13.3 Укрепление грунта

Укрепление грунта по своей физической сущности, способам воздействия с целью придания им новых свойств подразделяется на уплотнение; закрепление (обжиг, замораживание, электрозакрепление); упрочнение (создание прочной структуры, создание дополнительной связи, увеличение агрегатности); химическое воздействие на свойства почвы. Каждый из этих методов характерно влияет на физико-механические и химические свойства почв, по своему определяет динамику их укрепления (таблица 1).

Наиболее распространённым из всех методов укрепления грунтов является их уплотнение.

Для этого способа разработаны и имеются технические средства, машины и механизмы, отработаны технологии работ и технологический регламент, изучено влияние этого способа на изменение водопроницаемости, плотности, порозности, фильтрационной способности и устойчивости.

Таблица 1 – Улучшение строительных и агрохимических свойств почвогрунтов

Способы улучшения	Характерные изменения свойств грунтов	Виды воздействий на различные грунты, породы и почвы
Уплотнение	Увеличение плотности, устойчивости, снижение водопроницаемости в результате изменения структурно-текстурных особенностей пород.	Изменения состояния пород	Водопонижение и осушение всех видов пород и грунтов, начиная от магматических, крупнообломочных и песчаных, до лессовых, глинистых и торфяников
			Виброуплотнение и уплотнение механическими нагрузками грубообломочных и песчаных пород механического уплотнения статическими и динамическими нагрузками лессовых, глинистых и рыхло-органических грунтов
		Заполнение пустот и трещин пород	Тампонирование глинистыми и глинисто-силикатными растворами скальных пород с жёсткими кристализационными связями и пород без связей (рыхлых грунтов) песков разной крупности и крупнообломочных пород
			Кольматация и глинизация пород с водно-коллоидными связями (пластичных грунтов, глин и лессовых грунтов)
			Регулирование гранулометрического состава рыхлых и пластичных грунтов (песков, супесей, лессовых грунтов и глин)

Продолжение таблицы 1

Способы улучшения	Характерные изменения свойств грунтов	Виды воздействий на различные грунты, породы и почвы
		Затирание	Особый вид уплотнения верхнего слоя почвогрунтов для снижения водопроницаемости
Упрочнение	Снижение скважности и пористости почвогрунтов, их водопроницаемости, увеличение их устойчивости, повышение физических свойств и прочности	Введение естественных и органических закрепителей	Тампонажное закрепление расплавленными битумами магматичными, грубообломочными и песчаных пород
			Укрепление битумными эмульсиями песчаных пород
			Горячая и холодная битумизация лессовых, глинистых, илистых и торфяников
			Тампонажное закрепление цементными растворами магматич. грубообломочных грунтов и пород
			Укрепление цементами с добавками извести и реагентов песчаных, лессовых, глинистых грунтов и торфяников
			Силикатизация магматических пород, лессовых и песчаных грунтов
			Ожелезение глинистых грунтов, супесей и суглинков

Продолжение таблицы 1

Способы улучшения	Характерные изменения свойств грунтов	Виды воздействий на различные грунты, породы и почвы
		Введение химических реагентов	Закрепление карбомидными смолами песчаных пород, полимерными материалами для создания дополнительной прочности и водопроницаемости
			Укрепление фурфуранилиновыми смолами и акрилитами лессовых глинистых грунтов и торфяников
		Приложение холода	Замораживание всех видов грунтов, начиная от магматических, грубообломочных и лессовых до лессов, глин, суглинков, супесей и торфяников
Закрепление грунтов и почв	Значительная стабилизация структуры почв и грунта, его изменения в сторону улучшения с агрономической и общестроительной целью	Приложение электричества и тепла	Электропрогрев и электрообжиг почвогрунтов магматических крупнообломочных и песчаных грунтов
		Электрохимическое воздействие	Воздействие электричества с целью химической ориентации солей и их закрепляющего действия на всех видах почв и грунтов
		Воздействие кратковременных электроимпульсов высокой мощности	Электрогидродинамическое воздействие на связные и несвязные почвы и грунты с целью увеличения их плотности и водонепроницаемости

Продолжение таблицы 1

Способы улучшения	Характерные изменения свойств грунтов	Виды воздействий на различные грунты, породы и почвы
Химическое воздействие на свойства почвы	Изменение уплотняемости, снижение пучинистости, увеличение водопрочности в результате изменения химического состава почвогрунтов и пород	Агрегация	Обработка сульфатными и карбонатными солями для агрегации частиц почвы и грунта
		Диспергация	Обработка солями одновалентных катионов, хлоридного состава для дисперации частиц почвы и грунта. Применяется на лессовых грунтах, глинах, суглинках, супесях и торфяниках
		Гидрофобизация	Гидрофобизация поверхностно-активными веществами лессовых глинистых, суглинистых, супесчаных грунтов и торфяников
			Гидрофобизация кремний-органичес-кими соединениями всех типов лессов, глин, суглинков, супесей, илов и торфяников

Существуют следующие виды уплотнения грунтов: механическое уплотнение, которое подразделяется на статическое, динамическое и вибрационное; самоуплотнение под действием воды.

