Грунтовые воды вызывают серьезные геотехнические проблемы в выработках, таких как песчаный ход, в большинстве строительных проектов, например, при прокладке тоннелей. Таким образом, проблемы, вызванные грунтовыми водами, приведут к увеличению бюджета строительства и продлению сроков строительства, если не обеспечить надлежащий контроль грунтовых вод, которые являются первопричиной проблем.
Существует два основных метода контроля грунтовых вод, включая метод откачки и метод исключения, как показано на рисунке 1.
Контроль грунтовых вод в котлованах методом исключения
Контроль грунтовых вод в шахтах
Методы контроля грунтовых вод в выработках
- Мотивы или причины, побуждающие использовать методы исключения для контроля грунтовых вод в выработках
- Методы исключения, используемые для контроля грунтовых вод в выработках
Мотивы или причины, побуждающие использовать методы откачки для контроля грунтовых вод
Существуют случаи, в которых применение насосных методов для контроля грунтовых вод не рекомендуется, например, в водоносных породах и грунтах с высокой проницаемостью.
Это связано с тем, что использование насосов большой мощности, которые требуются для высокопроницаемых грунтов и формирования точек скважин в скальных породах, требует значительных затрат.
Поэтому в вышеупомянутых и аналогичных ситуациях экономически целесообразно использовать методы исключения.
Методы исключения для контроля грунтовых вод в выработках
Существует ряд методов, с помощью которых достигается исключение грунтовых вод:
- Формирование непроницаемых барьеров путем цементации, глинистой суспензии.
- Химическая консолидация для контроля грунтовых вод в котловане
- Контроль грунтовых вод с помощью сжатого воздуха
- Замораживание грунтовых вод
Формирование непроницаемых барьеров путем цементирования цементом, глинистой суспензией или битумом
Эта стратегия применяется в водоносных породах или грунтах с высокой проницаемостью, где использование насосов высокой производительности или рытье скважин является дорогостоящим.
В этом методе проницаемость снижается путем создания непроницаемого барьера путем инъекции суспензионного материала или жидкости в трещины горных пород или поровые пространства. Тонкость трещин в породах или гранулометрический состав почвы определяют типы материалов, используемых для цементации.
Это означает, что размер частиц материала для цементации должен быть значительно меньше, чем размер поровых пространств. Рисунок-3 иллюстрирует предельные размеры частиц материалов, которые могут быть зацементированы различными типами затирок.
Различные типы грунтов, которые могут быть зацементированы различными типами затирочных материалов
Кроме того, коэффициент цементируемости, который представляет собой отношение размера D.15 грунта к размеру D.85 частиц цементирующего материала, также используется для определения пригодности суспензионных цементных растворов.
Таким образом, суспензионные цементные растворы не будут подходящим выбором для рассматриваемого грунта, если коэффициент цементируемости не превышает 5:15 для глинистых и 11:25 для цементных растворов.
Кроме того, необходимо обратить внимание на количество материалов, используемых для затирки, так как при использовании чрезмерного количества это может быть дорогостоящим. Для решения этой проблемы можно использовать химические затирки, даже если их стоимость выше, чем глины и цемента при одинаковом количестве.
Что касается жидкого цемента, то он более эффективен, чем суспензионный цемент, поскольку заполняет все поры и пространства в почве, в то время как в случае суспензионного цемента поры небольшого размера остаются пустыми.
При использовании метода цементации необходимо соблюдать особую осторожность в отношении сооружений и объектов, таких как канализационная система вокруг зоны цементации. Это связано с тем, что цементация проводится под большим давлением, поэтому она может нанести значительный ущерб этим объектам.
Распределение труб для затирки вокруг зоны раскопок
Наконец, существует три основных метода инъектирования цементного раствора, которые представлены в таблице-1 вместе с условиями и процедурами их применения.
