История стабилизации грунтов

Развитие стабилизация грунтов
Мысль об улучшении свойств грунтов для строительных и дорожных целей давно занимала умы инженерно-технических работников. Ещё в 60-е годы XIX века русские инженеры-дорожники пришли к выводу о необходимости искусственного улучшения грунтов для устройства проезжей части грунтовых дорог. Так, в работах Е. Головачёва излагались методы улучшения грунтов путём уплотнения, а также смешения песка и гравия с глинистым грунтом. Методы укрепления грунтов гранулометрическими добавками получили дальнейшее развитие в работе профессора Г. Д. Дубелира. 

В начале 20-х годов прошлого века в нашей стране сформировалась новая отрасль науки - дорожное грунтоведение. Грунтоведение - это геологическая наука по своему содержанию. Предметом ее изучения являются любые горные породы, а также почвы и искусственные грунты. Под грунтами принято понимать любые горные породы или почвы, а также твердые отходы производственной и хозяйственной деятельности человека, представляющие собой многокомпонентную систему, изменяющуюся во времени, и используемые в качестве основания, материала или среды (при сооружении тоннелей) для возведения зданий и других инженерных сооружений, в том числе автомобильных и железных дорог и аэродромов. Свойства грунтов предопределяются их генезисом, условиями залегания, влажностью, плотностью, химическим и минералогическим составом и другими особенностями.


Очень важной в практическом отношении и неотделимой частью грунтоведения является техническая мелиорация грунтов, которая включает широкий круг вопросов, охватывающих изучение и разработку как способов улучшения отдельных свойств грунтов путем их осушения, уплотнения и кольматации, так и методов коренного преобразования грунтов путем придания им новых, качественно иных и более высоких свойств. Изменение первоначальных свойств природных и техногенных (искусственных) дисперсных грунтов различного состава и генезиса и преобразование их в монолитный, прочный и морозоустойчивый конструктивный слой дорожной или аэродромной одежды принято называть укреплением грунтов. Такое превращение дисперсной системы в монолитную массу с заданными новыми физико-механическими свойствами достигается путем внесения оптимальных добавок вяжущих и других веществ и последовательного выполнения установленных технологических операций с обязательным использованием высокопроизводительных комплектов (отрядов) грунтосмесительных и других машин.


Укрепление грунтов - принципиально новый подход к конструированию дорожных и аэродромных одежд. При устройстве слоев основания и морозозащитного слоя проезжей части и обочин из укрепленных грунтов поступление влаги к материалу земляного полотна сверху через дорожную одежду практически исключается. В результате этого влажность верхней части земляного полотна всегда бывает меньше, чем при устройстве традиционных щебеночных оснований на дренирующем песчаном слое. Вследствие хорошей распределяющей способности слоев из укрепленных грунтов ровность покрытий на таких основаниях обычно лучше, чем на щебеночном или гравийном основании.


В дорожной технической литературе и практике часто пользуются термином местные материалы. При этом всегда учитывают важную особенность и преимущество использования местных материалов в дорожном строительстве. Эти материалы не требуют дальних перевозок автомобильным транспортом и исключают надобность в перевозках таких материалов железнодорожным транспортом. Исходя из этого, к местным, а следовательно, к доступным для применения и дешевым материалам, подвергаемым укреплению вяжущими и другими материалами, следует относить как повсеместно залегающие, широко распространенные природные грунты различного состава, так и твердые обломочные отходы производства и некондиционные каменные материалы, называемые искусственными (техногенными) грунтами в соответствии с ГОСТ 25100-95.


Одни из ранних исследований проводимых в области дорожного строительства были посвящены методам использования разнообразных местных материалов не только для устройства земляного полотна, но и для конструктивных слоев дорожных одежд (оснований) из грунтов, укрепленных различными вяжущими. Весьма парадоксально, но разработка различных методов укрепления грунтов началась с наиболее сложного и наиболее трудного для решения вопроса - укрепления глинистых видов грунтов (тяжелых суглинков и тощих глин). Это объяснялось тем, что в районах, где нет прочных каменных материалов и их использование является дорогостоящим мероприятием, как правило, широко распространены и залегают на большой территории глинистые виды грунтов. Несмотря на большие трудности укрепления указанных видов грунтов, уже в те годы было получено положительное решение этого вопроса.


