В условиях плотной городской застройки, при необходимости возведения зданий на слабых основаниях вопрос закрепления грунтовых массивов становится первостепенным. Один из проверенных десятилетиями методов — силикатизация грунтов. Технология нашла широкое распространение в отечественной и зарубежной практике благодаря относительной простоте исполнения, предсказуемости результатов. В данной статье подробно рассмотрены принципы метода, область применения, особенности работы с различными типами оснований, а также современные альтернативные решения.
Что представляет собой метод силикатизации грунтов и для чего он необходим
Силикатизация грунтов — это инъекционный метод химического закрепления, при котором в поровое пространство грунтового массива нагнетается раствор на основе жидкого стекла (силиката натрия). При взаимодействии с естественной средой или специально вводимым отвердителем раствор полимеризуется, образуя нерастворимый силикатный гель. Этот гель связывает частицы между собой, существенно увеличивая прочность и водонепроницаемость массива.
Силикатизация грунтов применяется для решения целого ряда геотехнических задач:
- повышение несущей способности слабых оснований перед возведением фундаментов;
- устранение просадочных свойств лессовых и лессовидных отложений;
- создание противофильтрационных завес в водонасыщенных породах;
- предотвращение деформаций существующих зданий при строительстве в непосредственной близости;
- стабилизация откосов и стенок котлованов.
Метод был разработан в СССР в 1930-х годах профессором Б.А. Ржаницыным, впоследствии претерпел значительную эволюцию. На сегодняшний день он регламентирован сводами правил и стандартами, определяющими параметры инъектирования, составы растворов, критерии приемки.
Разновидности силикатизации и их особенности
В зависимости от количества компонентов, вводимых в массив, а также типа химической реакции выделяют несколько разновидностей метода.
Двухрастворная (двухкомпонентная) силикатизация предполагает поочередное нагнетание раствора жидкого стекла, затем раствора хлористого кальция. При встрече двух растворов в порах грунта происходит реакция обменного разложения, в результате которой образуются гель кремниевой кислоты и хлористый натрий. Именно при силикатизации грунтов используется силикат кальция в качестве продукта реакции, обеспечивающего связывание частиц. Двухрастворный вариант обеспечивает наибольший прирост прочности, применяется преимущественно для закрепления крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут.
Однорастворная (однокомпонентная) силикатизация подразумевает нагнетание одного состава, содержащего жидкое стекло и отвердитель (кремнефтористоводородную кислоту, фосфорную кислоту, алюминат натрия или иные реагенты). В каких случаях применяется однорастворная силикатизация грунта? Этот вариант целесообразен при работе с мелкозернистыми песками, имеющими коэффициент фильтрации от 0,5 до 5 м/сут, а также в ситуациях, когда двухрастворная схема технически затруднена из-за ограниченного пространства или особенностей геологического разреза.
Газовая силикатизация представляет собой модификацию метода, при которой после нагнетания жидкого стекла в массив подается углекислый газ (CO₂). Газ вступает в реакцию с силикатом натрия, формируя гель кремниевой кислоты и карбонат натрия. Такой подход позволяет работать с грунтами, имеющими низкий коэффициент фильтрации.
Среди способов искусственного закрепления грунтов силикатизация занимает важное место наряду с цементацией, смолизацией, электрохимическим закреплением и термической обработкой. Выбор конкретного метода определяется инженерно-геологическими условиями площадки, проектными нагрузками, экономической обоснованностью.
Как производят силикатизацию для упрочнения грунта
Процесс инъекционного закрепления включает несколько последовательных этапов.
- Инженерно-геологические изыскания. На подготовительной стадии проводится детальное обследование площадки, определяются физико-механические характеристики грунтов, коэффициент фильтрации, гранулометрический состав, уровень подземных вод.
- Проектирование. На основании результатов изысканий разрабатывается проект закрепления, включающий расположение инъекторов (скважин), расчет объемов раствора, последовательность нагнетания, проектное давление и расход.
