Билет 1

1 Предмет, задачи и методы ТМГ

ИГ призвана обеспечить и-г обоснование для любых видов строительства. Поскольку природные условия бывают разными, то и реализация проектов различна. И-г обоснование – изучение и-г условий территории. Если условия простые (1 категория) – ничто не мешает перейти к проекту, затем к строительству. Если условия неблагоприятные (2 и 3 категории) – требуется расчет напряженно-деформированного состояния, и если расчет показывает, что строительство можно начинать, то переходят к проекту. В крайне неблагоприятных условиях (распространены специфические грунты или и-г процессы) после расчета НДС оказывается, что грунты недостаточно хороши, тогда приходится применять методы ТМГ. Эти методы дорогостоящие, могут применяться оперативно как на предпостроечной стадии, так и при эксплуатации.

Предметом технической мелиорации грунтов (ТМГ) является изучение из­менения состава, структуры, состояния и свойств грунтов в результате приме­нения методов их искусственного улучшения. Под таким изучением понимается прежде всего оценка грунтов как природных геологических образований, которые искусственно могут быть видоизменены в различных направлениях в зависимости от требований к их поведению в составе геотехнических систем. Сюда относится также разработка методов рационального изменения физи­ко-механических, физико-химических и фильтрационных свойств грунтов. Свойства искусственно полученных грунтов изучают не статически, а с уче­том их изменения во времени под влиянием естественных и искусственных факторов.

Основными задачами технической мелиорации грунтов являются:

1)целенаправленный анализ процессов природного диагенеза, катагенеза, метаморфизма и гипергенеза при определении геохимически оптимальных условий искусственного воздействия и прогноза характера и направленности процессов, происходящих в искусственных грунтах под влиянием окружаю­щей среды;

2)изучение и оценка грунтов как объектов искусственного воздействия в целях определения условий и эффективности методов их уплотнения и упрочнения для улучшения физико-механических и фильтрационных свойств;

3)исследование механизма и кинетики формирования искусственных грун­тов в различных литологических, гидродинамических и гидрохимических ус­ловиях;

4)изучение инженерно-геологических особенностей искусственных грун­тов и прогноз их изменения во времени с учетом изменения физико-химиче­ских параметров среды как в пределах массивов мелиорированных грунтов, так и в примыкающих к ним участках литосферы;

5)совместная с инженером-технологом и проектировщиком разработка приемов и критериев инженерно-геологической типизации массивов грунтов в целях оптимизации технологических схем различных видов искусственного воздействия (дренирование, инъецирование, нагревание и т.п.);

6)разработка методов контроля качества закрепления для получения ко­личественной характеристики физико-механических свойств мелиорирован­ных грунтов и оценки их изменчивости в пространстве и во времени.

Современный уровень теоретических и методических основ технической мелиорации грунтов позволяет решать сложные и разнообразные практичес­кие задачи в ходе инженерно-хозяйственного освоения геологической среды. Методы мелиорации обычно используются при решении следующих техничес­ких задач:

-усиление оснований зданий и сооружений;

-устройство противофильтрационных завес, экранов и стенок;

-предупреждение деформаций склонов и откосов;

-увеличение несущей способности свай и анкерных устройств;

- защита поверхностных и подземных вод от загрязнения;

-предупреждение деформаций горных выработок и тоннелей и борьба с водопритоками;

- создание материалов с заданными физико-механическими и фильтраци­онными свойствами;

-устройство набивных и инъекционных свай;

-возведение земляных сооружений (плотин, дамб, перемычек и т.д.);

-создание оснований, стенок и откосов на основе предварительно напря­женных (армированных) грунтовых систем.

Сформи­ровавшийся к настоящему времени спектр физико-технологических принци­пов и методов по природе основных действующих (преобразующих) факторов и происходящих при этом процессов объединяются в три группы:

-гидро-геомеханическая мелиорация, традиционно именуемая как уплот­нение и осушение грунтов;

-геохимическая (или физико-химическая) мелиорация;

-геотехническая мелиорация, чаще встречается в литературе под названи­ем армирование грунтов.

Технико-экономическая целесообразность, возможность и конкретная специфика использования того или иного принципа, а также характер и стабиль­ность достигаемого эффекта зависят от условий (внутренних факторов), в ко­торых развивается данный внешний фактор, т.е. от инженерно-геологических условий среды. Типовые методы, приведенные в классификации, в общем виде иллюстрируют это положение. Повышение качества соответствующих участ­ков геологической среды средствами ТМГ сводятся в конечном счете к изме­нению структуры грунтов на различных масштабных уровнях путем увеличе­ния плотности сложения, прочности структурных связей, внутреннего каркасообразования.