Механическое уплотнение грунтов осуществляется машинами статического, вибрационного и динамического действия.

К машинам статического действия относятся катки кулачковые, гладкие, решётчатые и пневмошинные. Все они могут быть прицепными (гладкие, кулачковые) и самоходными (гладкие, решётчатые и пневмошинные).

Основной принцип уплотняющей машины динамического действия основан на использовании ударного эффекта. Для этих целей применяются трамбующие машины канатно-тросового, гидравлического и пневматического действия.

К динамическим трамбовкам относятся: краны, экскаваторы с трамбующими плитами; трамбующие машины на базе гусеничного трактора; вальцовая трамбовка на базе крана экскаватора; затирающая трамбовка на базе крана экскаватора.

Трамбовки пневматического действия работают в режиме циклического действия под влиянием сжатого воздуха и пара.

Уплотнение машинами с рабочими органами вибрационного действия осуществляется как в поверхностном слое виброплитами и лёгкими виброкатками, так и глубокое – специальными глубинными вибраторами и тяжёлыми виброкатками.

Самоуплотнение грунтов при контакте с водой основывается на уплотнении грунтов путём их замочки. Существуют технологии самоуплотнения при гидромеханическом способе их разработки, подачи и укладки в качественные насыпи; самоуплотнение грунта, отсыпаемого в воду (узбекский способ возведения плотин и дамб из лессовых грунтов) и самоуплотнение грунта при напуске воды (строительство качественных выемок и траншей).

В практике технических мелиораций основная цель уплотнения почвогрунтов сводится как к улучшению их строительных свойств, к снижению водопроницаемости, фильтрации и повышению устойчивости к размыву.

В первом случае уплотнение осуществляется для получения грунта с заданными физико-техническими и прочностными свойствами в основаниях гидротехнических и общестроительных сооружений, крупных насосных станций, ГЭС, шлюзов-регуляторов и других объектов.

Во втором случае уплотнение применяется для снижения водопроницаемости грунтов под флютбетами и основаниями сооружений, уменьшения или прекращения фильтрации через тело плотин, дамб и откосов каналов, а также для повышения их устойчивости к размыву в нижних бьефах сооружений, деривационных и мелиоративных каналах.

На уплотнение почвогрунтов влияют механический состав, связность, начальная плотность и влажность. Кроме этого, с точки зрения строительного производства, уплотнение зависит от толщины уплотняемых слоёв, способа уплотнения, параметров уплотняющих машин и механизмов и числа их проходов по одному месту. Для предварительных расчётов оптимальная влажность уплотнения грунтов может быть принята в следующих пределах (от массы сухой почвы): песчаные – 7-10 %; супесчаные – 9-15 %; суглинистые – 12-20 %; глинистые – 20-30 %; торфяники плавневых земель – 23-28 %.

Изменения плотности суглинков и глин плавней Кубани и их водно-физических свойств в результате уплотнения оценивается данными таблицы 2, а изменения фильтрационной способности грунтовых экранов, выполненных ударным способом, проиллюстрированы данными таблицы 3.

В качестве критериев оценки уплотнения грунтов как способа технических мелиораций принимаются: надёжность уплотнённых грунтов, промерзание экрана, набухание, усадка, плотность и порозность грунтов экрана в процессе работы, долговечность уплотнённых экранов.

Вторая крупная составляющая метода уплотнения грунтов является стабилизация его структурных отдельностей массивов грунта путём тампонирования, кольматации, глинизации, регулирования гранулометрического состава грунтов с водно-коллоидными связями и лессов и укрепления лессов глинистыми, глинисто-силикатными растворами. Осуществляется путём подачи этих растворов под большим давлением в специально пробуренные скважины с помощью насосов. Проникая в поры и пустоты под большим давлением, растворы заполняют их, закрепляют структурные отдельности и рыхлые породы в единый массив с водопрочными и устойчивыми связями и позволяют впоследствии строить или надёжно работать сооружениям на закреплённых грунтах.

