НИИОСП им. Н. М. ГЕРСЕВАНОВА ГОССТРОЯ СССР

РУКОВОДСТВО

по ТЕХНОЛОГИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО УКРЕПЛЕНИЯ ПРОМЕРЗАЮЩИХ И ОТТАИВАЮЩИХ ГРУНТОВ

МОСКВА 1977

УДК 624.139 : 624.138.3/. 4

Рекомендовано к изданию отделом технического нормирования и стандартизации Госстроя СССР.

Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаивающих грунтов. М., Стройиздат, 1977.

64 с. (Науч.-нсслед. ин-т оснований и подземных сооружений им. Н. М. Герсеванова Госстроя СССР).

Руководство по технологии физико-химического укрепления промерзающих и оттаивающих грунтов разработано в развитие СНиП II-18—76 «Основания и фундаменты зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования».

В Руководстве излагаются сущность методов и технологии предпостроечиой подготовки вечномерзлых и сезоннопромер-зающнх грунтов в целях их использования по второму принципу СНиП II-18—76 в качестве оснований зданий и сооружений.

Руководство составлено Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом оснований и подземных сооружений им. Н. М. Герсеванова Госстроя СССР (доктор геолого-мннерал. наук, проф. И. А. Тютюнов, канд. геолого-минерал, наук | И. В. Бойко |, канд. техн. наук В. С. Скальный, инж. И. Г. Яркин, ннж. Г. Л. Праздникова). Военным инженерным институтом им. А. Ф. Можайского (доктор техн. наук, проф. В. В. Чепелев, канд. техн. наук Н. Е. Лаптин) и Северным отделением НИИОСП (инж. В. С. Десяк, ннж. А. О. Филатов).

© Стройиздат, 1977

с=0,21 -4,2=0,88 кДж/(кг-К) — коэффициент теплоемкости талого грунта;

Д=2100 кг/м³ — объемная масса грунта;

Y = 1840 кг/м³ — объемная масса скелета грунта;

А,    1,7

e=    =    q    ~2~1    2100    м²/⁴ — коэффициент    температу

ропроводности грунта (множитель 3,6 введен с целью выражения времени в часах вместо секунд);

а — стадии обработки грунта; / — оттаивание; 2 — иссушение; 3 — спекание: а — талый; б — иссушенный; в — спекшийся групт; б — электролитические нагреватели; в — омические электронагреватели: I — нагреватели; 2 — коммутационные шины; 3 — понижающий трансформатор

^=0,14 — суммарная влажность грунта в долях единицы массы;

W_H =0,02 — количество незамерзшей воды в долях массы;

I = W — W_u = 0,14 — 0,02 = 0,12 — содержание льда в мерзлом

грунте в долях единицы массы; р —скрытая теплота плавления льда, равная 80 ккал/кг (336 кДж/кг).

Выражая буквенные символы формулы (7.4) численными значениями и подставляя их в формулу, получаем;

_ Ac (t_n-t_r) __ 2100-0,21 -90 ^

ypi 1840-0,12-80 ~ ’ ’

2-т

где t_n, U — температура поверхности нагревателя и грунта на границе таяния, соответственно;

«I - »,<*№ (3 )' - 1.12; (£)* - (jbt)* - WW - ко;

6³

(23,83)3= 1320;

Ро

1 (1 , 1 \ 1 / '1 ,. 1 1 , 1 5,6 2л V N + п+\) 2-2 \ ,2,3 + 3 ) 4 6,9 1 (1 2 > 1 1 ( 1 2 ’ \ 1 4,4 3 п [ N («+d*j ' 6 \2,3 9 , / 6 20,7"	0,035;
т = 0,79(0,20-560 + 0,035-1320) = 0,79-462 = 362 ч. = 15 сут.

3.8. Удельный расход электроэнергии (в расчете на 1 кубометр оттаянного грунта) находится по формуле

(8)

где Р — суммарная мощность электроэнергии, подаваемой на оттаивание грунта всей площадки; т—время оттаивания, рассчитывается по формуле (7):

V — суммарный объем грунта, оттаянного на площадке.

