745
.pdfНарушения герметичности системы замораживания и утечки жидкого азота не зафиксированы.
Ледовая линза и ледогрунтовое ограждение были сформированы в течение двух суток, при этом израсходовано 20 т жидкого азота.
2.3.4. Проектирование и организация работ по замораживанию грунтов
При разработке открытых котлованов в неустойчивых водонасыщенных грунтах ледогрунтовое ограждение может быть использовано в качестве временной ограждающей конструкции.
Расстояние между замораживающими скважинами следует принимать не более:
— при контурном замораживании для:
1)стволов шахт — 1,2 м;
2)эскалаторных и перегонных тоннелей — 1,1 м;
3)открытых котлованов, с расположением скважин в два ряда:
1)внутренний ряд — 1,25 м;
2)внешний ряд — 1,5 м;
3)внутри контура — 3,0 м;
—при замораживании сплошного массива: 1) по контуру — 1,5 м;
2) между рядами — 3,0 м.
До начала работ по бурению замораживающих скважин необходимо определить
фактическую температуру и скорость движения грунтовых вод, а также их засоленность. В процессе бурения на каждой десятой скважине по контуру ледогрунтового ограждения необходимо определить фактическую глубину водоупора. При несовпадении проектных и фактических данных проектную документацию необходимо откорректировать. При отклонении скважин от проектного направления следует бурить дополнительные скважины и совместно с основными включать их в процесс замораживания.
Число дополнительных вертикальных скважин при глубине замораживания до 100 м допускается не более 10 %, наклонных — 20 %; при глубине замораживания свыше 100 м — 20 и
25%.
Глубина скважины при бурении вращательным способом должна превышать длину
замораживающей колонки на величину не менее 1 м.
Контроль за производством и приемкой работ по искусственному замораживанию грунтов следует проводить согласно определенным требованиям:
—линейные отклонения от заданного направления скважин не должно превышать: вертикальных 1 % глубины, наклонных 2 % длины;
—отклонения от расположения скважин в плане — 5 см;
—герметичность холодильной системы: давление при гидрав-лическом испытании стыка каждой наращиваемой трубы и башмака замораживающей колонки должно быть на менее 2,5 МПа, а уровень залитой в колонку жидкости за трое суток не должен понизиться более чем на 3 мм;
—температура выходящего из колонки холодоносителя при установившемся режиме работы не должна отличаться более чем на 2 ºС от температуры холодоносителя в распределителе (на каждые 100 м глубины замораживания);
—достижение проектных размеров и сплошности ледогрунтового ограждения устанавливаются путем наличия отрицательной температуры во всех термометрических колонках, расположенных в пределах ледогрунтового ограждения; подъема уровня воды в наблюдательных скважинах в замкнутом контуре; стабильности температуры холодоносителя; показаний межскважинного акустического просвечивания.
Замораживающие колонки, если не оговорен другой порядок их включения в работу следует вводить в эксплуатацию в период не менее 5 сут с постепенным снижением температуры холодоносителя до достижения заданной расчетной температуры.
Срок включения скважин в работу следует прибавлять к расчетному сроку активного замораживания.
Для котлованов, где замороженные стены используют как временные ограждения конструкции, поддержание грунтов в замороженном состоянии следует осуществлять в активном режиме весь период строительных работ.
Применение взрывного способа проходки горных выработок в зоне ледогрунтового ограждения допускается только на основании специально разработанной проектной документации при соблюдении мер против нарушения устойчивости ограждения и защищенности замораживающих колонок от изгиба и разрыва.
При попадании в сечение выработки замораживающей колонки в процессе выемки грунта, ее следует отключить от системы, отрезать и оставшуюся часть вновь подключить к системе замораживания.
Одним из основных направлений повышения устойчивости подземных сооружений и снижения водопритоков к ним является физико-химическое закрепление грунтов различными инъекционными способами, основанными на нагнетании в горный массив разнообразных растворов.
При проходке стволов с предварительным замораживанием грунтов на каждой заходке следует сначала разрабатывать грунт в пределах незамороженного ядра, а затем разрабатывать замороженный грунт.