В 1923 году при Ленинградском областном управлении было создано дорожное научно-исследовательское бюро, которое в 1925 году было реорганизовано в исследовательское бюро ЦУМТа. К 1928 году на основе достижений науки о грунтах, благодаря работам профессоров Н. Н. Иванова, В. В. Охотина, П. А. Замятченского и других, была разработана теория оптимальных смесей и способов производства работ при производстве грунтовых работ с гранулометрическими добавками. На основании своих исследований профессор М. М. Филатов предложил ввести поправочный коэффициент, учитывающий повышенную вяжущую способность коллоидных частиц.


Однако в работах всех ученых-дорожников отмечалось, что даже хорошо подобранные грунтовые смеси легко деформируются вследствие нарушения сцепления между гранулометрическими элементами при проезде автотранспорта, вымывания тонких фракций водой и др. При высыхании такие покрытия сильно пылят и тоже разрушаются. Всё это заставило продолжить поиски надёжных методов укрепления грунтов. Для этих целей решено было использовать различные вяжущие материалы, в том числе и минеральные.


В 30 - 40-х годах XX века разрабатывались и внедрялись в практику дорожного строительства различные методы укрепления грунтов добавками органических (жидких битумов и каменноугольных дегтей) и неорганических (извести, портландцемента и др.) вяжущих материалов. С каждым годом расширялся диапазон используемых вяжущих материалов, так, дополнительно к вышеупомянутым органическим вяжущим широкое применение нашли битумные эмульсии, пасты и вспененные битумы, а ассортимент минеральных вяжущих пополнили активные золы уноса, тонкомолотые гранулированные шлаки, белитовые шламы (нефелиновые и бокситовые) и другие отходы промышленности, обладающие в большей или меньшей степени вяжущими свойствами.
Уже с самого начала поисковые исследования имели естественно-историческую направленность (с учетом природных особенностей дорожно-климатических зон), что безусловно было правильно и обоснованно.


Научной основой укрепления грунтов и, особенно глинистых грунтов, было и по-прежнему остается справедливым и теперь важное положение, сформулированное М.М. Филатовым и развитое В.М. Безруком, которое заключается в следующем: при разработке любых методов укрепления грунтов в целях качественного изменения первоначальных их свойств всегда необходимо всесторонне учитывать свойства и особенности тонкодисперсной (глинисто-коллоидной) части грунта, а также емкость обмена и состав поглощающего комплекса, минералогический и химический составы и генетические признаки грунта.

 

Известкование грунтов
В 1926 году в Ленинградском дорожно-исследовательском бюро были проведены опыты по известкованию грунтов. В ходе опытов было установлено, что добавка гашёной извести уменьшает липкость и пластичность глинистых грунтов и увеличивает сопротивление размоканию. С 1927 по 1931 год под Москвой были проведены опытные работы по укреплению известью глинистых и чернозёмных грунтов. В послевоенный период известкование грунтов получило дальнейшее развитие в работах ДорНИИ, Саратовского автодорожного института и других НИИ. Были разработаны практические рекомендации по внедрению метода известкования грунтов в дорожном строительстве. С 1950 по 1955 год был построен ряд опытных участков дорог, где в качестве оснований, а также покрытий, использовался местный грунт, укреплённый известью. По данным С. А. Морозова, известкование дерновоподзолистых грунтов обеспечило во всех опытных участках более высокие показатели прочности образцов на сжатие в водонасыщенном состоянии, чем при укреплении цементом.


Однако известкованные грунты имеют низкую морозоустойчивость, поэтому их надо применять главным образом в основаниях дорожных одежд.

