности и т.п.). Далее производят работы по осушению грунта, инъецированию закрепляющего раствора, продолжая осушение до набора грунтом начальной прочности. Затем осушение прекращают, извлекают инвентарные нагревательные устройства, а выемки, в которых они размещались, заполняют местным грунтом с его уплотнением.

Эффективность заявляемого способа, по сравнению с известным по прототипу оценивали по прочности образцов закрепленного цементацией песчаного грунта. Смеси цемента и грунта готовили с использованием портландцемента марки 300, его расход составлял 15,6% от массы песка. Песок использовали кварцевый с модулем крупности Мкр= 2,5, удельная поверхность 12,08 см²/г. Образцы формовали двух видов: в виде цилиндров (высота 5 см, диаметр 5 см) путем прессования цементогрунтовой смеси при давлении 0,7 МПа и в виде балочек (размер 4х4х16 см) с уплотнением смеси вибрационной нагрузкой (амплитуда 1,5 мм, частота 50 Гц). Песок предварительно подвергали биообработке суспензией микроорганизмов Bacillus species, присутствие которых характерно для микрофлоры грунта. Такую обработку осуществляли для получения в грунте продуктов метаболизма, в том числе высокомолекулярных, сильногидратированных экзополисахаридов, и проводили в течение 7 суток при температуре 20^oС. В качестве питательного субстрата использовали раствор мелассы в водопроводной воде с концентрацией сухих веществ от 0,1 до 6,0% от расхода цемента, используемого при закреплении. При биообработке обеспечивали полное насыщение пор грунта субстратом.

Для моделирования процесса закрепления грунта изготовленные образцы выдерживали по различным режимам. Первый режим выдерживания цилиндрических образцов соответствует условиям твердения по предлагаемому способу. При этом в первый период времени образцы твердели в воздушно-сухом состоянии (температура 20^oС, относительная влажность воздуха 65%), когда набор прочности цементогрунта сопровождается дегидратацией органических веществ и их минерализацией и уплотнением; второй периодвыдерживания характеризуется температурой 20^oС и относительной влажностью воздуха 100% При этом твердение образцов связано с гидратацией и гидролизом цемента водой, диффундирующей в цементогрунт из окружающей среды; третий период - соответствует условиям дальнейшего твердения после прекращения откачивания грунтовой воды в случае производства работ на обводненной площадке.

Второй режим выдерживания отличается от первого тем, что в первый период влажность воздуха 100% температура 20^oС. Поэтому степень дегидратации и уплотнения молекул органических веществ ( при твердении цементогрунта) меньше, чем по первому режиму выдерживания. Следовательно и прочность образующегося камня цементогрунта меньше. Второй период выдерживания - влажность 65% температура 20^oС; третий период, как и в первом режиме - в воде при температуре 20^oС. Второй режим выдерживания организован таким образом, чтобы была обеспечена одинаковая с первым продолжительность пребывания образца в нормальных и воздушно-сухих условиях, но в то же время достигалось существенное различие в первый период твердения.

Первую группу балочек выдерживали в воздушно-сухих условиях (влажность - 65% температура 20^oС), а вторую в воздушно-влажных (нормальных) условиях (влажность воздуха 100% температура 20^oС)<То есть первая группа образцов моделирует условия твердения цементогрунта до набора им начальной прочности по предлагаемому способу, а вторая по прототипу, когда в закрепляемом и смежном с ним массиве грунта осуществляют осушение грунта лишь до момента окончания работ по нагнетанию закрепляющего раствора.

Результаты испытаний образцов закрепленного грунта представлены в таблице.

(57) Изобретение относится к области строительства, а именно, к способам закрепления содержащего органические вещества грунта. Способ закрепления включает устройство буровых выемок, контроль за содержанием в грунте органических веществ, его промывку, осушение и инъецирование закрепляющего раствора. При осушении грунта осуществляют удаление несвязанной грунтовой воды и гидратационной воды органических веществ, осушение осуществляют до набора закрепляемым грунтом начальной прочности. 1 табл.

Способ закрепления грунта, включающий осушение грунта и нагнетание закрепляющего раствора через грунтовые выемки, отличающийся тем, что перед осушением и нагнетанием осуществляют инъецирование промывочной жидкости, ее откачивание, контроль за содержанием в грунте органических веществ и определение начальной прочности закрепленного грунта, при этом осушение осуществляют до набора закрепляемым грунтом начальной прочности, а при осушении удаляют из грунта несвязанную грунтовую воду и гидратационную воду органических веществ.