Реставрация каменных зданий (стр. 6 из 12)

Классификация физико-химических способов закрепления грунтов, разработанная проф. Б. А. Ржаницыным

Для хорошо проницаемых грунтов разработана рецептура цементно-глинистых растворов. Эти растворы по сравнению с цементно-песчаными имеют преимущества, они легче прокачиваются насосами и меньше их изнашивают, при продвижении в трещинах и порах грунтов двигаются как тиксотропные с тупым углом и дают 100%-ный выход водонепроницаемого камня. Эти растворы целесообразно применять в песчано-гравелистых грунтах с коэффициентом фильтрации от 80 до 500 м/сут.

Учитывая, что современный крупный помол цемента не позволяет цементным частицам проникать в поры песков, для закрепления этих грунтов применяется раствор, состоящий из силиката и глины. При этом в зависимости от качества используемой глины границы применимости характеризуются грунтами с коэффициентом фильтрации от 60 до 100 м/сут при использовании местных глин и от 20 до 50 м/сут при применении бентонитовых глин. Для прочного закрепления песчаных грунтов разработан способ, основанный на поочередном нагнетании в песчаный грунт двух растворов: силиката натрия и хлористого натрия. Б результате химической реакции между этими растворами в порах грунта выделяется гель кремниевой кислоты, грунт быстро закрепляется, становится водонепроницаемым с прочностью 20—60 кгс/см², а само закрепление долговечно.

Для мелкозернистых песчаных грунтов, имеющих коэффициент фильтрации от 0,5 до 5 м/сут, разработан способ однорастворной силикатизации с помощью фосфорной кислоты, серной кислоты и сернокислого алюминия, алюмината натрия и кремнефтористоводородной кислоты. При этом способ однорастворной силикатизации с помощью кремнефтори-стоводородной кислоты наиболее эффективен и дает значительную прочность закрепления порядка 20—50 кгс/см². Кроме того, он позволяет закреплять мелкие песчаные грунты с любым содержанием гумуса. Эта категория грунтов может быть также успешно закреплена разработанным в последние годы способом газовой силикатизации, основанным на поочередном нагнетании в грунт силиката натрия и углекислого газа по схеме; СО₂ — силикат натрия — СО₂. Грунт при этом приобретает прочность, равную 8—15 кгс/см².

Начиная с 1959 г. в строительстве применяется разработанный Институтом оснований способ закрепления мелких песков карбамидной смолой. Карбамидная смола, продукт поликонденсации формальдегида с мочевиной и ее производными, способна полимеризоваться при нормальной температуре в присутствии отвердителя — соляной, щавелевой кислот или хлористого аммония. Закрепление мелкозернистых песчаных грунтов карбамидной смолой (КМ с отвердителем в виде 3- и 5%-ногоНС1), обеспечивающее этим грунтам достаточно высокую прочность закрепления порядка 50 —80 кгс/см², успешно применяется в строительстве. В связи с развитием химии и удешевлением исходных для закрепления химических продуктов он находит все более широкую сферу использования.

Для закрепления просадочных лессовых грунтов применяется однорастворная силикатизация, заключающаяся в нагнетании в грунт силиката натрия с удельным весом 1,13. Прочность закрепления 15—40 кгс/см². Для закрепления глинистых грунтов используется явление электроосмоса. При вводе в грунт химических растворов этим способом глинистому грунту сообщается водостойкость и ликвидируется его пучинность.

Располагая таким арсеналом приемов химического закрепления грунтов при лечении основания памятника архитектуры, всегда можно подобрать, в зависимости от геологии участка и фильтрационных свойств грунтов, наиболее рациональный в данных условиях метод.

Уменьшение несущей способности естественных грунтовых оснований связано главным образом с лессовыми просадочными грунтами.

Одним из примеров значительных деформаций на таких грунтах и последующих мероприятий по их ликвидации может служитьОдесский оперный театр. Здание театра построено в 1887 г. архитекторами Ф. Фельнером и Г. Гельмером (рис. 107, 108). Театр имеет 5 ярусов и двухэтажный подвал. Высота здания 30 м, площадь 5000 м², объем 100 тыс. м³. Основной несущий остов здания — каменные стены из кирпича и плотного известняка. Фундаменты здания ленточного типа из плотного известняка шириной от 2 до 0,6 м. В 1900 г. были обнаружены значительные неравномерные осадки: восточная сторона здания осела местами до 21 см, полы осели от 6,5 до 11 см. Некоторые стропильные фермы также значительно изменились. Экспертная комиссия рекомендовала исключить замачивание под фундаментами путем прокладки коммуникаций в проходных тоннелях. Это было выполнено, но осадки продолжались.