- Бурение, установка инъекторов. В массив погружаются перфорированные трубы-инъекторы диаметром 25–50 мм с шагом, определенным проектом (обычно от 0,8 до 1,5 м). Глубина погружения соответствует мощности закрепляемого слоя.
- Нагнетание раствора. С помощью насосного оборудования в каждый инъектор под давлением от 0,3 до 1,5 МПа подается рабочий раствор. Процесс ведется снизу вверх или сверху вниз в зависимости от схемы, принятой в проекте.
- Контроль качества. После завершения инъектирования производятся контрольные отборы образцов, лабораторные испытания, при необходимости — полевые проверки штампами или зондированием.
Повышение несущей способности песчаных грунтов силикатизацией осуществляют с помощью манжетных или перфорированных инъекторов, позволяющих контролировать зону нагнетания по глубине. Это обеспечивает равномерное распределение раствора в целевом интервале, минимизирует его потери за пределами зоны закрепления.
Какие основания можно закреплять методом силикатизации
Область применения метода определяется прежде всего фильтрационными свойствами и минеральным составом закрепляемого массива. Рассмотрим основные категории.
Песчаные основания
Результаты силикатизации песчаных грунтов демонстрируют значительный прирост прочности. Двухрастворная обработка крупно- и среднезернистых песков позволяет достичь прочности на одноосное сжатие 1,5–5,0 МПа, что сопоставимо с характеристиками слабого бетона. Однорастворная обработка мелкозернистых песков обеспечивает прочность в диапазоне 0,3–1,5 МПа. Песчаные массивы считаются наиболее благоприятными для данного метода ввиду достаточной проницаемости.
Лессовые и просадочные основания
Силикатизация лессовых грунтов решает проблему просадочности — одного из наиболее опасных свойств, способных вызвать неравномерные осадки зданий. Лессы имеют макропористую структуру, что обеспечивает проникновение раствора, несмотря на относительно невысокий коэффициент фильтрации. Силикатизация просадочных грунтов устраняет способность массива к резкой деформации при замачивании, превращая его в стабильное основание. Прочность закрепленного лесса на одноосное сжатие может достигать 1,0–3,0 МПа.
Глинистые основания
Силикатизация глинистых грунтов представляет собой наиболее сложную задачу из-за крайне низкого коэффициента фильтрации (менее 0,01 м/сут). Стандартное нагнетание растворов через поры в таких условиях практически невозможно. Для глин применяют электрохимическую силикатизацию, при которой раствор перемещается в массиве под действием электрического поля (электроосмоса). Этот подход существенно увеличивает стоимость и продолжительность работ, поэтому для глинистых оснований нередко рассматривают альтернативные методы закрепления.
Силикатизация грунта под фундаментом действующих зданий
Отдельного внимания заслуживает применение метода при реконструкции и усилении оснований эксплуатируемых сооружений. Силикатизация грунта под фундаментом выполняется, когда наблюдаются недопустимые осадки или деформации надземных конструкций. В таких случаях инъекторы располагают по периметру, а также под подошвой фундамента, а нагнетание ведут при пониженном давлении, чтобы исключить гидроразрыв и подъем конструкции.
Упрочненные силикатизацией грунты, расположенные под подошвой фундамента, образуют так называемый «силикатизированный массив» — зону с повышенными характеристиками прочности и деформируемости. Этот массив воспринимает нагрузки от фундамента, перераспределяет их на нижележащие слои, снижая удельное давление на слабые горизонты.
Укрепление грунтов силикатизацией под существующими фундаментами требует тщательного мониторинга. В процессе работ контролируют вертикальные перемещения здания с помощью геодезических марок, фиксируют расход и давление раствора на каждом инъекторе, отслеживают состояние несущих конструкций.
Технологическая карта процесса
При силикатизации грунтов технологическая карта на выполнение работ является обязательным документом. Она служит основным руководством для производственного персонала, содержит полный набор сведений, необходимых для организации и контроля работ.
