Химическое закрепление грунтов основания

 

Как показал многолетний опыт строитель­ства, в целях прекращения деформаций для усиления основания архитектурного памятника целесообразно применять химическое закреп­ление грунтов под фундаментами. Советская архитектурная практика в настоящее время располагает разными способами такого хими­ческого закрепления.

Успешному применению разработанных глубинных способов закрепления в значитель­ной степени способствовало установление опре­деленных границ применения той или иной ре­цептуры закрепляющих растворов в грунтах с определенным коэффициентом фильтрации. Здесь приводится таблица, в которой указаны химические реагенты, используемые в различ­ных рецептурах, границы применения этих рецептур, характер геля и закрепления По горизонтали в таблице приве­дены наименования грунтов и величина коэф­фициента фильтрации. При этом крупнозерни­стые, более проницаемые грунты расположены слева направо с постепенным уменьшением их водопроницаемости. Исходные материалы для закрепления грунтов представлены цементом, силикатом и смолами, а для введения химиче­ских растворов в глинистые грунты использу­ется постоянный электрический ток.

 

Архангельск. Колокольня Боровско-Успенской церкви. Схема выпрямления, выполненная П. Н. Покрышкиньш в начале XX в. Детали нижнего окна после выпрямления (а) и до выпрямления (б)

 

Классификация физико-химических способов закре­пления грунтов, разработанная проф. Б. А. Ржаницыным

 

 

Для хорошо проницаемых грунтов разра­ботана рецептура цементно-глинистых раство­ров. Эти растворы по сравнению с цементно-песчаными имеют преимущества, они легче прокачиваются насосами и меньше их изна­шивают, при продвижении в трещинах и по­рах грунтов двигаются как тиксотропные с тупым углом и дают 100%-ный выход водо­непроницаемого камня. Эти растворы целе­сообразно применять в песчано-гравелистых грунтах с коэффициентом фильтрации от 80 до 500 м/сут.

Учитывая, что современный крупный по­мол цемента не позволяет цементным части­цам проникать в поры песков, для закрепле­ния этих грунтов применяется раствор, со­стоящий из силиката и глины. При этом в зависимости от качества используемой глины границы применимости характеризуются грун­тами с коэффициентом фильтрации от 60 до 100 м/сут при использовании местных глин и от 20 до 50 м/сут при применении бентонито­вых глин. Для прочного закрепления песча­ных грунтов разработан способ, основанный на поочередном нагнетании в песчаный грунт двух растворов: силиката натрия и хлористо­го натрия. Б результате химической реакции между этими растворами в порах грунта вы­деляется гель кремниевой кислоты, грунт бы­стро закрепляется, становится водонепроница­емым с прочностью 20—60 кгс/см², а само закрепление долговечно.

Для мелкозернистых песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации от 0,5 до 5 м/сут, разработан способ однорастворной силикатизации с помощью фосфорной кисло­ты, серной кислоты и сернокислого алюминия, алюмината натрия и кремнефтористоводородной кислоты. При этом способ однораствор­ной силикатизации с помощью кремнефтори-стоводородной кислоты наиболее эффективен и дает значительную прочность закрепления порядка 20—50 кгс/см². Кроме того, он поз­воляет закреплять мелкие песчаные грунты с любым содержанием гумуса. Эта категория грунтов может быть также успешно закрепле­на разработанным в последние годы спосо­бом газовой силикатизации, основанным на поочередном нагнетании в грунт силиката натрия и углекислого газа по схеме; СО₂ — силикат натрия — СО₂. Грунт при этом при­обретает прочность, равную 8—15 кгс/см².

Начиная с 1959 г. в строительстве приме­няется разработанный Институтом оснований способ закрепления мелких песков карбамидной смолой. Карбамидная смола, продукт поликонденсации формальдегида с мочевиной и ее производными, способна полимеризоваться при нормальной температуре в присутствии отвердителя  — соляной, щавелевой кислот или хлористого аммония. Закрепление мелкозер­нистых песчаных грунтов карбамидной смо­лой (КМ с отвердителем в виде 3- и 5%-ного НС1), обеспечивающее этим грунтам достаточ­но высокую прочность закрепления порядка   50 —80 кгс/см², успешно применяется в строи­тельстве. В связи с развитием химии и уде­шевлением исходных для закрепления хими­ческих продуктов он находит все более широ­кую сферу использования.

