286

УДК 625.731

В рекомендациях изложены требования к материалам и оборудованию, методика подбора состава химреагента для обработки грунта, правила проектирования, производства и контроля качества работ по ликвидации пучинообразования дорожных конструкций способом управляемого защелачивания глинистых грунтов.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ), 2011 г.

2

3

Предисловие

Одной из характерных причин повреждения дорожных конструкций является процесс их пучинообразования. На юге Западной Сибири пучинообразованию подвержено 4-5% от общей протяженности сети дорог. Для ликвидации пучинообразования обычно применяют отвод подземных (дренаж) и поверхностных вод (уполаживание откосов, устройство берм), замену пучинистого грунта, устройство различных гидроизолирующих и армирующих прослоек, теплоизоляционных слоев. На время производства работ необходима приостановка движения автотранспорта.

Сцелью ликвидации пучинообразования дорожных конструкций без

приостановки движения разработан способ управляемого защелачивания

глинистых грунтов земляного полотна, заключающийся в нагнетании водного раствора щелочи (NaOH) с добавкой извести (CaO) через инъекторы, погруженные в нем горизонтально. Наряду со снижением степени пучинистости повышается несущая способность земляного полотна. Способ защищен патентом РФ №2407859[1].

У глинистых минералов в щелочной среде происходит дополнительная диссоциация поверхностных структурных гидроокислов (по сравнению с нейтральной средой) с последующим обменом H+ на Na+ из раствора щелочи и образованием воды.

Процессы диссоциации поверхностных ОН- - групп и обмена H+ на Na+ растут с увеличением концентрации раствора щелочи. При низких концентрациях раствора (<1н.) поглощение грунтом щелочи в основном контролируется обменными реакциями и физико-химическим процессом увеличения емкости обмена твердых частиц. По мере роста концентрации раствора наряду с обменными физико-химическими протекают химические процессы частичного растворения кристаллической решетки минералов твердой фазы грунта и выделение из растворов значительно менее растворимых химических соединений, по отношению к которым контактирующий раствор оказывается

4

пересыщенным. В отсутствие пересыщения новых соединений в растворе образовывается мало, поскольку срастание частиц и их агрегатов за счет новой фазы происходит лишь при достаточно высоких концентрациях раствора (>1 н.).

Снижение пучинистости глинистых грунтов при обработке их щелочными растворами высоких концентрации связано с возникновением новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения алюмосиликатного ядра глинистых, некоторых первичных и типоморфных минералов. Так, внедрение ОН- иона щелочи в координационную сферу атомов

Al и Si алюмосиликатов приводит к разрушению связей Si – О – Al, а затем и Si –

О – Si с выходом из решетки в раствор оксидов кремния и алюминия с последующим формированием по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия содалитоподобного типа.

Методические рекомендации разработаны на основе результатов экспериментально-теоретических и опытных работ инженером Самойленко А.Б.

под научным руководством доктора технических наук, профессора Шестакова В.Н. Они учитывают основные положения и опыт защелачивания глинистых грунтов БашНИИстроя[2].

Разработчики Рекомендаций признательны руководству ООО «ГЕОН» (г.

Омск) за содействие в проведении опытных работ по управляемому защелачиванию глинистых грунтов.

1.Общие положения

1.1Рекомендации распространяются на проектирование и производство работ по ликвидации пучинообразования эксплуатируемых дорожных конструкций путем инъекции химического раствора, без остановки движения на участке производства работ.

1.2Управляемое защелачивание – способ, основанный на инъекцировании в морозоопасный глинистый грунт земляного полотна при помощи инъекторов водного раствора щелочи NaOH, определенной концентрации, которые вступают

5

внеобратимые химические реакции с глинистыми минералами с возникновением новообразований, цементирующих частицы грунта. Сущность управления состоит

винъекцировании в земляное полотно рабочего раствора, требуемых состава и количества, подобранного на основе лабораторных испытаний пучинистого грунта земляного полотна. Такая обработка грунтов обеспечивает необратимость приобретенных ими свойств в течение срока службы дорожных конструкций. В

качестве химического раствора используется водный раствор гидроксида натрия с концентрацией более 1н с добавкой негашеной извести.

Целью управления является достижение глинистым грунтом земляного полотна требуемой степени пучинистости (непучинистого или слабопучинистого).

1.3Способ управляемого защелачивания применяется в глинистых грунтах с числом пластичности 3-25; пористостью не ниже 35%; содержанием гипса не более 6%. Не рекомендуется применять способ при действительной скорости грунтовых вод в обрабатываемом слое земляного полотна более 1 м/сут.

1.4Применение указанного способа возможно при температуре обрабатываемого грунта не ниже 0 0С и температуре растворов, поступающих в него не ниже 10 0С (предпочтительно 50-60 0С).

1.5Работы по ликвидации пучинообразования глинистых грунтов земляного

1.6 Применение щелочных растворов NaOH в глинистых грунтах не представляет какой-либо опасности загрязнения окружающей среды. В таких

грунтах преобладает диффузионный, а не фильтрационный механизм

продвижения раствора щелочи, т.к. грунт играет роль естественного геохимического барьера[2].

