8.2. Силікатизація піщаних і лесових ґрунтів.

Силікатизація – це хімічний спосіб ущільнення і зміцнення піщаних і лесових ґрунтів неорганічними звязуючими, який полягає в нагнітанні крізь систему свердловин о пори ґрунту розчину силікату натрію (рідкого скла) у співвідношенні з розчинами тужавлення. В результаті їх взаємодії виділяється гель кремнієвої кислоти, який перетворює грунт в водонепроникний масив з міцністю на стискання для піщаних ґрунтів до 4…6 мПа, а для лесових – 0,8…1,2 мПа. Одночасно лесові ґрунти стають непросідаючими.

Розрізняють одно- і дворозчинну силікатизацію. Однорозчинна силікатизація застосовується для ущільнення дрібних і пилуватих пісків з коефіцієнтом фільтрації від 0,5 до 5 м/добу, а просідаючих ґрунтів від 0,2 до 2 м/добу і передбачає нагнітання в грунт чистого розчину силікату натрію з введенням в нього хімічних додатків – затверджувачів. У якості затверджувачів (коагулянтів) застосовуються розчини ортофосфатної кислоти, фосфатної кислоти у сполученні з однозаміщенним фосфорнокислим натрієм або розчином цієї солі без кислоти, кремнієвофтористоводневої кислоти, алюмінат натрію тощо.

Час гелеутворення при температурі 20°С складає від 1…3 до 10 год. Робочий розчин рідкого скла повинен мати щільність 1,15…1,3 т/м³, коагулянт – 1,0…1,05 т/м³.

Двохрозчинна силікатизація застосовується для зміцнення і ущільнення піщаних грунтів з коефіцієнтом фільтрації від 2 до 80 м/добу і передбачає в послідовному або одночасному нагнітанні розчину рідкого скла і хлористого калію. В результаті їх взаємодії в порах грунту виділяється гель кремнієвої кислоти.

Основним матеріалом для силікатизації є рідке скло, яке представляє собою розчин силікату лужних металів. Для силікатизації грунтів застосовують розчини силікату натрію з модулем в межах 2,7…3,0 і щільністю 1,2…1,3 т/м³ при закріпленні піщаних грунтів, і 1,1…1,2 т/м³ при закріпленні просідаючих лесових грунтів.

Розчин силікату натрію отримують шляхом розварки в автоклавах силікат-глиби при температурі 140…160°С або доставляють його на об’єкт у рідкому вигляді з щільністю 1,4…1,5 т/м³. Робочу концентрацію рідкого скла ( , т/м³) призначають залежно від коефіцієнта фільтрації ґрунтів (Кф, м/добу).

Силікатний розчин зміщується з водою в таких відношеннях: необхідний об’єм води W, л, для отримання розчину необхідної щільності можна визначити за формулою:

,

де, - відповідно щільність вихідного і кінцевого розчину силікату, л.

Розчин хлористого калію при двох розчинній силікатизації повинен мати щільність 1,26…1,28 т/м³, а величину рН ≥ 5,5. При силікатизації лесових грантів в пори нагнітають тільки чистий розчин рідкого скла, а роль коагулянта виконує сам грунт, а особливо водорозчинні солі, що в ньому містяться.

Обладнання для силікатизації складається з ланок труб-ін'єкторів з внутрішнім діаметром від 25 до 50 мм і довжиною кожної ланки 1,0..1,5м (рис.1). Ін'єктор занурюють у грунт до глибини 15 м забиванням, а при більшій глибині – встановлюють в заздалегідь пробуреній свердловині. Відхилення свердловин для ін'єкторів від проектного напрямку не повинно перевищувати 1% при глибині до 40 м і 0,5% - при більшій. Розчин в систему подається, як павило, плунжерними насосами типу ПС-4Б і НС-3, НД або шестеренчастого типу БГ з витратою до 5 л/хв.. крізь мережу з гумових шляхів з тканевими прокладками з внутрішнім діаметром 12…19 і 25 мм, які розраховані на тиск 3мПа.

Рис.8.1. Схема закріплення грунту силікатизацією за допомогою ін'єкторів:

а –переріз ін'єктора; б – розташування ін'єкторів у плані; в – розріз по осі розташування ін'єкторів (l-довжина порфірової частини ін'єктора); 1- наголовник; 2 - Піпнель наголовника; 3 – накидна гайка; 4 – штуцер; 5 – шланг; 6 – колона труб; 7 – перфорована ланка; 8 – наконечник.