Упрочнение грунтов как один из методов их укрепления основывается на введении в макропоры и скважины, в основном, сыпучих пород и песков различной крупности, супесей, лессовых грунтов, магматических и крупнообломочных пород, естественных и органических закрепителей на основе битумов, битумных эмульсий и растворов цементов с добавлением извести и реагентов. Физическая сущность подобного упрочнения основывается на снижении скважности и пористости почвогрунтов, их водопроницаемости, прочности и физических свойств за счёт физико-химического взаимодействия, а не простого заполнения пустот и пор.

Одновременно введение химических реагентов типа силикатов и окислов железа, карбомидных фурфуланилиновых смол и акрилатов вызывает физико-химические изменения и превращения как в структуре самих грунтов, так и их связей, что приводит к значительному их упрочнению.

Закрепление грунтов приложением холода, электричества и тепла, электрохимического воздействия и воздействия кратковременных электроимпульсов высокой мощности создают ещё один вид укрепления грунта и имеют право на самостоятельное направление.

Природа этого воздействия основывается на придании почвогрунтам новых физических и прочностных свойств для обеспечения в особых случаях и условиях как самого производства работ, так и защитных характеристик.

Таблица 2 – Изменение водно-физических свойств грунтов до и после уплотнения

Грунты	Показатели исходного состояния грунтов					Показатели уплотнённого грунта
	Удельная масса, г/см3	Объём. вес, г/см3	Максим. молекул. влагоём., %	Предел. пластич., %	Коэффиц. фильтр., м/сут.	Влажн. уплот., %	Плотн. после уплот., г/см3	Коэф. фильтр., м/сут.	Кратн. умен. коэф. фильтр.
Суглинок	2,68 2,68 2,68 2,68	1,12 1,12 1,12 1,12	18,82 18,82 18,82 18,82	48,1 - - -	0,027 0,027 0,027 0,027	15,2 18,4 25,4 28,0	1,42 1,40 1,34 1,24	0,00045 0,00001 0,015 0,07	60 2700 2 возр.
Глина	2,73 2,73 2,73 2,73	1,16 1,16 1,16 1,16	21,17 21,17 21,17 21,17	53,2 - - -	0,075 0,075 0,075 0,075	20,3 23,4 26,6 28,3	1,31 1,46 1,54 1,51	0,00093 0,0003 0,000 0,000	81 250

Таблица 3 – Скорость фильтрации в уплотнённых

и контрольных каналах

Вид сооружения до и после уплотнения	Скорость фильтрации, м/сут.
	1969	1970	1971	1972	1975	1976
Канал в полувыемке-полунасыпи (уплотнение)	0,0	0,14	0,17	0,17	0,176	0,18
Канал в полувыемке-полунасыпи (без уплотнения)	0,57	0,58	0,59	0,59	0,59	0,68
Кратность эффекта уплотнения
	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0
Канал в насыпи (уп-лотнение)
	0,0	0,0	0,0	0,00019	0,0002	0,002
Канал в насыпи (без уплотнения)
	0,215	0,0227	0,220	0,23	0,23	0,23
Кратность эффекта уплотнения	¥	¥	¥
				1210	1150	115

Электрохимическое воздействие предусматривает химическую ориентацию солей с целью их закрепляющего действия или концентрацию в одном месте, возле электродов и их выноса (электрохимическое рассоление солонцов и солончаков).

Особый технический интерес представляет закрепление почвогрнутов путём электрогидродинамического воздействия. Специальные установки через свои рабочие органы с разрядниками, по форме описывающие закрепляемые объекты или локальные части, создают кратковременные площадные локальные импульсы силы, закрепляющие строящиеся или построенные объекты (каналы, дороги, валы, дамбы, плотины и др.).

Чисто химическое закрепляющее воздействие на свойства почвогрунтов заключается в изменении уплотняемости, снижении пучинистости, увеличения их водопроницаемости за счёт изменения химического состава почв и грунтов путём их агрегации или, наоборот, диспергации, а также гидрофобизации. Выполняются эти мероприятия внесением солей коогулянтов (гипс, известь и соли двухвалентных катионов) и солей диспергаторов (солей одновалентных катионов, в основном хлориды и сульфаты натрия и калия).

Гидрофобизация выполняется поверхностно-активными веществами и кремнийорганическими соединениями с целью создания водостойких несмачивающихся и водонепроницаемых связей или покрытий.