6

2. Требования к материалам

2.1Для защелачивания глинистых грунтов земляного полотна применяется водный раствор гидроксида натрия NaOH с добавкой негашеной извести CaO.

2.2Гидроксид натрия должен удовлетворять требованиям ГОСТ 2263-79[3].

2.3Известь (негашеная комовая) должна удовлетворять требованиям ГОСТ

9179-77[4].

2.4Вода должна удовлетворять требованиям ГОСТ 23732-79[5].

2.5Гидроксид натрия доставляется к месту проведения работ в виде кристаллического порошка, либо в виде насыщенного раствора, плотностью 1,49- 1,52 г/см3.

3. Подбор состава химреагента

3.1 Состав химреагента подбирается с целью определения концентрации рабочего раствора, которая обеспечит требуемую степень пучинистости глинистого грунта (непучинистый или слабопучинистый), при минимальной стоимости материала.

При защелачивании глинистых грунтов земляного полотна применяются рабочие растворы гидроксида натрия от 2,5 до 7,5 н концентрации.

3.2 Количество кристаллического порошка гидроксида натрия, необходимое для приготовления 1м3 рабочего раствора заданной концентрации, определяется по табл.1, с учетом зависимости плотности рабочего раствора от температуры:

где: t =3.75*10-4 , г*(см3 * 0С)-1.

3.3Для активации грунта в раствор щелочи вводят добавку негашеной извести

вколичестве 1-2% от массы раствора.

3.4Рабочий раствор требуемой концентрации приготавливается в лабораторных условиях следующим образом: в тарированную емкость засыпается требуемое количество гидроксида натрия (табл. 1) и извести, затем в емкость

7

заливается требуемое количество воды; в процессе наполнения емкости водой раствор тщательно перемешивается.

Таблица 1

Значение параметров растворов щелочи различной концентрации

Примечание: 1. Для промежуточного значения концентрации рабочего раствора количество кристаллического порошка щелочи определяется линейной интерполяцией.

2. Нормальность раствора – концентрация раствора, выраженная числом грамм-

эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

3.5 Для подбора состава химреагента используются грунты, отобранные из тела земляного полотна обследуемого участка. Для каждого подбираемого состава химреагента необходимо не менее 3-х образцов. Образцы из грунта нарушенной структуры изготавливаются уплотнением в кольцах (диаметр100 мм, высота 150

мм). При этом плотность грунта в образце должна соответствовать плотности сухого грунта в теле земляного полотна. Затем, для предохранения грунта от деформаций набухания, они устанавливаются между двумя перфорированными пластинами из оргстекла, скрепленными между собой болтовым соединением.

Образцы помещаются в плотно закрывающиеся эксикаторы, в которые наливается рабочий раствор гидроксида натрия на 2-3 мм ниже поверхности, чтобы обеспечить вытеснение воздуха из пор.

3.6 Образцы в кольцах выдерживаются в растворе щелочи в течение 30

суток[6], после чего помещаются в установку для определения вертикальной деформации морозного пучения hf. В соответствии с требованиями ГОСТ 28622-

8

где hf - вертикальная деформация образца грунта в конце испытания, мм; di -фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.

По результатам испытания оценивается степень пучинистости грунта(табл. 2).

Таблица 2

Оценка степени пучинистости грунта

3.7 По результатам подбора состава химреагента определяется минимальный

по его стоимости состав, обеспечивающий требуемую степень пучинистости

грунта.

4. Обоснование конструктивно-технологических параметров

4.1 Исходными данными для разработки проектной документации по ликвидации пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием являются:

- сведения об участке дороги, подверженного пучинообразованию, с

характеристиками интенсивности и вида движения, состояния проезжей части и системы водоотвода, грунтов земляного полотна и их физико-механических

9

свойств, глубины залегания грунтовых вод, а также анализа причин образования пучин;

- чертежи продольного и поперечного профилей пучинистого участка дороги,

конструкции дорожной одежды, план участка дороги с расположением скважин и контрольных шурфов;

- результаты лабораторных испытаний по подбору состава химреагента для защелачивания грунта (см. раздел 3).

4.2Обоснование конструктивно-технологических параметров ликвидации пучинообразования дорожной конструкции выполняется в такой последовательности:

назначается требуемая степень пучинистости грунта (непучинистый или слабопучинистый);

согласно п. 6.14 СНиП 2.05.02-85[8] и п.4 ОДН 218.046-01[9]

определяется требуемая толщина рабочего слоя hсл из непучинистого или слабопучинистого грунта;

назначаются расчетные характеристики (концентрация рабочего раствора, добавка извести, количество и месторасположение точек инъекции, радиус обработки r, объем раствора рабочей концентрации на одну заходку Qр и на инъекцию в целом).

4.3Радиус распространения раствора r назначается равным половине требуемой толщины слоя обработки hсл, с округлением в большую сторону с кратностью 5 см. Максимальный радиус распространения раствора 0,7м,

минимальный 0,15м.

4.4 Точки инъекции располагают на величину радиуса r ниже подошвы дорожной одежды, а расстояние между точками инъекции не должно превышать

1,73 r[10].

4.5 Нагнетание раствора щелочи в грунт производится заходками. Расчетная длина одной заходки lз равна длине перфорированной части инъектора l плюс радиус распространения раствора r (рис.1).

10