Типовая технологическая карта включает следующие разделы:
- область применения, характеристика закрепляемого массива;
- состав и последовательность технологических операций;
- требования к материалам, оборудованию и инструменту;
- схемы расположения инъекторов, порядок нагнетания;
- параметры контроля качества, критерии приемки;
- требования охраны труда и техники безопасности.
Технологическая карта разрабатывается на основании проектной документации, утверждается главным инженером подрядной организации. Без нее производство работ по инъекционному закреплению не допускается.
Усиление грунта силикатизацией — оценка эффективности
Усиление грунта силикатизацией оценивается по нескольким критериям. Основной показатель — прочность закрепленного массива на одноосное сжатие, которую определяют по результатам лабораторных испытаний образцов-кернов. Дополнительно оценивают водонепроницаемость (по данным опытных откачек или нагнетаний), деформационный модуль (по данным штамповых испытаний), равномерность закрепления (по данным статического зондирования).
Эффективность метода зависит от нескольких факторов, среди которых гранулометрический состав и минералогия закрепляемого массива, концентрация и модуль жидкого стекла, давление и продолжительность нагнетания, температура среды и химический состав подземных вод, а также схема размещения инъекторов.
При соблюдении проектных параметров укрепление грунтов силикатизацией обеспечивает долговечный результат. Силикатный гель сохраняет свойства десятилетиями, что подтверждено наблюдениями за объектами, закрепленными в середине XX века.
Стоимость работ
Цена работ на силикатизацию грунта формируется индивидуально для каждого объекта, зависит от ряда переменных:
- объем закрепляемого массива (кубатура);
- глубина обработки, количество инъекторов;
- тип силикатизации (однорастворная, двухрастворная, газовая);
- расход реагентов на кубометр массива;
- транспортная доступность площадки, наличие коммуникаций;
- необходимость проведения дополнительных изысканий.
Для точного расчета необходимо предоставить проектную документацию, результаты инженерно-геологических изысканий подрядной организации.
Современные альтернативы
Несмотря на доказанную эффективность, классическая силикатизация имеет ограничения. Метод малоэффективен для глинистых и суглинистых оснований, требует значительного времени на набор прочности, предполагает работу с химически агрессивными реагентами. В ряде случаев более рациональным решением становятся современные геотехнические методы.
Геотехническая компания «Геобилдинг» помимо услуг силикатизации грунтов предлагает два высокоэффективных метода закрепления оснований, которые могут служить альтернативой или дополнением к силикатизации.
Струйная цементация (Jet Grouting) — метод, при котором грунтовый массив разрушается высоконапорной струей цементного раствора, одновременно перемешивается с ним, образуя грунтоцементные элементы (колонны, панели, днища). Преимущества технологии:
- применимость практически к любым типам грунтов, включая глины, торфы и насыпные отложения;
- возможность создания элементов диаметром от 0,6 до 2,5 м;
- высокая прочность грунтоцементного камня (до 10–15 МПа);
- возможность работы в стесненных условиях, под существующими фундаментами.
Инъекционное крепление грунтов цементным раствором (Deep Injection) — технология, при которой в массив через манжетные колонны поэтапно нагнетаются цементные или полимерцементные составы. В отличие от силикатизации, инъекционное крепление позволяет контролировать зону закрепления с высокой точностью, работать с широким спектром оснований, достигать проектных показателей за более короткий срок.
Компания обладает собственным парком буровой, насосной техники, сертифицированной лабораторией и опытом реализации проектов на объектах гражданского, промышленного и транспортного строительства.
Источники
- СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*.
- СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты». Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87.
- ГОСТ 23740-2016 «Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ».
- Ржаницын Б.А. «Химическое закрепление грунтов в строительстве». — М.: Стройиздат, 1986.
- Соколович В.Е. «Химическое закрепление грунтов». — М.: Стройиздат, 1980.
- Богов С.Г. «Струйная цементация грунтов». — М.: Издательство АСВ, 2014.
- СП 291.1325800.2017 «Конструкции грунтоцементные. Правила проектирования».