 

Для закрепления просадочных лессовых грунтов применяется однорастворная силика­тизация, заключающаяся в нагнетании в грунт силиката натрия с удельным весом 1,13. Прочность закрепления 15—40 кгс/см². Для закрепления глинистых грунтов используется явление электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов этим способом глини­стому грунту сообщается водостойкость и лик­видируется его пучинность.

Располагая таким арсеналом приемов химического закрепления грунтов при лечении основания памятника архитектуры, всегда можно подобрать, в зависимости от геологии участка и фильтрационных свойств грунтов, наиболее рациональный в данных условиях метод.

Уменьшение несущей способности естест­венных грунтовых оснований связано главным образом с лессовыми просадочными грунтами.

Одним из примеров значительных дефор­маций на таких грунтах и последующих меро­приятий по их ликвидации может служить Одесский оперный театр. Здание театра пост­роено в 1887 г. архитекторами Ф. Фельнером и Г. Гельмером (рис. 107, 108). Театр имеет 5 ярусов и двухэтажный подвал. Высота здания 30 м, площадь 5000 м², объем 100 тыс. м³. Ос­новной несущий остов здания — каменные стены из кирпича и плотного известняка. Фун­даменты здания ленточного типа из плотного известняка шириной от 2 до 0,6 м. В 1900 г. были обнаружены значительные неравномер­ные осадки: восточная сторона здания осела местами до 21 см, полы осели от 6,5 до 11 см. Некоторые стропильные фермы также значи­тельно изменились. Экспертная комиссия ре­комендовала исключить замачивание под фун­даментами путем прокладки коммуникаций в проходных тоннелях. Это было выполнено, но осадки продолжались.

Закрепление проводилось в полукруглой части здания в два ряда инъекторов, в прямо­угольной—в один ряд. Инъекторы забива­лись вертикально на расстоянии 10—15 см от стены (1 ряд) и на 1 м друг от друга. Забивка осуществлялась с помощью колонкового перфората КИМ-4, в котором бур был заменен бойком. Скорость забивки составляла 12— 20 м/ч, радиус закрепления от одного инъектора—0,6 м. Силикатный раствор рабочей концентрации нагнетали по заходкам сверху вниз, величина заходки 1,3 м. Число заходок зависело от мощности напластования лессо­вых грунтов и колебалось от 3 до 8. В каж­дую заходку нагнетали 514 л раствора. Нагне­тание раствора осуществлялось тремя шести-плунжерными насосами НС-1.Давление при нагнетании раствора в основном колебалось в пределах 1—-3 атм. Скорость нагнетания раствора в среднем составляла 4 л/мин. Од­новременно нагнетали в 6 и более инъекторов. За сутки при работе в 3 смены (по 18 человек в смену) закреплялось 50 м³ грунта.

Число инъекционных точек 2300. Общий по­гонаж забивки шгьекторов 22 тыс. м. Закачено раствора 5400 м^э. Израсходовано силикат-глыбы {разварка псоизволилась на месте) 1200 т.

Объем закрепленного грунта—15 436 м³. Контроль результатов работ показал монолит­ность закрепления и его кубиковую проч­ность, равную 15—25 кгс/см². Наблюдения, проводимые параллельно работам по силика­тизации, показали затухание осадок в процес­се работ, а по окончании работ полное их прекращение.

Гниение в насыпных грунтах органических примесей — одна из распространенных при­чин, вызывающих неравномерные осадки фун­даментов. Это в значительной степени объяс­няется тем, что памятники архитектуры чаще всего строились в сложившихся частях горо­да, где уже имелся значительный культурный слой.