Пример расчета: найти затраты электроэнергии на оттаивание 1 м³ грунта при заданных выше условиях.

Размер площадки — 26X26; глубина оттаивания—10 м; объем оттаиваемого грунта— V=26-26-10=6760 м³.

Потребная мощность электрического тока согласно примеру расчета составляет Р=550 кВт.

Время оттаивания согласно предыдущему примеру расчета составляет т=362 ч.

Подставляя численные значения переменных в формулу (8), получаем

3.9.    Омическими нагревателями называются электрические нагреватели, в которых рабочим телом, преобразующим электрическую энергию в тепло, является стержень из арматурной стали, диаметром 18—25 мм, изогнутый в виде скобы (рис. 1,6, в, г).

Омические электронагреватели, так же как и электролитические, являются низковольтными. Для их питания необходим переменный электрический ток напряжением от 5—10 до 30—35 В (рис. 1).

Отличительной особенностью омических нагревателей является высокая эксплуатационная надежность и простота конструкции, многократная оборачиваемость при использовании.

3.10.    При оттаивании мерзлых грунтов омическими нагревателями без дополнительных физико-химических и иных воздействий рекомендуются два режима работы:

а)    режим кондуктивной передачи тепла от нагревателей в грунт;

б)    режим пароконденсационной теплопередачи.

*э=Я_к-— -l,t * л

теплопроводности;

Р* и Р_э—удельная мощность нагревателя пароконденсационной установки кондуктивной теплопередачи [формулы (10) И (6)].

При указанных значениях теплофизических коэффициентов время оттаивания, рассчитанное в примере 10, сокращается с 15 до 1,5 сут.

/ — расход металла при электродном методе оттаивания (эталон для сравнения); 2 — расход металла при использовании омических нагревателей; 3 — потребность в погонаже бурения на 1 м* оттаянного грунта; 4 — расход металла при использовании электролитических нагревателей; 5 — время оттаивания при удельной мощности нагревателя 1 кВт/м; 6 — то же. при 2 кВт/м

По формуле (11) на рис. 7 построены кривые 5 и 6 зависимости продолжительности оттаивания мерзлого грунта от расстояния между нагревателями (L) при удельной мощности последних 1 и 2 кВт. Эти кривые удобно использовать в качестве номограмм при оценочных расчетах применительно к наиболее типичным вечномерзлым грунтам района Воркуты.

На рис. 7 представлены также кривые, отражающие потребность для оттаивания одного кубометра грунта в бурении скважин и в металле для нагревателен, в зависимости от расстояния между последними.

3.16. Примеры расчета параметров схем оттаивания вечномерзлых грунтов с использованием омических электронагревателей для конкретных объектов приводятся в прил. 2 настоящего Руководства.

13

3.17.    Снльнольдистые текстурированные грунты после оттаивания зачастую будут нуждаться в повышении прочности, уменьшении сжимаемости под нагрузками, других видах улучшения.

В качестве методов улучшения свойств оттаивающих грунтов рекомендуются: электрообработка постоянным электрическим током, электрохимическая обработка и силикатизация.

Силикатизацию оттаиваемых электроэнергией грунтов рекомендуется производить по двухрастворному методу в соответствии с «Инструкцией по силикатизации грунтов» (М., Стройиздат, I960), специально приспособленному к условиям оттаивания мерзлых грунтов (прил. 3).

3.18.    В качестве рабочего органа для силикатизации оттаивающих и оттаянных мерзлых грунтов рекомендуется нагреватель-инъ-ектор, совмещающий функции омического нагревателя и инъекторг для растворов жидкого стекла и хлористого кальция (прил. 3, рис. 22).

3.19.    Основные технологические операции оттаивания мерзлых грунтов, совмещенного с обработкой реагентами, остаются такими же, как при обычном оттаивании.

Принципиальная совмещенная схема по оттаиванию и обработке реагентами мерзлых грунтов при положительных температурах представлена (прил. 3, рис. 25).