Силикатирование
При взаимодействии жидкого стекла с грунтом образуется гель кремнекислоты, который со временем твердеет (особенно в присутствии катализатора, например, хлористого кальция) и таким образом связывает частицы грунта между собой. Первые производственные опыты по применению жидкого стекла в дорожном строительстве были проведены в 1928 году в Ленинградской области, Белоруссии, Украине и в других регионах. Большой вклад в развитие методов силикатирования грунтов внесли учёные Б. А. Ржаницын и В. В. Аскалонов, которые разработали и теоретически обосновали 2-растворный способ силикатизации песчаных и гравелистых грунтов и 1-растворный способ по укреплению лёссовых грунтов. Оба эти метода нашли широкое применение в метро- и тоннелестроении, а также при укреплении фундаментов и оснований промышленных сооружений. В дорожном строительстве жидкое стекло не получило широкого распространения, за исключением постройки опытных участков, а также силикатирования щебёночных шоссе по методу пропитки и поверхностной обработки. Причина — низкая морозостойкость силикатированных грунтов, а также неудобство в работе в связи с быстрым схватыванием и твердением смеси грунта с силикатом.

Цементация грунтов
Цементно-грунтовая технология основана на смешивании до однородного состояния цемента и естественного грунта при установленном содержании воды и уплотнении с целью придания укреплённому грунту определённых свойств: прочности, устойчивости, морозостойкости и т. д.


Впервые в России цемент для укрепления грунтов был применён для устройства садовых дорожек. После революции первые опыты по укреплению грунтов портландцементом были проведены в 1927 году на опытных дорожках Ленинградского дорожно-исследовательского бюро.


Лабораторные исследования по укреплению грунтов цементом проводились также ЦИАТ и ДорНИИ. Положительные результаты исследований позволили выполнить укрепление грунта цементом под асфальтобетонные покрытия на подъездных путях к территории Всесоюзной сельскохозяйственной выставки. В послевоенный период начинается широкое внедрение цементогрунтов в дорожном и аэродромном строительстве. Цементно-грунтовые основания были применены взамен щебёночных и песчаных слоёв на автомагистралях Москва — Харьков (1946–1949), Москва — Ленинград (1949), Москва — Рязань (1950) и др. Решающее значение для развития метода укрепления грунтов цементами имели работы В. М. Безрука, который в результате многолетних исследований разработал теоретические и практические рекомендации укрепления грунтов цементами. Как отмечает Безрук, на эффективность укрепления грунтов цементом оказывает исключительно важное влияние химико-минералогический состав цементов, генезис, состав и свойства грунтов, в частности их заселённость и состав обменных катионов. Введение в цементно-грунтовые смеси некоторых веществ (например, мылонафта, саапстока и др.), образующих с продуктами гидролиза цемента гидрофобные и другие вещества, заполняющие поры, может в ряде случае придавать им повышенную водопроницаемость. С 80-х годов прошлого века успешно велись работы по укреплению грунтов цементами комплексным методом, предусматривающим направленное влияние на процессы цементации грунтов. Но об этом ниже.


За границей, цементно-грунтовые технологии начали развиваться также в первой половине XX века. В 20-х годах в США из цементогрунтов делали покрытия просёлочных дорог. После II мировой войны этот метод получил распространение в Англии, Бельгии, Голландии и других европейских странах. Так, в Голландии, начиная с 1956 года, было укреплены десятки миллионов квадратных метров почвы. Почти всюду она была песчаной и поэтому данная технология получила название пескоцементной. В 80-х годах прошлого века в ФРГ ежегодно около 1 млн. т цемента расходовалось на стабилизацию песков на севере страны (портовые сооружения Гамбурга, складские площадки), при строительстве просёлочных дорог. Во Франции эту технологию начали применять с 1972 года благодаря активности цементных компаний.