Здание Потешного дворца в Московском Кремле подвергалось, например, незатухаю­щим осадкам в течение почти 300 лет. За это время они составили около 1 м. Причина — наличие в основании здания мощного слоя (10—11 м) насыпного грунта с большим со­держанием органических примесей, так как площадка, на которой был сооружен дворец, расположена рядом с царскими конюшнями. Неравномерное распределение органических веществ привело к неравномерным осадкам отдельных частей здания. В состав насыпных грунтов здесь входят пески, супеси, суглинки и перегной. Проектом усиления основания дворца предусмотрено химическое закрепле­ние грунтов, слагающих насыпную толщу. В результате проведения лабораторных работ на грунтах из основания здания в качестве закрепляющего раствора был рекомендован щелочной силиказоль следующего состава: силикат натрия с удельным весом 1,3 г/см³ (3,5 объема) + кремнефтористоводородная кислота с удельным весом 1,1 г/см³ (1 объем) со временем гелеобразования при температу­ре 14°С30—35 мин.

Предложенная рецептура была проверена в натурных условиях на одном из участков Потешного дворца путем инъекции закреп­ляющего раствора в грунт. Опытные работы, проводимые трестом Гидроспецстрой и Инсти­тутом оснований, предусматривали закрепление всех грунтов, залегающих ниже бетонного по­ла до глубины 7 м. Инъекция раствора в грунт осуществлялась через инъекторы, забитые в четырех точках, три из которых располага­лись по треугольнику на расстоянии 120 см друг от друга, четвертая—контрольная—внут­ри треугольника. Учитывая неравномерное за­крепление грунтов, инъекция раствора в грунт производилась короткими полуметровыми заходками. В каждую заходку нагнеталось до 150 л силиказоля со средним расходом 2—3 л/мин. При этом давление на насосе не превы­шало 2,5 атм. Результаты вскрытия шурфа се­чением 1,5×1,5 м и глубиной 5 м показали, что грунт по всей глубине имел прочное закрепле­ние. Предел прочности при сжатии отобран­ных образцов составил; для песков 15— 20 кгс/см², для супесей с большим содержа­нием перегноя 10—15 кгс/см², для перегноя от 5 до 2,5 кгс/см².

В 1970 г. в Московском Кремле проводи­лись работы по закреплению грунта в осно­вании церкви Св. Лазаря, для чего был при­менен новый способ закрепления — газовая силикатизация. Закреплено 100 м³ насыпного грунта. Результаты закрепления оказались положительными: прочность закрепления со­ставила 10—20 кгс/см².

При строительстве многих зданий, особен­но соборов, осуществлялась забивка коротких деревянных свай длиной около 1 м. Это поз­воляло уплотнить грунт на дне траншеи, за­тем засыпать ее камнем и залить известковым раствором. При строительстве Успенского со­бора в Москве в 1475—1479 гг. на мелких песках без перегноя архит. А. Фиорованти под всеми стенами забил деревянные сваи дли­ной 0,5 саж. Прошло 150 лет, сваи сгнили и стены получили значительные неравномерные осадки. При предварительных работах по закреплению грунтов в основании Успенского собора и расположенной рядом церкви Ризположения исследователи столкнулись с труд­ностями при инъекции закрепляющих раство­ров. Дело в том, что технология забивки инъекторов и закачки растворов, существующая до настоящего времени, пригодна при верти­кальном или наклонном положении вводи­мых в грунт инъекторов и для грунтов с сравнительно большой проницаемостью. В прак­тике химического закрепления все чаще при­ходится сталкиваться в малопроницаемыми грунтами и с условиями производства работ, когда вертикальная или наклонная забивка инъекторов по ряду причин невозможна. Именно такие условия и выявились на указан­ных объектах. В связи с этим была предло­жена схема горизонтального задавливания инъекторов в грунт, в основу которой заложен принцип продавливания труб при прокладке ряда трубопроводов и использование инъекто­ров с манжетным устройством.