3.20.    Работы по совмещенным оттаиванию и силикатизации грунтов рекомендуется вести в следующем порядке:

1)    оттаивание мерзлого грунта примерно на треть общего объема;

2)    отключение системы оттаивания и включение системы инъецирования жидкого стекла;

3)    отключение системы инъецирования и включение системы оттаивания и ее работа до достижения более двух третей оттаивания общего объема мерзлого грунта;

4)    переключение системы оттаивания на систему инъецирования и работа последней на наполнение жидким стеклом всего оттаянного объема грунта;

5)    переключение системы с инъецирования жидкого стекла на инъецирование реагента, коагулирующего жидкое стекло (хлористый кальций или аммиак, углекислый газ, другие);

6)    включение системы оттаивания для прогрева засиликатизнро-ванного объема грунта с целью повышения его прочности.

3.21.    Расходы жидкого стекла и хлористого кальция задаются на основании пробного закрепления грунта в лабораторных условиях, а если это необходимо, также в полевых условиях.

3.22.    В ходе работ по закреплению оттаивающих и оттаянных грунтов необходимо осуществлять постоянный контроль за соответствием качества закрепляющих растворов проектным требованиям, за их расходом, другими параметрами процесса (температурой, вязкостью).

После окончания закрепления необходимо проверить качество, объем и конфигурацию закрепленного массива в соответствии с «Инструкцией по силикатизации грунтов» М., Стройиздат, 1960.

3.23.    Работы по устройству, испытанию по элементам, узлам и в целом системы оттаивания и укрепления вечномерзлых грунтов должны вестись с соблюдением правил их производства и техники безопасности.

Выполняемые работы должны оформляться актами. По окончании работ акты на их выполнение совместно с инструкцией и другой технической документацией, обеспечивающей ввод в эксплуата-

14

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящее Руководство распространяется на проектирование и производство работ по предпостроечному улучшению строительных свойств вечно- и сезонномерзлых грунтов, предназначенных для использования в качестве оснований зданий и сооружений по II принципу СНиП II-18-76 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования;», а также для производства работ по отрывке котлованов, по предотвращению морозного пучения грунтов и выпучивания фундаментов в условиях зимнего промерзания.

1.2.    В Руководстве излагаются методы и технологии предпо-строечного улучшения строительных свойств грунтов, включающие оттаивание при положительных и отрицательных температурах се-зоннопромерзающих и вечномерзлых грунтов при помощи электроэнергии и химических реагейтов, а также их уплотнение и противо-пучинную стабилизацию.

1.3.    \ числу вечномерзлых грунтов, нуждающихся в предпо-строечном улучшении строительных свойств, относятся вечномерзлые, обладающие такой сжимаемостью при оттаивании, когда суммарная осадка в пределах чаш оттаивания за эксплуатационный период может превысить предельные осадки, допустимые СНиП Н-15-74 «Нормы проектирования. Основания зданий и сооружений», для данных типов зданий, возводимых по II принципу.

1.4.    Выбору методов и технологий предпостроечного улучшения грунтов оснований и сооружений, проектируемых в соответствии со II принципом СНиП II-18-76, должно предшествовать определение оптимальных глубин улучшения вечномерзлых грунтов и выявление пучинистых свойств сезоннопромерзающих. Первые рекомендуется определять по деформациям на основании данных инженерно-геологических изысканий, а в отдельных случаях по полевым определениям сжимаемости грунтов под нагрузками в соответствии с требованиями СНиП II-18-76. Вторые должны определяться на основе лабораторного изучения состава обменных оснований и емкости поглощения грунтов.

1.5.    Под оптимальной глубиной предпостроечного улучшения строительных свойств вечномерзлого грунта понимается наименьшая глубина после улучшения свойств грунтов, в пределах которой осадки при оттаивании не превысят допустимой величины за эксплуатационный период сооружения, а пучение при промерзании грунта будет изменяться в заданных пределах.