При разработке грунта внутри ледогрунтового ограждения, вода, остающаяся в незамороженном состоянии, также должна удаляться. В случае поступления в забой значительного количества воды, указывающего на наличие изъяна в ледогрунтовом ограждении, работы должны быть приостановлены. Ствол необходимо залить водой до нормального уровня грунтовых вод и провести дополнительное замораживание грунтов.
Строительство перегонных тоннелей на переходных участках, пересекающих водоносные грунты, следует осуществлять с использованием следующих методов:
—замораживания контурных рядов с двух сторон вдоль тоннеля с последующим осушением отсеков водопонизительными скважинами. Отсеки следует разделять между собой поперечными перемычками, а проходку осуществлять в талых грунтах внутри отсеков путем увеличения водоотдачи грунтов, имеющих малых коэффициент фильтрации, при этом осушение отсеков следует осуществлять путем дополнительного нагнетания в пласт сжатого воздуха;
—замораживания контурных рядов с двух сторон вдоль тоннеля и массива грунта от поверхности земли до свода тоннеля или зонального на расчетную величину. Отсеки также следует разделять между собой поперечными перемычками, а проходку осуществлять в талых грунтах внутри отсеков;
—замораживания сплошного массива грунта с поверхности земли, при отсутствии под водоносной толщей водоупора или недостаточной его мощности, с последующей проходкой тоннеля в замороженных грунтах.
Совмещение работ по искусственному оттаиванию грунтов с продолжением выполнением других СМР возможно только при соответствующем обосновании.
2.4.Инъекционное закрепление и тампонирование грунта
2.4.1. Классификация способов и область их применения
Инъекционное закрепление грунтов следует применять для преодоления небольших по протяженности участков несвязных водонасыщенных или тектонически нарушенных скальных грунтов при сооружении стволов шахт, перегонных и эскалаторных тоннелей и других объектов, для водоподавления, а также при необходимости укрепления оснований зданий и сооружений, находящихся на поверхности в зоне влияния строительства метрополитена.
Для оценки возможности использования инъекционного закрепления грунтов необходимо проводить инженерно-геологи-ческие изыскания, на основания которых
определяют вид инъекционного закрепления на основные технологические приемы, параметры его выполнения, рецептуры растворов и влияние инъекционных работ на окружающую среду, а также проводить опытные нагнетания растворов непосредственно на месте производства работ.
Мощность пластов и характеристики несвязных неустойчивых грунтов, а также нарушенных скальных грунтов, подлежащих закреплению, следует уточнять опережающим разведочным бурением с отбором проб грунта. При этом необходимо выявить проницаемость грунтов (удельное водопоглощение и коэффициент фильтрации), гранулометрический состав несвязных грунтов, прочность и степень трещиноватости скальных грунтов, характер трещин, материал их заполнения и другие характеристики трещиноватости, химический состав грунтовых вод.
При проведении опытного инъектирования грунта, уточняют число и расположение скважин, расход инъекционных материалов, определяют ориентировочную продолжительность, стоимость работ и другие параметры.
При отсутствии опытного инъектирования определенную часть инъекционных скважин (не менее 10 %) следует считать опытными.
В зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий грунтов применяют тот или иной вид укрепления грунтов. В частности, для скальных, трещиноватых грунтов, обычно применяют: цементацию, горячую битумизацию и глинизацию, а при мелкой трещиноватости — холодную битумизацию; для гравийно-галечниковых грунтов — цементацию, горячую битумизацию и глинизацию; для песчаных грунтов — силикатизацию, холодную битумизацию, цементацию, смолизацию; для связных глинистых и илистых грунтов используют электрохимические и термические способы закрепления.
При некоторых геологических и гидрогеологических условиях применяют комбинированно несколько способов укрепления, например горячую битумизицию крупных трещин с последующей цементацией мелких или, особенно при больших скоростях фильтрации, силикатизацию либо холодную битумизацию тонких трещин и пор и цементацию остальных пустот.
Способ цементации, заключающийся в укреплении грунтов гидравлическими вяжущими, получил наибольшее распространение в метро- и тоннелестроении. Для его осуществления в грунте пробуривают систему скважин с определенным шагом и глубиной. Затем через них в трещины и поры грунта нагнетают цементные или цементноглинистые растворы, которые после схватывания и твердения в пустотах обеспечивают необходимое упрочнение и уплотнение грунта.