Закрепление проводилось в полукруглой части здания в два ряда инъекторов, в прямоугольной—в один ряд. Инъекторы забивались вертикально на расстоянии 10—15 см от стены (1 ряд) и на 1 м друг от друга. Забивкаосуществлялась с помощью колонкового перфората КИМ-4, в котором бур был заменен бойком. Скорость забивки составляла 12— 20 м/ч, радиус закрепления от одного инъектора—0,6 м. Силикатный раствор рабочей концентрации нагнетали по заходкам сверху вниз, величина заходки 1,3 м. Число заходок зависело от мощности напластования лессовых грунтов и колебалось от 3 до 8. В каждую заходку нагнетали 514 л раствора. Нагнетание раствора осуществлялось тремя шести-плунжерными насосами НС-1.Давление при нагнетании раствора в основном колебалось в пределах 1—-3 атм. Скорость нагнетания раствора в среднем составляла 4 л/мин. Одновременно нагнетали в 6 и более инъекторов. За сутки при работе в 3 смены (по 18 человек в смену) закреплялось 50 м³ грунта.

Число инъекционных точек 2300. Общий погонаж забивки шгьекторов 22 тыс. м. Закачено раствора 5400 м^э. Израсходовано силикат-глыбы {разварка псоизволилась на месте) 1200 т.

Объем закрепленного грунта—15 436 м³. Контроль результатов работ показал монолитность закрепления и его кубиковую прочность, равную 15—25 кгс/см². Наблюдения, проводимые параллельно работам по силикатизации, показали затухание осадок в процессе работ, а по окончании работ полное их прекращение.

Гниение в насыпных грунтах органических примесей — одна из распространенных причин, вызывающих неравномерные осадки фундаментов. Это в значительной степени объясняется тем, что памятники архитектуры чаще всего строились в сложившихся частях города, где уже имелся значительный культурный слой.

Здание Потешного дворца в Московском Кремле подвергалось, например, незатухающим осадкам в течение почти 300 лет. За это время они составили около 1 м. Причина — наличие в основании здания мощного слоя (10—11 м) насыпного грунта с большим содержанием органических примесей, так как площадка, на которой был сооружен дворец, расположена рядом с царскими конюшнями. Неравномерное распределение органических веществ привело к неравномерным осадкам отдельных частей здания. В состав насыпных грунтов здесь входят пески, супеси, суглинки и перегной. Проектом усиления основания дворца предусмотрено химическое закрепление грунтов, слагающих насыпную толщу. В результате проведения лабораторных работ на грунтах из основания здания в качестве закрепляющего раствора был рекомендован щелочной силиказоль следующего состава: силикат натрия с удельным весом 1,3 г/см³ (3,5 объема) + кремнефтористоводородная кислота с удельным весом 1,1 г/см³ (1 объем) со временем гелеобразования при температуре 14°С30—35 мин.

Предложенная рецептура была проверена в натурных условиях на одном из участков Потешного дворца путем инъекции закрепляющего раствора в грунт. Опытные работы, проводимые трестом Гидроспецстрой и Институтом оснований, предусматривали закрепление всех грунтов, залегающих ниже бетонного пола до глубины 7 м. Инъекция раствора в грунт осуществлялась через инъекторы, забитые в четырех точках, три из которых располагались по треугольнику на расстоянии 120 см друг от друга, четвертая—контрольная—внутри треугольника. Учитывая неравномерное закрепление грунтов, инъекция раствора в грунт производилась короткими полуметровыми заходками. В каждую заходку нагнеталось до 150 л силиказоля со средним расходом 2—3 л/мин. При этом давление на насосе не превышало 2,5 атм. Результаты вскрытия шурфа сечением 1,5×1,5 м и глубиной 5 м показали, что грунт по всей глубине имел прочное закрепление. Предел прочности при сжатии отобранных образцов составил; для песков 15— 20 кгс/см², для супесей с большим содержанием перегноя 10—15 кгс/см², для перегноя от 5 до 2,5 кгс/см².

В 1970 г. в Московском Кремле проводились работы по закреплению грунта в основании церкви Св. Лазаря, для чего был применен новый способ закрепления — газовая силикатизация. Закреплено 100 м³ насыпного грунта. Результаты закрепления оказались положительными: прочность закрепления составила 10—20 кгс/см².

При строительстве многих зданий, особенно соборов, осуществлялась забивка коротких деревянных свай длиной около 1 м. Это позволяло уплотнить грунт на дне траншеи, затем засыпать ее камнем и залить известковым раствором. При строительстве Успенского собора в Москве в 1475—1479 гг. на мелких песках без перегноя архит. А. Фиорованти под всеми стенами забил деревянные сваи длиной 0,5 саж. Прошло 150 лет, сваи сгнили и стены получили значительные неравномерные осадки. При предварительных работах по закреплению грунтов в основании Успенского собора и расположенной рядом церкви Ризположения исследователи столкнулись с трудностями при инъекции закрепляющих растворов. Дело в том, что технология забивки инъекторов и закачки растворов, существующая до настоящего времени, пригодна при вертикальном или наклонном положении вводимых в грунт инъекторов и для грунтов с сравнительно большой проницаемостью. В практике химического закрепления все чаще приходится сталкиваться в малопроницаемыми грунтами и с условиями производства работ, когда вертикальная или наклонная забивка инъекторов по ряду причин невозможна. Именно такие условия и выявились на указанных объектах. В связи с этим была предложена схема горизонтального задавливания инъекторов в грунт, в основу которой заложен принцип продавливания труб при прокладке ряда трубопроводов и использование инъекторов с манжетным устройством.