1.6.    Под пучением при промерзании понимается такое приращение объема промерзающего грунта, связанное с кристаллизацией воды, как замерзающей на месте, так и перемещающейся из нижних слоев, которое вызывает существенное нарушение залегания и строения слоев этого грунта.

Примечание. Химическую, противопучинную обработку грунтов сезоннопромерзающего и сезоннопротаивающего слоя рекомендуется производить в случаях использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований по II принципу СНиП II-18-76.

1—230

1.7.    Пучинистыми грунтами (СНиП 1М8-76) считаются сезон-нопромерзающне грунты глинистого и пылевато-илистого состава, а также крупнообломочные, содержащие частицы размером 0,1 мм в количестве не менее 30% по массе.

1.8.    Пучинистые свойства грунтов связаны с обменно-адсорбционной способностью их мелких частиц, которые в совокупности образуют поглощающий комплекс этих грунтов, характеризующийся емкостью обменного поглощения катионов, выражаемой в мг*экв на 100 г грунта. Соответственно все грунты, обладающие обменной емкостью поглощения, способны пучиться при промерзании. Пучинистые свойства грунтов, при прочих равных условиях, проявляются в тех случаях, когда их влажность перед промерзанием больше влажности на границе раскатывания.

2. ТЕХНОЛОГИЯ УЛУЧШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОТТАИВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИМИ РЕАГЕНТАМИ

2.1.    Оттаивание мерзлых грунтов при отрицательной температуре производится путем инъецирования в их объемы концентрированных водных растворов солей, безводных ожиженных и газообразных химических реагентов, способных активно оттаивать лед и предохранять оттаянные грунты от возможного последующего замерзания (прил. 3).

2.2.    Уплотнение мерзлых грунтов, совмещенное с оттаиванием при отрицательной температуре, рекомендуется осуществлять путем раздельного инъецирования в их объемы сжиженного аммиака и раствора хлористого кальция или других реагентов, способных к взаимодействию с грунтовыми растворами и минеральными частицами, с образованием цементирующего материала (прил. 3).

2.3.    Давление, необходимое для инъецирования в мерзлые грунты жидких и газообразных химических реагентов (сверх бытового) должно задаваться из расчета три атмосферы на четверть градуса охлаждения мерзлого грунта ниже температуры начала замерзания воды в нем. При этом температура мерзлого грунта не должна существенно понижаться.

2.4.    Инъецирование растворов химических реагентов в грунты, подлежащие оттаиванию и уплотнению при отрицательных температурах, следует производить на глубинах, примерно равных оптимальным глубинам улучшения с таким расчетом, чтобы процесс плавления льда развивался снизу вверх (прил. 3). Оттаянный таким образом грунт должен приобретать более плотное сложение и меньшую суммарную влажность, чем исходный мерзлый, так как при этом межблочные прослойки льда будут плавиться и в виде раствора отжиматься вверх, а зазоры между отдельными блоками текстуры будут стремиться к смыканию.

2.5.    Растворы реагентов для оттаивания мерзлых, в особенности гравелисто-песчаных грунтов, могут подаваться в грунт также самотеком, без приложения избыточного давления извне. Однако скорость инъецирования при этом резко снизится.

2.6.    Инъецируемые в мерзлые грунты растворы разбавляются тающим льдом и на определенных расстояниях от инъекторов их концентрация достигает таких значений, при которых начинается замерзание. Такие расстояния будут предельными расстояниями возможного инъецирования.

Местное понижение температуры в грунте, быстро наполняемом раствором реагентов, мож£г послужить причиной временного уменьшения предельных значений, найденных по формулам (1)—(3).

2.8.    Таяние льда в объемах мерзлых грунтов, наполненных раствором, происходит за счет тепла, отнимаемого из этих объемов, а также поглощаемого из окружающих массивов незасоленного грунта. Скорость таяния засоленных мерзлых грунтов предопределяется главным образом скоростью притока в их объемы тепла из приграничных массивов незасоленного мерзлого грунта. Время таяния быстро засоляемого грунта может быть рассчитано по методике, приведенной в прил. 3 к настоящему Руководству.