Таблица-1: Основные методы инъектирования цементного раствора
Методы инъектирования
Подходящие условия
Процедура затирки
Открытое отверстие
Очень крупнозернистые грунты или скалы с широкими трещинами
Во-первых, в грунт забивается цементировочная труба, нижний конец которой закрыт расширяемой пробкой, а верхний уплотнен на поверхности. Во-вторых, цементный раствор нагнетается в трубу и выталкивает пробку, широкие трещины заполняются цементным раствором.
Стадийная цементация
Не указано
При этом методе отверстие бурится заранее, затем в него вставляется копье, после чего производится цементация либо методом “снизу вверх”, либо методом “сверху вниз”. В первом случае отверстие выкапывается, в него вставляется копье, после чего производится цементация. При втором способе зачеканивается верхняя часть отверстия, а после ее схватывания зачеканивается нижняя часть.
Рукавная цементация
Подходит для цементации грунтов
Для этого используется трубка-манжета, как показано на рисунке 5. После того как отверстие просверлено на определенную глубину и обсажено, в него вставляется рукавная трубка, которая окружена частично пластичным цементным раствором. Затем гильза натягивается и в гильзовую трубу вставляется перфорированная инъекционная труба. Наконец, вводится цементирующий материал, пластиковый цемент разрушается и цементирующий материал распространяется по грунту.
Труба-манжета, используемая для затирки в грунтах
Химическая консолидация для контроля грунтовых вод в котловане
Метод химического уплотнения подходит для песчаных гравийных и мелкозернистых песков. Наиболее распространенным химическим материалом, используемым для химической консолидации, является силикат натрия. Если силикат натрия смешать с другими химическими веществами, можно получить умеренно прочный и нерастворимый силикагель.
Для проведения химической консолидации практикуются два подхода, а именно: процесс двух выстрелов и процесс одного выстрела. В общем и целом, последний процесс, который является наиболее распространенным, заменил первый.
В процессе двух выстрелов две трубы с расстоянием между ними 50 см вдавливаются в землю, затем в одну трубу вводится силикат натрия, а в другую – силикат кальция, при этом они постепенно подтягиваются вверх.
В качестве альтернативы, один химический материал вводится во время вдавливания трубы в землю, а другой химический материал вводится в трубу по мере ее извлечения.
Что касается одномоментного процесса, то химические затирки обычно создаются до процесса инъектирования. Поэтому наиболее важным моментом в этой технологии является отсрочка образования цементного геля. Это связано с тем, что проникновение цементного раствора будет более легким и эффективным, если его вязкость будет низкой.
Формирование химического цементного раствора перед инъектированием
Поэтому желательно, чтобы во время инъектирования цементный раствор имел низкую вязкость, а увеличение вязкости цементного раствора происходило после завершения процесса инъектирования.
Наконец, было предпринято несколько попыток получить затирки с таким благоприятным свойством, например, смолы и лигнины и акриловые полимеры.
Акриловые полимеры
Контроль грунтовых вод в котловане методом сжатого воздуха
Существует несколько факторов, которые мотивируют применение сжатого воздуха для контроля грунтовых вод в котлованах. Например, использование других методов контроля грунтовых вод невозможно из-за гидрологических условий.
Использование сжатого воздуха рекомендуется в тех случаях, когда возникают экологические проблемы, в частности, когда грунтовые воды используются в качестве резервуара для питьевой воды, следовательно, использование твердых материалов, таких как цемент, исключено.
Метод сжатого воздуха обычно используется для контроля грунтовых вод при прокладке туннелей и шахт.
Борьба с грунтовыми водами с помощью сжатого воздуха может быть осуществлена только при соблюдении определенных условий. Во-первых, боковые стенки и крышка конструкции, в которой находится воздух, должны быть практически непроницаемыми. Во-вторых, статическое давление сжатого воздуха должно быть равно гидростатическому давлению грунтовых вод в самой низкой точке сооружения, которое необходимо поддерживать сухим. В-третьих, статическое давление воздуха во всем сухом полом пространстве конструкции должно быть постоянным.
Для достижения вышеуказанных условий необходимо рассмотреть следующие строительные процедуры.
- Постройте диафрагменную стену, как показано на рисунке 8, вдоль стороны планируемого сооружения, такого как туннель. Глубина стены должна быть ниже окончательного нижнего перекрытия сооружения.