 

 

Работа по новой схеме сводится к следую­щему: отрывается шурф, в котором одна из стен крепится целиком, другая (ближняя к фундаменту) имеет несплошное крепление, так как через нее ведутся работы по задавливанию инъекторов. У стенки со сплошным креплением устанавливается верти­кальная металлическая плита размером 1,5× ×1>5м, толщиной 2—З см для упора задавливающего механизма, который устанавлива­ется в шурфе. Один конец механизма закреп­лен на оси и упирается в металлическую пли­ту. Механизм может свободно разворачивать­ся под различным углом к оси (в одной пло­скости), благодаря чему можно получать ве­ерообразное расположение инъекторов в грун­те. Механизм может устанавливаться на лю­бую высоту, создавая таким образом массив закрепленного грунта любых габаритов. Инъектор для горизонтального задавливания изго­тавливается из металлических толстостенных труб диаметром 56—70 мм и собирается из секций длиной от 1 до 1,5 м. По длине инъектора через каждые 33 или 50 см просверлены по 4 отверстия диаметром 6—8 мм, закры­вающиеся манжетами из эластичного матери­ала.

Во многих зданиях, построенных 100 и бо­лее лет назад, фундаменты укладывались на лежни. Так, в Ленинграде при строительстве Московского вокзала в 1850-е гг. с целью перераспределения нагрузки на основание под фундаментами были положены лежни диамет­ром 20—25 см. Долгое время они находились ниже уровня грунтовых вод. В связи с устрой­ством тоннелей метро уровень грунтовых вод понизился, лежни оказались в зоне перемен­ной влажности и начали гнить. На стенах одно­го из залов вокзала в результате начавшейся осадки появились трещины. Непосредственно под фундаментом здания отсыпана песчаная подушка (1 м) из среднезернистого песка с коэффициентом фильтрации 10—15 м/сут; далее идет насыпной слой грунтов, состоящий из песка с примесью шлаков, битого кирпича и строительного мусора (1—2 м); ниже пылеватые пески (0,8—2 м) с коэффициентом фильтрации 0,2—0,7 м/сут; их подстилают слоистые суглинки.

Для прекращения деформации здания бы­ла предложена антисептическая обработка лежней раствором фтористого натрия с после­дующей их консервацией путем закрепления окружающего песчаного грунта карбамидной смолой. Смолизацией достигалось также уп­рочнение основания в тех местах, где лежни успели разрушиться. Кроме того, смола ввиду наличия в ее составе свободного формальде­гида, в свою очередь, обладает антисептичес­кими свойствами, что также способствует сохранению лежней. Поскольку основная цель работ — омоноличивание деревянных лежней, зона закрепления распространялась лишь на глубину до 1 м. Закачка растворов в грунт производилась в две заходки с помощью инъекторов, забитых с одной внутренней стороны стены под углом 45—60° на расстоянии 1,1 м друг от друга. Вначале в зону рас­положения лежней нагнетался 3%-ный ра­створ фтористого натрия. Через 3—4 суток про­изводилась закачка раствора соляной кисло­ты для предварительной обработки грунта, а затем закрепляющего раствора — смеси кар­бамидной смолы и соляной кислоты.

Для выполнения инъекционных работ бы­ла применена новая технология: нагнетание раствора в грунт проводилось с помощью пневмоустановки, а смешение растворов-ком­понентов (смолы и кислоты) осуществлялось в инъекторе, снабженном специальным наго­ловником с тройником. Общий объем работ составил 630 м³. Осмотр шурфов, вскрытых по окончании работ, показал, что омоноличи­вание лежней произошло полностью. Твердая масса, образовавшаяся в результате полимери­зации карбамидной смолы, равномерно запол­нила все поры грунта, а также все близкорас­положенные пустоты в нижней части фунда­мента. Испытание образцов закрепленного грунта показало прочность при сжатии, равную 8—15 кгс/см². Последующее регулярное наб­людение показало полное отсутствие осадки здания, деформация стен прекратилась. Эти­ми работами открылась еще одна область применения химического закрепления— кон­сервация деревянных конструкций под соору­жениями.

Вымывание мелких фракций песчаных грунтов, лежащих в основании зданий и со­оружений, при изменении режима грунтовых вод также часто вызывает осадку их фундамен­тов. Примером тому могут служить неравномерные осадки и деформация здания Воскре­сенского собора в Угличе—уникальногопа­мятника архитектуры XVII в., возникшие в связи с сооружением ГЭС. Для предотвраще­ния дальнейшей деформации в срочном по­рядке было осуществлено закрепление мел­кого водонасыщенного песка в основании со­бора способом смолизации с применением карбамидной смолы (КМ) и соляной кислоты.

