Химическое закрепление пород
|
Процесс химического закрепления грунтов (силикатизация) связан с взаимодействием преимущественно растворов жидкого стекла и хлористого кальция, последовательно нагнетаемых в поры грунтов. При нагнетании в насыщенный водой грунт жидкое стекло вытесняет воду из пор, заполняя их примерно на 90%. Раствор хлористого кальция в свою очередь вытесняет из грунта часть раствора жидкого стекла, одновременно вступая с ним в химическую реакцию. При этом выделяется гель кремневой кислоты, удерживающаяся на поверхности частиц грунта в виде тонкой пленки и связывающая их в прочную монолитную массу с замкнутыми порами. Химическому закреплению поддаются грунты, способные адсорбировать кремневую кислоту на своей поверхности. В высокой степени этому условию соответствуют пески, которые превращаются в породу (силикат), сходную с песчаником, и обладают высокими механической прочностью, водонепроницаемостью и стойкостью против агрессивных вод. Этот способ применим в грунтах, имеющих коэффициент фильтрации от 2,5 до 80 м/сутки, и особенно эффективен в мелко- и среднезернистых песках. Химическое закрепление глинистых грунтов, имеющих коэффициент фильтрации меньше 2,5 м/сутки, не дает удовлетворительного результата. Недостаток закрепленного грунта — его малая морозоустойчивость, исключающая целесообразность силикатизации в пределах глубины промерзания. Механическая прочность химически закрепленного грунта зависит от прочности его частиц и качеств нагнетаемых растворов. Наибольшую прочность приобретают мелкозернистые грунты, имеющие большую суммарную поверхность соприкасания зерен с цементирующим веществом. Предел прочности при сжатии песчаных грунтов: мелкозернистых 30 кГ/см2, среднезернистых 20 кГ/см2 и крупнозернистых 10 кГ/см2. Примерно 50% прочности грунт приобретает через 2 ч после закрепления. Дальнейшее нарастание прочности заканчивается в основном в течение 15—20 суток. Оборудование, применяемое для нагнетания растворов, состоит из инъекторов с механизмами для их забивки и насосов для нагнетания. Инъектор — это толстостенная (стенки толщиной 7— 8 мм) труба диаметром 33—41 мм с заостренным концом, нижняя часть которой по длине 0,8—1,0 м имеет раззенкованные отверстия диаметром до 1,5 мм. Труба состоит из звеньев длиной 1—1,5 м, соединенных ниппелями, и в верхней части снабжена наголовником, к которому присоединяют резиновый шланг, идущий к насосу. Забивку инъекторов производят отбойными молотками тяжелого типа со скоростью забивки 6—10 м/ч или электрокопрами — 20 м/ч. Растворы нагнетают гидравлическим насосом с производительностью до 3 л/мин или — при большем объеме работ— плунжерными насосами, например типа Е. Разводящая сеть состоит из резиновых шлангов внутренним диаметром 13—25 мм, рассчитываемых на давление до 30 ати.  При нагнетании растворов в грунт закрепление происходит на некотором расстоянии от инъектора, называемом радиусом закрепления R (от 25 до 80 см). Закрепляемый при одной заходке грунт имеет форму эллипсоида (рис. XII.5). Каждая последующая заходка наращивает по высоте 50—75 см закрепленного грунта. При этом в неоднородном грунте заходки располагают таким образом, чтобы каждая из них заканчивалась в пределах одного грунтового слоя. Применение способа силикатизации при проходке штольни и тоннеля иллюстрируется на рис. XII.6.  Для получения монолита достаточных в плане размеров инъекторы располагают в вершинах равносторонних треугольников с размером сторон 1,73 R. Объем каждого из растворов, вводимых в грунт (в литрах), должен составлять около 5 ар, где а — объем закрепляемого грунта, м3, а р — пористость грунта, %. Забивку инъекторов в песчаных грунтах производят обычно на глубину до 12 м. При больших глубинах предварительно идет бурение, заканчиваемое на 2—3 м выше верха закрепляемого массива, а потом забивка инъекторов через дно скважины. Отклонение при забивке не должно превышать 2°. По мере забивки наращивают новые звенья труб с перестановкой наголовника. Порядок нагнетания растворов зависит от скорости движения грунтовых вод, которые могут иногда частично выносить жидкое стекло за пределы укрепляемой зоны до начала нагнетания хлористого кальция. При скорости грунтового потока до 1 м в сутки применяют последовательное нагнетание, заключающееся в следующем: сначала нагнетают жидкое стекло отдельными заходками с постепенным заглублением последних до проектной отметки; затем инъектор заменяют новым, через который нагнетают хлористый кальций, также отдельными заходками от проектной отметки с постепенным выдергиванием инъектора. Чрезвычайно важно, чтобы перед нагнетанием второго раствора из насосов и всей разводящей сети были удалены промыванием все следы первого раствора. При скорости грунтового потока от 1 до 3 м в сутки применяют нагнетание по заходкам. В этом случае после нагнетания жидкого стекла в верхнюю заходку заменяют инъектор и нагнетают хлористый кальций. Затем забивают первый инъектор на глубину второй заходки и процесс повторяют. При скорости грунтового потока более 3 л в сутки раствор нагнетают в каждую заходку почти одновременно (хлористый кальций нагнетают через 5—10 мин после окончания нагнетания жидкого стекла) через два инъектора, забитые на расстоянии 15—20 см один от другого. Давление нагнетания не должно превышать 15—20 ати. Во избежание прорыва растворов верх перфорированной части инъектора должен быть расположен не менее чем на 1—1,5 м от поверхности. |