Подготовка к использованию метода сжатого воздуха для контроля грунтовых вод, строительство диафрагменной стены
- После этого необходимо построить крышку туннеля, а стык между крышкой и мембранной стеной должен быть герметичным. На этом этапе может быть использован предварительный дренаж, если условия не создают препятствий. Следует помнить, что и стена мембраны, и крышка должны быть герметичными.
- Постройте разделительную стену или перегородку со шлюзами для рабочих и материалов у одного портала туннеля, чтобы избежать утечки воздуха к другому концу туннеля. Дополнительные мембранные стены могут быть размещены на определенном расстоянии друг от друга вдоль продольной оси туннеля и на его дальнем концевом портале.
- Настройка механических и электрических машин для удаления отходов, как показано на рис. 9, обеспечение сжатым воздухом и вспомогательное оборудование.
Удаление отработанных материалов из котлована
- Наконец, под крышкой у портала туннеля начинаются процессы выемки грунта и использования сжатого воздуха.
В этом случае необходимо соблюдать особую осторожность для предотвращения нежелательных событий, так как техника использования сжатого воздуха связана с высоким уровнем риска, который может привести к человеческим жертвам.
Выемка и применение сжатого воздуха, PL: высота давления воздуха в тоннеле, Dtt: расстояние между артезианскими грунтовыми водами и инверсией WK: давление артезианских титоновских вод.
Контроль грунтовых вод в выработках путем замораживания
Контроль грунтовых вод в котловане путем замораживания не рекомендуется использовать, если все другие методы не дают желаемого результата или их выбор нецелесообразен в силу определенных факторов. Это связано с тем, что стоимость контроля грунтовых вод путем замораживания значительно выше из-за большого количества скважин, которые необходимо пробурить вокруг котлована.
Однако бывают случаи, когда замораживание является единственным практическим методом контроля грунтовых вод, например, при проходке очень глубоких шахт, где давление грунтовых вод очень велико.
Для предотвращения образования незамерзших пространств в замороженной зоне, скважины должны быть точно вертикальными, а погрешности должны быть минимальными, кроме того, необходимо обеспечить небольшое расстояние между скважинами.
Что касается недостатков метода замораживания, то значительное время требуется для завершения бурения скважин, установки установок, замораживания грунта, а некоторые типы грунтов могут испытывать пучение.
Кроме того, из-за низкой температуры котлована может быть затруднена работа сжатого воздуха, а строительные работы, такие как бетонирование, будут сопряжены с трудностями.
Тем не менее, следует знать, что самым выдающимся преимуществом метода замораживания является эффективный контроль грунтовых вод, чего не хватает другим методам.
Процедура замораживания включает в себя бурение скважин вокруг котлована, затем в скважины вставляется внешняя пластиковая или стальная труба диаметром 10-15 см и внутренняя труба диаметром 3,8-7,5 см, конец внешней трубы закрывается, а конец внутренней открывается.
Верхний конец внутренней трубы соединен с холодильной установкой, из которой охлажденный рассол подается во внутреннюю трубу и после этого возвращается в холодильную установку. Время, в течение которого грунт замораживается, составляет от 1 до 4 месяцев.
Контроль грунтовых вод в котловане методом замораживания
Наконец, рекомендуется использовать жидкий азот, а не рассол, поскольку время замораживания значительно сокращается. Можно возразить, что жидкий азот дорог, но низкая стоимость строительства может компенсировать это, к тому же он замораживает грунт в пять раз быстрее, чем в случае использования рассола.
Читайте далее:- Методы осушения котлованов на строительной площадке.
- Системы глубоких скважин для осушения котлованов.
- Техника замораживания грунта для стабилизации грунта – методы, преимущества, применение.
- Струйная цементация – процедура, применение и преимущества для стабилизации грунта.
- Методы улучшения грунта для стабилизации почвы в различных целях.
- Виды затирок для укладки плитки.
- Часовая башня Биг-Бен: тиканье с наклоном.