2 Кольматация песчаных грунтов

Специфическим процессом, который сопровождается увеличением плот­ности пористых грунтов является кольматация в различных формах. Кольматация как способ мелиорации представляет собой вмыв глинистых частиц в поры и небольшие трещины грунтов в целях уменьшения их фильтрационной способности. Процесс кольматации в виде заполнения порового пространства тонкими частицами, находящимися во взвешенном состоянии в фильтрующей­ся воде, проявляется при эксплуатации мелиоративных, гидротехнических и санитарно-технических сооружений, при очистке сточных вод и в песчаных фильтрах. В процессе эксплуатации дренажа часто наблюдается постоянное снижение расхода воды в дренажных системах за счет кольматации фильтру­ющих грунтов и обратных фильтров.

В 1936г М.М. Филатов проводил опыты: 1 кг песка осаждается в литровом цилиндре, в котором находится суспензия глины, и сделал вывод, что процесс кольматации описывается кривой Вейна Мюра (мономолекулярная адсорбция), на основании чего, решил что кольматация имеет физико-химическую природу, а результатом кольматации является возникновение коагуляционной структуры в грунте.

Опыты Серегеева: Трубка заполняется песком, через нее потом пропускают суспензии разных глин, концентрацией от 0,001 до 0,1%. Первые порции были прозрачные, потом появилась взвесь, этим подтвердили физ-хим природу кольматации.

Вмывание мелких частиц в грунт определяется соотношением d_ср частиц суспензии/ d_ср песка, для успешного продвижения суспензии диаметр частиц суспензии должен быть в 20 раз меньше диаметра пор.

Затем Сергеев решил пропускать песок через 1% суспензию различных глин. Каолинитовая – процесс механического соосаждения, Na-бентонит и Na- глина и гидрослюда – процесс физ-хим взаимодействия глинистых частиц с поверхностями песчаных частиц. В итоге: Ar=Pg/(Bp*l)*100%. Ar- показатель адсорбционной способности грунта, Pg- потеря глинистых частиц суспензии, Bp- вес песка, l- высота столба суспензии. Ar для гидрослюды 0.12, монтмориллонит – 0.06, каолинит – 0.05.

На кольматацию влияет гран. состав (в крупные пески глин частицы вмываются на 20 см, в средние – на 14, в мелкие – на 3,5 см). В результате кольматации на поверхности песка образуется найлог. Свойства суспензии влияющие на кольматацию: кол-во водорастворимых солей, состав обменных катионов, минеральный состав. Лучшие кольматанты: глины и тяжелые глины, с содержанием водорастворимых солей до 5-6%. Концентрация суспензии для гидрослюдистых глин меньше 1%, для каолинита до 4%. Закольматированные массивы недолговечны, в случае открытого котлована – 1-2 сезона.

3 Двухрастворный способ силикатизации песков

Двухрастворный способ силикатизации предложен впервые И. Езерским в 1886 г. (Германия). Сущность способа состояла в нагнетании под давлением через полые трубки растворов калиевого или натриевого жидкого стекла, а затем растворов солей щелочноземельных металлов, например ВаС1₂, СаС1₂, MgCl₂, Ba(N0₃)₂, Ca(N0₃)₂, Mg(N0₃)₂ Способ был применен при создании фундаментов-опор мостов и укреплений стенок шахт в водонасыщенных грун­тах. Перед инъекцией закрепляющих растворов автор рекомендовал пропус­тить через трубы-инъекторы сжатый воздух для оттеснения воды из грунта.

Основная идея способа заключается в нагнетании двух различных химиче­ских веществ, которые, вступая между собой в реакцию, дают нерастворимый осадок, заполняющий трещины и пустоты, и производят, таким образом, укрепление и уплотнение грунта. В качестве таких растворов были использова­ны натриевое или калийное растворимое стекло и растворы различных хло­ристых солей. Наилучший эффект получался при использовании растворов хлористых солей щелочноземельных металлов.

В российском варианте способ основан на использовании раствора силиката натрия и растворов солей двух и трехвалентных металлов, из которых наиболее эконо­мичным и недефицитным является хлористый кальций. Быстрота протекаю­щих реакций взаимодействия между силикатом натрия и хлористым кальци­ем обусловливает возможность закрепления пород при наличии подземных вод с большой скоростью движения.