В 1974 году во Франции была построена автодорога А62 (к северу от Бордо). Дорожная одежда состоит из цементно-песчаной смеси толщиной 30 см., гравийно-песчаной смеси, укрепленной цементом толщиной 30 см, и асфальтобетона толщиной 68 см. Смешивание производилось на месте, машиной с 200 вертикальными лопатками диаметром 12 см и производительностью 4000–5000 м2/сут. Для уплотнения применяли виброкатки и уплотнители на пневматическом ходу.


В 1952-1967 годах УНИИОСП и ЦНИИЭП Сельстрой, совместно с другими организациями, провели исследовательские и опытно-конструкторские работы по применению цементогрунта при возведении фундаментов малоэтажных зданий и сооружений. В этот период в Новороссийской и Омской областях, Алтайском и Краснодарском краях было возведено около 70 зданий и сооружений, в основном малоэтажных, передающих на фундаменты сравнительно небольшие (до 150 кН/м) сжимающие нагрузки. Обследование фундаментов этих зданий после 20 лет эксплуатации не выявило следов разрушения материала.


В России в 1958–1976 годах лесхозами Ленинградской области, совместно со специалистами Ленинградской лесотехнической академии, было построено и испытано 40 опытных участков просёлочных дорог с применением побочных продуктов и отходов лесохимической промышленности — древесной смолы, древесносмолистого пека, а также цемента, извести, жидкого стекла, чёрного сульфатного щёлока (ЧСЩ), хлористого кальция и др. Особенно хорошие результаты показали опытные участки Новгородской дороги Лисинского лесхоза Ленинградской области. При строительстве этих участков в качестве добавок для укрепления грунтов использовались цемент и ЧСЩ. Перемешивание грунтов с реагентами производили дорожной фрезой Д-530, а также с помощью передвижного смесителя Д-370.


По мере развития различных методов укрепления и увеличения объемов их применения формировались коллективы научных работников, плодотворно и творчески ведущих исследования в указанной области. Многие годы исследования и практическое внедрение методов укрепления грунтов велись отделом укрепления грунтов Союздорнии, в том числе в Ленинградском, Омском, Казахском и Среднеазиатском филиалах, в Гипродорнии Минавтодора РСФСР и Госдорнии Минавтодора УССР, а также на кафедрах грунтоведения МГУ, Ленинградского, Тюменского и Ростовского инженерно-строительных институтов, в Омском и Харьковском автомобильно-дорожном институтах и других научных коллективах. Большую положительную роль в обобщении накопленного практического опыта и проведенных исследований в Советском Союзе по укреплению грунтов играли периодически проводимые Всесоюзные совещания по укреплению и уплотнению грунтов.


Проблеме укрепления грунтов различными вяжущими посвящены работы Р.А. Агаповой, Б.А. Асматулаева, Б.В. Белоусова, В.М. Бескровного, А.П. Васильева, Ю.М. Васильева, Н.В. Горелышева, Э.М. Доброва, А.С. Дудкина, Р.Г. Кочетковой, Е.И. Путилина, B.C. Прокопца, П.П. Петровича, В.М. Могилевича, В.М. Ольховикова, И.А. Плотниковой, А.А. Фридман, B.C. Цветкова и многих других. Особо следует отметить большую теоретическую и практическую ценность для дорожного строительства исследовательских работ, выполненных д-ром геол.-минералог, наук, проф. В.М. Безруком и его учениками. В.М. Безрук был первым разработчиком отечественного нормативного документа на укрепленные грунты СН 25-74 «Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов».


При разработке новых и совершенствовании существующих методов укрепления грунтов более 60 лет руководствуются также положениями, развитыми П.А. Ребиндером в области физико-химической механики дисперсных систем. При этом учитывают важную особенность тонкодисперсных грунтов адсорбировать поверхностно-активные и другие вещества различного состава. Это позволяет регулировать и изменять в нужную сторону процессы формирования прочных пространственных структур, улучшать эффективность отдельных технологических операций путем ускорения или торможения процессов взаимодействия с вяжущими и повышать конечную прочность и другие свойства укрепленных грунтов.