Возможность применения способа цементации зависит от размера трещин и пор грунта, скорости фильтрации грунтовых вод и их химического состава.
Размер трещин и пор определяет вероятность проникновения в них частиц цемента, содержащихся в составе чисто цементных или цементно-глинистых растворов (суспензий), при определенных режимах нагнетания и давления.
Выпускаемые промышленностью цементы содержат частицы размером от 1 до 120 мкм, причем 50–70 % объема представлено частицами размером менее 40 мкм и около 25 % — размером менее 10 мкм. В связи с этим цементацию скальных пород можно производить обычным цементом при раскрытии трещин в них 0,1 мм и более. Использование пластификаторов инъекционных растворов, тонкодисперсных цементов и цементно-глинистых растворов с предварительной обработкой глин химическими реагентами позволяет расширить область применения способа и получить хорошее заполнение более тонких трещин.
Допустимая скорость фильтрационного потока определяется ее значением, при котором происходит схватывание и твердение цементного раствора и не происходит вымыва частиц цемента из несхватившегося раствора.
При цементации скальных водоустойчивых пород скорость потока грунтовых вод не должна превышать 600 м/сут, а при цементации неводоустойчивых скальных пород, содержащих водорастворимые минералы, а также полускальных пород она не должна превышать 300 м/сут.
Цементация гравийных и песчаных грунтов успешно выполняется при соблюдении определенных условий. В частности, цементацию гравия раствором без добавок песка можно выполнять при коэффициенте фильтрации 100–200 м/сут и при давлении, обеспечивающем турбулентный режим фильтрации жидкого цементного раствора.
Цементацию крупного песка с коэффициентом фильтрации Kф > 100 м/сут можно выполнять обычными цементными или цементно-глинистыми растворами с введением в
них пластифицирующих и пептизирующих добавок. Менее проницаемые пески цементируют растворами на специально приготовленных цементах с различными пластифицирующими добавками.
Во всех случаях цементации горных пород для уменьшения опасности размыва в пустотах несхватившегося раствора в нагнетаемый раствор могут вводиться ускорители схватывания.
Стойкость закрепленного цементацией грунта против химической агрессии грунтовых вод определяет долговечность цементационных завес. Различают агрессивность вод выщелачивающую, углекислотную, общекислотную, сульфатную и магнезиальную. Применение для цементации растворов из цементов, обладающих коррозионной стойкостью, решает вопросы создания долговечных завес.
Различают предварительную цементацию, при которой инъецирование осуществляют до проведения выработок, и последующую цементацию, осуществляемую после проходки выработок. Цементацию проводят с дневной поверхности (при неглубоком заложении тоннеля) или из выработки.
При выполнении работ скважину бурят на требуемую глубину, а цементацию через нее проводят отдельными заходками от дальнего конца скважины к ее устью. Для выделения цементационных заходок применяют уплотнительные тампоны, перемещая их по мере цементации заходок к устью скважины. Этот способ цементации наиболее удобен с точки зрения организации буровых работ и позволяет исключить повторное разбуривание скважин. В некоторых случаях удается достигнуть необходимого эффекта цементации и без разделения скважины на заходки.
Цементационный раствор в скважину можно подавать, используя циркуляционную, полуциркуляционную или зажимную схему инъецирования (рис. 2.24).
При циркуляционной схеме по инъекционной трубе, доведенной до забоя скважины, подается раствора больше, чем могут поглотить трещины при заданном давлении нагнетания. Избыток раствора, двигаясь вдоль стенок скважины, возвращается через устье в расходную емкость. Циркуляционная схема обеспечивает хорошее управление процессом инъецирования. К ее недостаткам следует отнести сложность оборудования скважин и обеспечение эффективной непрерывной циркуляции в течение всего времени инъецирования. Эту схему целесообразно применять при цементации крупных трещин, когда инъекцирование происходит при небольшом давлении, поддерживаемом неизменным в течение времени, достаточного для полного отжатия воды из цементационного раствора и его управления.