Роботи по силікатизації виконують у відповідності з проектом, який складено на основі комплексних вишукувань. В ньому встановлюють межі закріплення, розташування ін'єкторів у плані, глибину завіси , склад розчинів, режим нагнітання на кожній заходці, загальну витрату розчину і на одну заходку.

При необхідності здійснюють дослідне нагнітання. Ін'єктори розташовують у шахматному порядку з віддаллю між ін'єкторами в рядах 1,75R, а між рядами – 1,5R (рис.1).

Радіус закріплення (R) залежить від коефіцієнта фільтрації грунтів і при закріпленні одно розчинною силікатизацією пісків орієнтовно може бути прийнятий 0,3…0,4 при Кф = 0,3..0,5 м/добу і 0,8..1,0 м при Кф = 2..5 м/добу. при закріпленні лесових грунтів 0,3…0,4 м при Кф = 0,1..0,3 м/добу і 0,9…1,0м при Кф = 1…3 м/добу.

При закріпленні пісків двох розчинною силікатизацією значення R можна визначити за формулою Б. А. Ржаніцина:

Розчин у грунт нагнітають заходками, глибина яких дорівнює довжині перфорованої ланки ін'єктора + 0,5R.

Однорідні за проникністю грунти закріпляють заходками зверху вниз. Якщо на глибин завіси залягають більш проникнення грунти, то закріплення ведуть заходками знизу до верху, при більшій фільтраційній анізатронії грунтів (більше 20%) закріплення виконують за шарами у порядку зменшення їх проникненості.

У піщаних грунтах ін'єктор, як правило , забивають на глибину до 12…15 м, а у гравійних – до 3…4 м. При більших глибинах попередньо пробурюють свердловину довжиною на 2…3 м більше глибини закріплення масиву.

При двох розчинній силікатизації нагнітання хімічних розчинів здійснюється послідовно, послідовно-спільно і спільно.

Послідовне нагнітання розчину виконують при закріпленні грунтів при швидкості руху грунтових вод до 1 м/добу, послідовно-спільно – від 1 до 3м/добу і спільно – більше 3 м/добу. При першому способі заходками зверху донизу на всю глибину закріплюючого масиву нагнітають рідке скло, а потім, заходками знизу до верху – хлористий кальцій. При другому способі почергово у кожну заходку нагнітають розчин рідкого скла і хлористого калію. При спільному способі в грунт забивають на повну глибину одночасно два ін'єктора на віддалі 0,15…0,2 м. Закріплення здійснюється знизу доверху. Спочатку крізь ін'єктор, що розташований вище за течією грунтових вод, нагнітають рідке скло, а потім через 10…15 хв, коли розчин рідкого скла зміститься до отвору другого ін'єктора, в нього нагнітають розчин хлористого калію.

Розчин в грунт нагнітають рівномірно зі швидкістю 1…5 л/хв. залежно від коефіцієнта фільтрації грунту. Таке нагнітання, як правило, приймають не вище 1,5 мПа при закріпленні крупних і середньої крупності пісків і 0,5 мПа – при закріпленні лесовидних грунтів, дрібних і пилуватих пісків.

Перерви між нагнітанням рідкого скла і хлористого кальцію не повинні перевищувати рекомендованого часу:

Витрата розчинів для силікатизації грунтів визначається за формулами:

для пісків кріпних і середньозернистих:

для дрібнозернистих і пилуватих пісків:

для лесових грунтів:

,

де V – об’єм закріпленого грунту, м³; m – пористість.

Обладнання, що використовувалося для силікатизації (насоси, шланги, баки) періодично і по закінченню робіт промивають гарячою водою. Свердловини після видалення ін'єкторів тампонують цементними розчином.

Контроль якості робіт здійснюється шляхом безперервного спостереження за якістю вихідних матеріалів і розчинів. Оцінку закріпленого масиву здійснюють пробурюванням свердловин і проходженням шурфів з відбором монолітів, а також методами електрокаротажа і зондуванням. Контроль пробурювання виконують не раніше, ніж через дві доби після завершення робіт. Число контрольних свердловин, як правило, складає 2…3 % від загальної кількості місць нагнітання, а шурфів – один на 500 м³ закріпленого масиву.