Основная реакция взаимодействия между раствором силиката натрия и хло­ристым кальцием происходит по схеме:

Na₂0*nSi0₂ + СаС1₂ + mH ₂0= nSi0₂*(n - 1)Н₂0 + Са(ОН)₂ + 2NaCl

На контакте растворов жидкого стекла и хлористого кальция, вследствие коагуляции, образуется пленка кремневой кислоты, через которую в раствор хлористого кальция диффундирует щелочь. Обедненное щелочью жидкое стек­ло постепенно желатинизируется и переходит в гидрогель кремневой кисло­ты. Щелочь взаимодействует с хлористым кальцием, при этом образуется гид­роокись кальция и хлористый натрий. Насыщение раствора хлористого каль­ция гидроокисью кальция приводит в последующий период к выпадению твердой фазы Са(ОН)₂. Со временем гидроокись кальция вступает во взаимо­действие с кремневой кислотой и образуется силикат кальция. Эта реакция протекает очень медленно, в течение многих месяцев. Технологически двухрастворный способ осуществляется путем последовательного нагнетания растворов силиката натрия с плотностью 1,35-1,44 г/см³ и хлористого кальция плотностью 1,25-1,26 г/см³ через систему инъекторов, забитых в грунт. Со­единения, образовавшиеся в результате химических и физико-химических ре­акций, цементируют рыхлые песчаные грунты, придают им прочность и обес­печивают водонепроницаемость. Прочность закрепления зависит как от со­става и свойств жидкого стекла, так и от состава грунта и степени его увлажнения.

Прочность закрепления зависит от концентрации раствора жидкого стек­ла: чем больше разведение стекла, тем ниже прочность. Это необходимо учитывать при закреплении грунтов. При закреплении водонасыщенных песков концентрация рабочих растворов силиката натрия должна быть мак­симальной. Однако применение высококонцентрированных растворов сили­ката натрия с плотностью более 1,44 г/см³ затруднено в связи с резким возрас­танием вязкости, которая достигает значения 9,5-10,0 сПа, что обусловлива­ет резкое уменьшение проникаемости растворов в породу и сокращение радиуса закрепления.

Прочность закрепленных песков зависит от времени. Основное нараста­ние прочности (70-80%) наблюдается в первые 10 суток, остальные 20-30% прочности добавляются постепенно в течение трех месяцев. Дисперсность пес­чаных грунтов и, соответственно, величина удельной поверхности оказывает непосредственное влияние на результаты закрепления. Увеличение дисперс­ности приводит к росту числа контактов в закрепленном грунте, что обуслов­ливает рост прочности.

Исследования, проведенные на различных фракциях кварцевого песка, позволили установить эмпирическую зависимость вида:

δсж =0,015*S*M_C*³√Sуд

где а^ - прочность на одноосное сжатие, МПа; S - содержание Si0₂ в жид­ком стекле; М_с - модуль жидкого стекла; S_уд - удельная поверхность частиц см²/см³. Недостатком этой зависимости является отсутствие учета качества поверхности песчаных зерен. Можно только предположить, что коэффициент 0,015 в какой-то степени отражает влияние состава и рельефа поверхности частиц.

Влияние примесей глинистых частиц в песчаных грунтах на прочность за­крепления весьма значительно и двойственно. С одной стороны, высокая физико-химическая активность глинистых фракций обусловливает повышенные результаты по прочности закрепления (табл.49). С другой, - присутствие гли­нистых фракций снижает проницаемость пород и радиус закрепления. Влияние минералогического состава песков при закреплении их двухрастворным способом специально не исследовалось. Однако уже в 1935 г. Б.А. Ржаницын отмечал, что значительная часть минералов, в особенности кварц, принимает участие в происходящих процессах. Это предположение вытекало из условия, что закреплению могут быть подвергнуты только те грунты, частицы которых адсорбируют на своей поверхности кремнекислоту.Разработка двухрастворного способа явилась важным этапом развития инъекционного закрепления песчаных грунтов. Способ не потерял своего зна­чения и в настоящее время. Границы применимости двухрастворного способа силикатизации установлены для песчаных грунтов с коэффициентом фильт­рации не менее 2 и не более 80 м/сутки. Верхний предел применимости ограни­чивается песчано-гравелистыми грунтами, для закрепления которых уже воз­можно применять цементацию.

Недостатками двухрастворного способа является, во-первых, некоторая неоднородность и небольшой радиус закрепления в грунтах с небольшими ко­эффициентами фильтрации и, во-вторых, относительная сложность его технологической схемы. Неоднородность закрепления обусловлена неравномер­ностью смешения растворов в закрепленном грунте, так как при последова­тельной инъекции двух растворов происходит оттеснение в сторону от инъектора предварительно введенного силиката натрия, и закрепление осу­ществляется на контакте двух растворов. Эти особенности определяют фактическую неприменимость способа для грунтов с К_ф менее 5-6 м/сут. Таким образом, за пределами применимости двухрастворного способа остается груп­па мелкозернистых, пылеватых песков и супесей.

Билет №2