а) |
б) |
|
в) |
Рис. 2.24. Технологические схемы нагнетания тампонажных растворов: а — циркуляционная; б — полуциркуляционная; в — зажимная;
1 — водоупорные породы; 2 — трещиноватые породы
Полуциркуляционную схему применяют для цементации горных пород как с тонкой, так и с крупной трещиноватостью. При цементации тонких трещин в растворы следует вводить стабилизирующие добавки для снижения возможности осаждения раствора в скважине и повышения проникающей способности раствора.
При зажимной схеме раствор подают в скважину с постоянным расходом в количестве, соответствующем производительности насоса. Оборудование скважины при этом наиболее простое. Давление нагнетания не регулируют и оно повышается по мере заполнения трещин цементационным раствором. По достижении заданного проектом давления инъецирование прекращается. Эту схему применяют для цементации горных пород с тонкими и крупными трещинами при использовании неседиментирующих (нерасслаивающихся) растворов с выходом цементного камня не менее 96–98 %.
Глинизация — наиболее доступный и дешевый метод борьбы с обводненностью выработок, дающий наилучшие результаты при тампонировании безводных (или со слабым притоком грунтовых вод), трещиноватых и кавернозных пород с удельным водопоглощением 0,1–100 л/мин. Обычно ее применяют в тех случаях, когда расходовать большое количество цемента экономически невыгодно.
Инъекционные составы на основе глинистых материалов, не имея большой прочности, обладают высокой дисперсностью, пластичностью и водонепроницаемостью.
Взависимости от проницаемости горных пород при глинизации используют глинистые суспензии, глиносиликатные и цементно-глинистые растворы.
Для приготовления глинистых суспензий используют обычные глины и суглинки. Плотность используемых суспензий составляет 1,2–1,45 г/см3, расплыв — 18–26 см.
Для отжима воды из раствора и ускорения оседания глинистых частиц увеличивают давление при нагнетании до 3 МПа и более. Последующее разбухание глинистого осадка улучшает тампонирование трещин и пустот. Для ускорения осаждения глинистых частиц
впорах и трещинах в раствор добавляют электролиты, которые вызывают коагуляцию глинистых частиц. В качестве коагулянтов применяют хлористый кальций, известь (5 % массы сухой глины) или жидкое стекло (2 % массы глины).
Для обеспечения необходимой плотности заполнения трещин в породе глинистый раствор нагнетают при более высоком давлении, чем при цементации, и в заключение подвергают опрессовке цементным раствором при давлении до 6–8 МПа.
Впоследнее время предпринимаются успешные попытки использовать глинистые растворы, приготовленные с добавками высокомолекулярных соединений — полиакриламида, латекса, которые используют в качестве коагуляторов. Оптимальная концентрация полиакриламида в растворе находится в пределах 10–30 % по объему. При такой концентрации один объем раствора полиакриламида способен скоагулировать 3–6 объемов глинистого раствора.
Глиносиликатные растворы представляют собой водные растворы высокодисперсных глин с добавками силиката натрия. Они экономичны, обладают высокой дисперсностью и малой вязкостью, а следовательно, хорошей проницаемостью, замедленным временем гелеобразования, стабильностью. Глиносиликатные растворы готовят на основе высокодисперсных бентонитов (бентонитосиликатные) и широко распространенных местных глин (глиносиликатные). Рецептура растворов содержит, кроме глины и силиката натрия, отвердители — фосфорную кислоту (тампонажные растворы с кислой реакцией) или алюминат натрия (растворы со щелочной реакцией).
Рецептура указанных растворов может быть упрощена при использовании в качестве
отвердителя и регулятора времени гелеобразования только одного реагента — силиката натрия. Раствор силиката натрия плотностью 1,38 г/см3 вводят в бентонитовые растворы в количестве 0,5 % массы глины и 7 % в растворы, приготовленные из местных глин.
Вглиносиликатные растворы из местных глин вводят также диспергаторы.
Цементно-глинистые растворы по сравнению с цементными более экономичны, стабильны, характеризуются меньшей усадкой. Они более дисперсны (в связи с чем
диапазон их применения шире), меньше подвержены агрессивному действию грунтовых вод, имеют лучшую адгезию к глиносодержащим породам.
Содержание глины в цементно-глинистых растворах может колебаться от 50 до 150 % массы цемента. Глинистые материалы, используемые для приготовления растворов, обрабатывают диспергаторами в глиномешалках.