В конце 80-х годов в Краснодарском крае строились усадебные дома и секционные двухэтажные здания с короткими (до 3 м.) сваями из цементогрунта диаметром 0,5 м. Построено 17 зданий, насосная станция и другие сооружения. Стоимость 1 м3 цементогрунта свай, дешевле тяжёлого бетона. При этом снижается расход материала.
Зарубежные страны резко увеличивают объёмы работ, используя вышеописанную технологию. С 1980 по 1990 год в Японии разработано 13 типов установок для изготовления свай различными методами из грунтобетона. В США цементогрунт использовали на строительстве 60 водохранилищ для защиты берегов от эрозии, а также при устройстве земляных плотин. В Италии объём свай из цементогрунта составил 11 млн. м3. Во Франции, начиная с 80-х годов прошлого столетия, ежегодно укрепляется более 10 000 км покрытия просёлочных дорог. В Германии, Италии, Японии разработаны и разрабатываются дополнительно нормативные документы, регламентирующие метод изготовления и применения цементогрунта для строительных целей. В США большое распространение получила цементно-грунтовая технология для защиты откосов водохранилищ, каналов, а также при строительстве земляных плотин.


Известный французский учёный-бетоновед, профессор М. Венюа писал: «Можно с уверенностью сказать, что цементно-грунтовая технология будет развиваться и впредь, учитывая её высокую экономичность, возможность применения недорогих машин (распределителями и смесителями легко оборудовать обычный трактор мощностью 100 л. с.), внедрение в последнее время новой техники, позволяющей получать цементно-грунтовый слой большой глубины, а также применение цементов с поверхностно-активными добавками».


Фундаменты из цементогрунта были рекомендованы для внедрения научно-производственной программы «Металл-90».


Проверочная комиссия после года эксплуатации дорожного покрытия из цементогрунта, оценила его состояние как отличное. В конце XX — начале XXI вв. в России активизировались научно-исследовательские работы в этом направлении (СПбГУПС, СПбГАСУ и др.). Так, в Самарском государственном архитектурно-строительном университете под руководством д. т. н. С. Ф. Кореньковой и к.т.н. Т. В. Шейны были проведены исследования физикомеханической активации улучшения качества местного сырья. 


В настоящее время в России построено и эксплуатируется свыше 30 тыс. км дорог, где применены укрепленные грунты (в основном цементогрунты) для оснований и покрытий дорожных одежд. Во всем мире площадь конструктивных слоев из укрепленных грунтов на дорогах и аэродромах превышает в настоящее время 3 млрд. м2.


Актуальность использования укрепленных грунтов в настоящее время обусловлена увеличивающимися объемами строительства автомобильных дорог, в том числе в восточной части страны, и дефицитом (высокой стоимостью) каменных материалов. Большая часть территории России лишена каменных материалов, и дорожное строительство в ее пределах базируется на применении каменных материалов, доставляемых из горных частей страны или зарубежья (Украины) на расстояние до 400 - 500 км. Значительные затраты на транспортирование материалов вызывают увеличение общей стоимости строительства автомобильных дорог. Поэтому на этих территориях для устройства дорожных одежд целесообразно применять местные материалы, укрепленные различными вяжущими.


На необходимость возобновить широкое использование незаслуженно забытого метода укрепления грунтов при строительстве дорог отмечалось на заседании круглого стола Федерального дорожного агентства, состоявшегося 17 ноября 2006 г., по вопросу: «Стабилизация грунтов при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог».

С целью повышения качества дорожных работ, расширения круга применяемых технологий, продления строительного сезона решено:

  • Считать целесообразным расширить практику применения укрепления грунтов в ходе строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог.
  • Рекомендовать проведение технико-экономического сравнения вариантов дорожных конструкций с применением укрепленных грунтов при разработке проектов строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог. Особо важна проработка вариантов укрепления грунтов для регионов, характеризующихся дефицитом прочных горных пород.