2.9.    Инъецирование растворов солей, кислот, оснований рекомендуется производить через специальные самозапирающиеся инъекто-ры (рис. 22).

2.10.    Погружение инъекторов в грунты рекомендуется осуществлять в заранее пробуренные скважины. Полости между внешними стенками инъекторов и стенками скважин следует заливать шламом из местного грунта и замораживать. В слоях талых грунтов следует использовать цементно-грунтовые растворы.

2.11.    Оттаивание мерзлых грунтов растворами при отрицательных температурах должно осуществляться в соответствии с проектами, разработанными на основании данных мерзлотно-геологических изысканий, исследования образцов грунтов, слагающих площадки в лабораторных и полевых условиях, и других материалов.

В состав проектов должны включаться:

планы, разрезы, оптимальные глубины и конфигурации объемов грунтов, подлежащих оттаиванию;

планы расположения и глубины погружения инъекторов;

технологические схемы по оттаиванию с данными о количествах и расходах реагентов, о потребности в других материалах и оборудовании, а также с описанием режимов работы.

Кроме того, должны быть представлены:

а)    калькуляция стоимости работ;

б)    требования по технике безопасности;

в)    требования по контролю качества оттаянных и уплотненных грунтов.

При разработке проектов оттаивания следует руководствоваться «Инструкцией по силикатизации» (Стройиздат, 1973) и материалами настоящего Руководства.

3. ТЕХНОЛОГИЯ УЛУЧШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ОТТАИВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

3.1.    Предпостроечное оттаивание вечномерзлых грунтов при положительных температурах рекомендуется производить переменным электрическим током с использованием электрических нагревателей, работающих под напряжением на зажимах от 5—10 до 20—30 В. Рекомендуется использовать нагреватели двух видов: электролитические и омические (рис. 1).

3.2.    Электролитический нагреватель (рис. 1, а) — это устройство, состоящее из внешней трубы сравнительно большого диаметра (75—100 мм) и внутреннего сердечника (стержень или труба меньшего диаметра), изолированных между собой, в пространстве меж*

4

ду которыми происходит нагревание воды, применяющейся в качестве среды, преобразующей электроэнергию в тепло, и передатчика тепла окружающему грунту. Оттаивание грунта нагревателем регулируется уровнем воды в нем или глубиной погружения сердечника (внутреннего электрода).

3.3. Погружение электролитических нагревателей в грунт производится раздельно. Вначале погружаются внешние трубы с нако-

Рнс. 1. Нагреватели

нечниками, а затем в них устанавливаются внутренние тоководы, подсоединяются провода, заливается вода.

3.4. Погружение внешних труб нагревателей в мерзлые грунты может производиться в заранее пробуренные скважины или непосредственной забивкой (рис. 2).

Предварительное бурение скважин под внешние трубы нагревателей производится станками шнекового бурения, например УРБ и др.

Непосредственная забивка внешних труб нагревателей в мерзлые связные грунты может осуществляться сваебойными установками (рис. 2) или другими ударными устройствами.

Во избежание деформации трубы при забивке внутрь нее вставляется инвентарный вкладыш, стальная болванка подходящего

сечения и длины, извлекаемая для последующего использования после забивки очередной трубы.

3.5. Размещение электролитических нагревателей в плане площадки рекомендуется производить в шахматном порядке с таким расчетом, чтобы каждый из внутренних (в плане площадки) нагревателей был окружен шестью равноудаленными нагревателями (рис. 3 и 4).

Рис. 2. Самоходная установка для забивки дизель-молотом труб в мерзлые грунты а — установка в сборе; б — труба с инвентарным вкладышем.

/ — головка штангового дизель-молота с весом ударной части 2.5 т; 2 —стальная труба: 3 — стальной инвентарный стержень жесткости; 4 — конический наконечник трубы: в — направляющий кондуктор

Расстояние между нагревателями в ряду находится по формуле

L= 1,73 т,    (4)

а между рядами — по формуле

Я = 0,87 £ = 0,87* 1,73 у»