Эффективным средством регулирования свойств глиноцементных растворов и, в частности, повышения проникающей способности и пластичности является введение химических добавок гидрофильного (ССБ) и гидрофобного (НП) свойств. Цементно-гли- нистые растворы, приготовленные на вибродомолотых цементах, обработанные пластифицирующими добавками, дают прочный водонепроницаемый камень.
Способ горячей битумизации, заключающийся в нагнетании в грунт через скважины разогретого до 200 °С битума, используют для устройства противофильтрационных завес в трещиноватых скальных и гравийно-галечниковых грунтах. Горячую битумизацию применяют для уплотнения скальных пород с трещинами размером более 0,2–0,3 мм при высокой скорости фильтрации грунтовых вод, превышающей допустимую для применения цементации, и при наличии сильноагрессивных вод.
Способ холодной битумизации, заключающийся в нагнетании в грунт через скважины тонкодисперсных битумных эмульсий, применяется для уплотнения скальных пород с тонкими трещинами и песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации от 10 до 120 м/сут, причем при уплотнении крупного песка применяют битумную эмульсию 50 %-й концентрации, а мелкого песка —битумную эмульсию 25–30 %-й концентрации. В процессе коагуляции битумных частиц, вызываемой электролитами, введенными в смесь в количестве 0,05–0,1 % массы битума, они заполняют поры и трещины грунта, придавая ему водонепроницаемость. Прочность заполненного битумной эмульсией песка может быть увеличена добавкой в нее глины и вяжущих (цемента).
Наиболее распространенными способами химического закрепления грунтов являются: силикатизация, электросилика-тизация, газовая силикатизация, смолизация.
Тампонаж или химическое закрепление грунтов в широком смысле слова представляет собой искусственное целенаправленное преобразование строительных свойств грунтов их химической обработкой различными реагентами, основанное на реакциях взаимодействия реагентов между собой или с участием химически активной части грунтов. Такое закрепление грунтов обеспечивает необратимость и долговечность приобретенных ими свойств.
Взависимости от технологии обработки грунтов химическое закрепление имеет два направления: инъекционное химическое закрепление, когда реактивы в виде растворов или газов вводятся в грунты в условиях их естественного залегания без нарушения их структуры нагнетанием под давлением; буросмесительное закрепление грунтов с нарушением их естественной структуры механическим перемешиванием грунтов с цементами или другими реагентами и добавками, с применением специальных механизмов. Инъекционное закрепление применяют для грунтов, обладающих определенной водопроницаемостью, включая песчаные, крупнообломочные, трещиноватые скальные и полускальные, а также просадочные лессовые грунты. Буросмесительное закрепление возможно в принципе для всех нескальных грунтов, включая глинистые, независимо от их водопроницаемости.
Химическое закрепление грунтов начало развиваться в СССР с 1931 г., когда д-р техн. наук Б.А. Ржаницын впервые предложил для закрепления водонасыщенных песков способ двухрастворной силикатизации [27]. В разработку рецептур химических способов закрепления песков и лессов большой вклад внесли д-р техн. наук В.В. Аскалонов и В.Е. Соколович.
Вобласти химического закрепления глинистых и илистых грунтов ведутся разработки
сприменением химических растворов и постоянного электрического тока, а также буросмесительного способа закрепления грунтов, находящегося в стадии становления. Оба направления дополняют друг друга и обеспечивают возможность закрепления всех
без исключения грунтов в естественном залегании, что в значительной мере способствует решению проблем строительства в сложных инженерно-геологических условиях.
Не подлежат инъекционному химзакреплению грунты, пропитанные нефтепродуктами. Инъекционное химзакрепление необратимо повышает механическую прочность и устойчивость грунтов, уменьшает их сжимаемость и водопроницаемость, а также устраняет просадочность при замачивании лессовидных грунтов, что обеспечивает широкие возможности его применения. С химической точки зрения в основе инъекционного хим-закрепления грунтов лежит явление конденсации неорганических и органических полимеров (крепителей) при их взаимодействии с коагулянтами (отвердителями) и заключающееся в отверждении полимеров в порах и трещинах грунтов. В качестве крепителей применяют водные растворы силиката натрия (неорганический полимер), а также растворы карбамидных и других синтетических смол (органические полимеры). В качестве отвердителей применяют различные неорганические и органические кислоты, соли и химические добавки к ним, некоторые газы. Участвующие в процессе закрепления грунтов химические вещества в растворах или газы называют закрепляющими реагентами, а смесь растворов крепителей и отвердителей — гелеобразующей смесью.
Различают предварительный и последующий тампонаж грунтов (до проходки и после проходки горной выработки). По назначению инъекция бывает: заполнительная (заполнение пустот, каверн и карстов), укрепительная (повышение прочности неустойчивых и подверженных внезапным обрушениям грунтов), противофильтрационная (повышение водонепроницаемости скальных и алювиальных водонасыщенных грунтов).
Силикатизация грунтов является одним из наиболее эффективных способов химического закрепления.
Основным материалом для силикатизации является жидкое стекло, т.е. коллоидный раствор силиката натрия (Na2 OnSiO2 + + mH2O). Жидкое стекло характеризуется следующими данными: плотность 1,33–1,35 г/см, вязкость при 20 °С 40–50 МПа с, с водой смешивается быстро и в любых соотношениях. В результате разбавления вязкость жидкого стекла сильно снижается, а проницаемость — возрастает.
В зависимости от физико-механического состояния грунтов применяется одно- и двухрастворная силикатизация грунтов.
Однорастворный способ силикатизации применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 0,5–5 м/сут. Заключается способ в том, что в грунт через инъекторы вводят силиказоль в виде слабовязкой жидкости (2–4 МПа с) и с замедленным временем гелеобразования. Вода, заполняющая поры грунта, вытесняется и замещается золем, который по истечении определенного времени превращается в гель. Гель закупоривает поры грунта, в результате чего грунт становится водонепроницаемым и приобретает механическую прочность 0,2–1 МПа и более.
Однорастворная силикатизация основана на введении в грунт гелеобразующего раствора, состоящего из двух или трех компонентов. Получили распространение силикатно-фосфорно-кислые, силикатно-алюмосерно-кислые, силикатно-фтористосерно-кислые и другие рецептуры.
Особое место занимает силикатно-кремнефтористо-водород-ная. Компонентами закрепляющего раствора являются силикат натрия и кремне-фтористо-водородная кислота повышенной концентрации. Применение этой рецептуры позволяет получить прочность грунта 2–4 МПа. Этот состав может быть применен для закрепления малопроницаемых мелких песков.
Однорастворный способ силикатизации применяется для закрепления лессовых просадочных грунтов.
Физико-химический процесс силикатизации лессовых грунтов основан на хорошем проникании силикатного раствора в грунт и взаимодействии щелочного раствора силиката натрия с лессом, в результате чего происходит мгновенная обменная реакция между катионами натрия и катионами кальция коллоидного поглощающего комплекса лессового грунта.
Двухрастворный способ силикатизации применяется для закрепления песчаных грунтов с коэффициентом фильтрации 5–80 м/сут и заключается в поочередном
нагнетании в грунт двух растворов: силиката натрия (крепитель) с плотностью 1,35– 1,44 г/см3 и хлористого кальция (отвердитель) с плотностью 1,26–1,28 г/см3.
В результате химической реакции между этими растворами образуется гель кремниевой кислоты, придающий грунту в короткие сроки высокую прочность (до 2–6 МПа) и водонепроницаемость.
Электросиликатизация грунтов основана на введении в грунт под напором раствора жидкого стекла с одновременным воздействием электрического тока. Электросиликатизация предназначена для закрепления переувлажненных мелкозернистых песков и супесей с коэффициентом фильтрации 0,005–0,2 м/сут. Она основана на сочетании двух методов воздействия на грунт — силикатизации и электрической обработки.
Для электросиликатизации грунтов в грунт забивают электроды-инъекторы. Крайние инъекторы являются катодами, центральный инъектор — нейтральный, остальные два служат анодами. Раствор нагнетается во все инъекторы, кроме крайних, что увеличивает нагнетание раствора в грунт в 4–25 раз. При этом прочность грунта возрастает до 0,5–1,5 МПа.
Расстояние между электродами-инъекторами: при коэффициенте 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 составит 0,35; 0,45; 0,6; 0,8 соответственно.
Электросиликатизацию можно широко применять для закрепления слабых грунтов.
Газовая силикатизация основана на применении в качестве отвердителя силиката натрия углекислого газа. Существует два варианта этого способа — без предварительного и с предварительной обработкой песчаного грунта углекислым газом. По первому варианту закрепление грунтов ведется по схеме: грунт + + раствор силиката натрия + СО2; по второму: СО2 + грунт + раствор силиката натрия + СО2. Последний вариант более эффективен, так как дает довольно высокую прочность (до 2 МПа) и в 150–500 раз снижает водопроницаемость грунта.
Газовая силикатизация позволяет закреплять песчаные грунты с различной степенью влажности, имеющих коэффициент фильтрации 0,1–0,2 м/сут, а также лессовые грунты.
Газовая силикатизация выполняется по следующей технологии. В грунт через забитые инъекторы или специально оборудованные скважины подается раствор силиката натрия, затем туда же нагнетается под небольшим давлением (0,05–0,2 МПа) углекислый газ в количестве 2–3 кг/м3. С помощью углекислого газа осуществляется перемещение неотвержденной части силикатного раствора в незакрепленный грунт, в результате чего при обычных расходах силикатного раствора объем закрепленного грунта увеличивается в два раза.
Смолизация грунтов представляет собой закрепление песчаных и лессовых грунтов синтетическими смолами.
Закрепление песчаных грунтов карбамидной смолой разработано проф. Б.А. Ржаницыным. Сущность способа состоит в том, что водный раствор смолы 22–25 %-й концентрации с добавкой в него 3–5 %-го раствора соляной кислоты нагнетают под давлением 0,3–0,5 МПа в грунт, который закрепляется в результате образования геля.
Смолизация грунтов применяется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации 0,5–50 м/сут. При наличии в песках глинистых частиц (1–3 %) и карбонатов (1–3 %) песок предварительно обрабатывают 3 %-м раствором соляной кислоты. Преимущество этого способа состоит в том, что его применение обеспечивает высокую (до 3,5 МПа) прочность закрепленного песка на осевое сжатие.
Смолизация применяется для закрепления лессовых грунтов с коэффициентом фильтрации 0,1–2 м/сут.
Карбамидные смолы обладают хорошими свойствами смешиваться с водой в любых соотношениях, давая при этом растворы малой вязкости. Закрепляющий раствор состоит из двух компонентов — разбавленной карбамидной смолы КМ или МФ и соляной кислоты. Время гелеобразования легко регулируется количеством вводимого отвердителя.
Для закрепления грунтов применяют метод инъекции. Инъекция раствора осуществляется под давлением через трубы — инъекторы, погруженные в грунт.
Раствор, нагнетаемый в однородный грунт через одиночное отверстие в трубе, распространяется равномерно по всем направлениям, и конфигурация закрепленного грунта в этом случае будет близка к форме шара.
При нагнетании химического раствора через инъектор с отверстиями, расположенными по всей его длине (0,8–1 м), объем закрепленного грунта практически принимает форму цилиндра.
Радиус закрепления при силикатизации и смолизации грунта назначается в зависимости от вида и водонепроницаемости грунтов (табл. 2.2).
Длину действующей (перфорированной части инъектора) или инъекционной скважины принимают для грунтов однородного сложения равной 1 м, для грунтов неоднородного сложения — 0,5 м. При закреплении однородных просадочных суглинков через инъекционные скважины величина l может быть увеличена до 3 м.
Режим нагнетания закрепляющих реагентов (удельные расходы, давления, последовательность нагнетания в плане и по глубине) назначают в зависимости от водопроницаемости грунтов, инженерно-геологических условий участка и характера решаемой задачи.
От режима нагнетания зависит выбор необходимого оборудования.
Таблица 2.2
Величина радиуса химического закрепления грунтов
Способ |
|
Коэффициент |
Радиус |
|
Вид грунта |
фильтрации, |
закрепления |
||
закрепления |
||||
|
м/сут |
грунта, м |
||
|
|
|||
|
|
|
|
|
Силикатизация |
Пески разной |
5–10 |
0,3–0,4 |
|
двухрастворная |
крупности |
10–20 |
0,4–0,6 |
|
|
|
20–50 |
0,6–0,8 |
|
|
|
50–80 |
0,8–1 |
|
Силикатизация |
Пески разной |
0,5–1 |
0,4–0,6 |
|
однорастворная |
крупности |
1–2 |
0,6–0,8 |
|
двухкомпонентная |
|
2–5 |
0,8–1 |
|
|
|
|||
Силикатизация |
То же |
0,5–1 |
0,3–0,6 |
|
газовая |
|
1–5 |
0,5–0,8 |
|
|
|
5–20 |
0,8–1 |
|
Силикатизация |
Лессовый и |
0,2–0,3 |
0,4–0,7 |
|
однорастворная |
просадочный |
0,3–0,5 |
0,7–0,8 |
|
однокомпонентная |
грунт |
0,5–2 |
0,8–1 |
|
|
|
|||
Смолизация |
Пески разной |
0,5–1 |
0,3–0,5 |
|
однорастворная |
крупности |
1–5 |
0,5–0,65 |
|
двухкомпонентная |
|
5–10 |
0,65–0,85 |
|
|
|
|||
|
|
10–20 |
0,85–0,95 |
|
|
|
20–50 |
0,95–1 |
|
Смолизация |
Лессовый |
0,1–0,3 |
0,3–0,4 |
|
|
просадочный |
0,3–0,5 |
0,4–0,6 |
|
|
грунт |
0,5–1 |
0,6–0,9 |
|
|
|
|||
|
|
1–2 |
0,9–1 |
В основу расчета параметров инъекции при силикатизации и смолизации положен объем закрепленного грунтового массива от единичной инъекции в форме условного цилиндра радиусом r и высотой l3, равновеликий объему действительного закрепленного массива в форме, близкой к эллипсоиду вращения (рис. 2.25, а). Радиус цилиндра условно называется радиусом закрепления, а его высота представляет собой величину перемещения действующей части инъектора вдоль оси от одной единичной инъекции. Расчет параметров позволяет получить сплошной закрепленный массив (рис. 2.25, б).
а) |
б) |
|
|
Рис. 2.25. Расчетная схема инъекционного химзакрепления грунта:
а— для единичной заходки; б — для сплошного массива; 1 — расчетный массив закрепленного грунта от одной заходки; 2 — действительный массив закрепленного грунта от одной заходки для однородной среды; 3 — инъекторы или
инъекторные скважины; 4 — перфорированная часть инъектора или действующая часть скважины; 5 — сплошной массив закрепленного грунта
Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в шахматном порядке. Расстояние между рядами инъекторов и расстояние между инъекторами d рассчитывают по формулам:
d = 1,5r, |
(2.1) |
d1 = 1,73r. |
(2.2) |
Расход раствора, как установлено практикой, находится в зависимости от коэффициента фильтрации (табл. 2.3).
Таблица 2.3
Расход раствора в зависимости от коэффициента фильтрации (ориентировочно)
Коэффициент фильтрации Кф, |
0,5–5 |
5–10 |
10–20 |
20–30 |
|
м/сут |
|||||
|
|
|
|
||
Расход раствора Q, л/мин |
1–5 |
5–10 |
10–15 |
15–20 |
2.4.2.Инъекционные растворы
Вобщем случае для укрепления грунтов и снижения их водопроницаемости применяют растворы на основе: цемента — чистые цементные, цементно-песчаные, цементноглинистые, цементно-песчано-глинистые, цементно-полимерные, цементно-силикатные и аэрированные цементные растворы; битумные мастики и эмульсии; глинистые и глиносиликатные растворы; силикатные, силикатно-органические растворы; растворы смол (мочевиноформальдегидных, эпоксидных смол, хромлигниновых соединений). Области применения различных растворов зависят от: характеристик растворов и грунтов (степени дисперсности раствора — суспензия, коллоидный или истинный раствор, типа грунта — скальный или нескальный, трещиноватости, пористости, коэффициента фильтрации и т.д., минералогического и химического состава — карбонатность, загипсованность, содержание глинистых частиц, показатель рН и др.); назначения инъекции (повышение прочности или водонепроницаемости) — табл. 2.4.
Общими требованиями для инъекционных растворов являются: высокая проникающая способность; обеспечение максимального выхода тампонажного камня до 95–100 %;