Предварительно грунт обрабатывался 3 % -ным раствором соляной кислоты. Обработка грунта закрепляющим раствором велась метровыми заходками по глубине свер­ху вниз. Инъекторы располагались в восемь рядов по периметру фундаментов, из них че­тыре снаружи и четыре внутри помещения. Расстояние между инъекторами в ряду 1 м. Такое расположение инъекторов предусматри­вало создание под фундаментами полосы из закрепленного грунта шириной 8 м (при шири­не фундамента 2,5 м), глубиной 4 м. Ввиду наличия в верхней насыпной двухметровой толще включений кирпича, бе­тона, обломков древесины и другого строи­тельного мусора забивка инъекторов велась комбинированным способом. Сначала в на­сыпной грунт (неводонасыщенная толща) с помощью перфоратора до подошвы фундамен­та пробуривались скважины-шпуры, в кото­рые вставлялся и забивался до проектной глубины (6 м) инъектор. Для безотказной работы в условиях полного водонасыщения мелких песков инъекторы были снабжены за­щитными резиновыми кольцами. Закачка ра­створов в грунт производилась при помощи сжатого воздуха с применением пневмобака. В каждую заходку нагнеталось до 335 л со­ляной кислоты (для предварительной обра­ботки) и такое же количество раствора-кре­пителя. Средняя величина расхода раствора при давлении 5,5 атм составляла 7 л/мин. По окончании работ были пробурены конт­рольные скважины диаметром 127 мм в пяти точках ПО' периметру фундамента и отобраны керны закрепленного грунта для испытания на прочность. Средняя величина предела прочности при сжатии составляла 30 кгс/см². Осадки здания, за которыми в течение 8 мес. велись наблюдения, прекратились.

Гораздо реже причинами осадок становят­ся производство подземных выработок и со­трясение (вибрация) от промышленных уста­новок или транспорта. Так, в Ленинграде здание Театра оперы и балета им. Кирова со времени постройки неоднократно подвергалось реконструкции, что привело к неравномерным осадкам его отдельных частей. В 1958— 1960 гг. также проводились работы по рекон­струкции театра, и вдоль Крюкова канала были забиты сваи, что привело к резкому уве­личению осадок (80 мм за 1,5 года) и возоб­новлению деформаций. Под фундаментами и здесь залегает мелкий водонасыщенный песок с коэффициентом фильтрации 0,5—1,5 м/сут. Для закрепления был применен 25%-ный ра­створ карбамидной смолы (удельный вес 1,08 г/см³) и 3%-ный раствор соляной кис­лоты. Закрепление грунта проводилось только под стенами сцены здания. Общий объем закрепления составил 2000 м³. При выполнении.инъекционных работ эксплуатация театра не прекращалась. Прочность закрепления соста­вила 18—29 кгс/см². Осадки полностью прекра­тились.

Аналогичные по составу грунты находятся под Малым залом Ленинградской филармо­нии. Закрепление грунта здесь выполнялось в связи с сооружением второго наклонного хода станции метрополитена «Невский прос­пект», который проходили способом заморажи­вания. Вследствие последующего оттаивания можно было ожидать больших деформаций. Чтобы этого не случилось, грунт под ленточ­ными фундаментами на глубину 2,9 м был закреплен способом смолизации.

Химическое закрепление грунтов в сравне­нии с другими методами имеет ряд преиму­ществ: простоту производства работ; порта­тивность применяемого оборудования; корот­кие сроки выполнения работ; долговечность закрепления; возможность закрепления грунта на любой глубине без проведения каких-либо специальных выработок и земляных работ; возможность проведения подземных работ без прекращения эксплуатации здания или соору­жения. Приведенные случаи применения хи­мического метода закрепления грунтов под­тверждают эффективность и целесообразность использования этого метода в целях сохране­ния уникальных памятников архитектуры.

 

123	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: