Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инъекционное закрепление песчано-пылеватых отложений г. Новосибирска силикатными растворами

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инъекционное закрепление песчано-пылеватых отложений г. Новосибирска силикатными растворами"

РГ6 од

1 О Щб'сЙШкИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. ИВ. ЛОМОНОСОВА Геологический факультет

На правах рукописи

СУХОРУКОВА Анна Федоровна

[НЪЕКЦИОННОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ПЕСЧАНО-ПЫЛЕВАТЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Г.НОВОСИБИРСКА СИЛИКАТНЫМИ РАСТВОРАМИ.

Специальность 04.00.07 - "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды геологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель та.корр. РАН ВОРОНКЕВИЧ С.Д.

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор ЗИАНГОРОВ P.C.

- каедидат геолого-минералогических наук ЕМЕЛЬЯНОВ С.Н.

Ведущая организация - Новосибирский институт железнодорожного транспорта

Защита состоится 1 си1Л- 1993 года в 14-30 час. на заседании спецсовета по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению (К.053.05.06) при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу:119899 ГПЗ-З Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория ЦП .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геологического факультета МГУ, зона "А", б этаж.

Автореферат разослан 1993 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899, г.Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, ученому секретарю специализированного совета , доктору геолого-минералогических наук СОКОЛОВУ В.Н.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор ..геолого-данералогичес-ких наук

Соколов В.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Анализ инженерно-геологических условий территории г.Новосибирска показывает,что основными их- особенностями при строительстве зданий и линий метрополитена являются: широкое распространение просадочных лёссовых грунтов,незатухающий процесс подтопления города,а также наличие недоуплотненных.сильносжимае-мых искусственных грунтов в районах активного хозяйственного' освоения. Установлено, что более половины площадей относятся к условно благоприятным или неблагоприятным для строительства,т. е. требующих специальных мер для обеспечения надежности оснований. Проходка линий метрополитена неглубокого заложения в районах плотной застройки и возведение объектов,к которым предъявляются повышенные требования относительно■неравномерности осадок,заставляют искать пути борьбы с просадками грунтов на стадии подготовки к строительству, при эксплуатации и реконструкции существующих сооружений. В настоящее время наибольшим признанием для закрепления песчано-пылеватых отложений других регионов страны пользуется метод силикатизации в"различных его модификациях.

Целью настоящей работы является разработка научно обоснованного подхода и практических рекомендаций для выбора наиболее эффективных в конкретных инженерно-геологических условиях г. Новосибирска модификаций способа силикатизации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Комплексная оценка и типизация песчано-пылеватых грунтов города как объектов силикатизации.

2. Определение места способа силикатизации в структуре мероприятий по инженерной подготовке территории города для усиления оснований зданий и при проходке подземных линий метрополитена без осадок поверхности для. застроенных территорий.

3. Анализ особенностей широко применяемых модификаций силикатизации и выбор наиболее оптимальных из них для конкретных инженерно-геологических условий города.

4. Выяснение взаимосвязи результатов закрепления исследуемых физико-химических малоактивных грунтов и состава используемой рецептуры.

5. Поиск основных параметров инъекционнного процесса с оптимальными пространственно-временными характеристиками для участков

опытно-полевого закрепления, различных по инженерно-геологическим условиям по полученным морфометричееким данным С радиус, объем, форма закрепленного массива).

6. Разработка основ методики количественного прогноза результатов закрепления песчано-пылеватых грунтов г.Новосибирска для выбранных силикатных рецептур на основе поиска систем информативных признаков с использованием математические методов.

Защищаемые научные положения:

1. На основе произведенной оценки существующих методов упрочнения грунтов (применительно к инженерно-геологическим условиям г. Новосибирска) и проведенного комплекса лабораторных и полевых исследований выявлено, что для закрепления слабопроницаемых,.'физико-химически малоактивных,структурно-неустойчивых грунтов оптимальным является метод силикатизации с использованием органосили-катных рецептур и газовой силикатизации.

2. Установлено,что результаты закрепления песчано-пылеватых грунтов г. Швосибирска органосиликатными рецептурами находятся в прямой зависимости от ряда структурно-физических, физико-химических и химических показателей, тогда как эффект закрепления рецептур с неорганическими отвердителями силиката натрия определяется в основном структурно-физическими параметрами. Выяснено,что на процесс твердения сидикатизированных грунтов в водных условиях вне зависимости от используемой рецептуры оказывает влияние химические показатели: содержание подвижного алюминия,сумма катионов.■ кальция и магния в водной вытяжке.

3. Новый подход к оценке результатов закрепления. Разработаны-основы методики количественного прогноза качества закрепления грунтов на основе закономерностей,полученных при математическом анализе результатов лабораторных экспериментов (методами многомерного статистического,кластерного анализов,а также распознова-ния образов).

Научная новизна работы заключается" в следующем:

1. Впервые проведено исследование взаимодействия структурно-неустойчивых -песчано-пылеватых грунтов на территории г. Новосибирска с различными силикатными растворами.

2. Установлена степень влияния состава и свойств грунтов различной физико-химической активности на процесс упрочнения с использованием различных модификаций метода силикатизации.

3. На основе количественных оценок, взаимосвязей характеристик грунтов и результатов- закрепления предложены основы методики прогноза качества закрепления грунтов.

Практическое значение работы состоит- в- том.что произведена сравнительная оценка эффективности применения различных силикатных рецептур для закреплбния основных типов грунтов г. Новосибирска, разработаны рекомендации для рационального выбора инъекционных рецептур. На основе обработки результатов силикатизации образцов методами многомерного статистического анализа найдены критерии и уравнения регрессии для расчетов прочности закрепления грунтов. Фактический материал. В основу диссертационной работы положены: -фондовые материалы ЗапСибТИСЙЗа и "Новосибметропроекта". -комплекс лабораторных исследований,проведенных автором в 1986-1989 гг в Проблемной лаборатории " Исследования влияния геологических факторов на физико-химическое закрепление горных пород" и на кафедре инженерной геологии и охраны геологической среды. геологического факультета МГУ. Для изучения состава и строения исследуемых грунтов использовались методы химического,рентгенофа-зового,термического,электронномикроскопичеекого анализов. Результаты закрепления определялись с пяти кратной повторностью на 2200 образцах, коэффициенты размягчаемости на 600 образцах,осуществлялся химический контроль за качеством закрепления,которой состоял в определение количества внесенной кремневой кислоты,степени ее полимеризации.

-опытно-полевое закрепление грунтов,проведенное автором на четырех объектах (различных по инженерно-геологическим условиям) первой очереди Новосибирского метрополитена о чем составлены акты, о производстве работ по химическому инъекционному закреплению грунтов. Инъецирование силикатных растворов проводилось в 22 точках, после чего закрепленные массивы вскрывались и было отобрано 45 образцов силикатизированных грунтов,которые исследовались далее в лабораторных условиях.Определялась прочность,водостойкость, микростроение силикатизированных грунтов.

Апробация работы и публикации. Основные положения настоящего исследования опубликованы в статьях,тезисах и докладывались на конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ (1987, 1988,1989 гг. ),на научно-технической конференции г.Тюмень (1987), XIII конференции молодых научных сотрудников по геологии ИЗК

г.Иркутск (1990 г),на конференции молодых ученых ЙГиГ СО РАН (1990 г.),на Всесоюзной научно-практической конференции г. Барнаул (1990 г.).

По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей,1 сдана в печать.

• Объем работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста,содержит 20 рисунков и 26 таблиц,состоит из введения, 6 глав,общих выводов,списка использованной литературы из 106 наименований, и приложений на 25 страницах.

Работа вьшолнена под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора С. Д. Воронкевича, которому автор выражает глубокую благодарность. Особую признательность автор выражает научному сотруднику проблемной лаборатории МГУ кандидату геол. -мин: наук Т. Т. Абрамовой за постоянную помощь в выполнении и написании работы. Автор благодарен сотрудникам лаборатории и • кафедры инженерной геологии Р. И. Злочевской, Е Е Соколову, 3. А. Криво-шеевой.КГ. Шлыкову, К. Э.Валиевой за помощь в проведении экспериментов и консультадии, сотрудникам СО АН д.' г. -м. н. Букреевой Г. Ф.,

д.т.н.Загоруйко Н.Г.- за предоставленную возможность работы' с программами,разработанными под их руководством. Настоящая работа была бы неосуществима без активного содействия главного геолога "Новосибметропроекта" Быкова А. К и главного геолога треста Зап-СибТИСИЗа Пашкевич Т. А. .которым автор выражает искреннею благодарность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Инженерно-геологические особенности условий строительства зданий и линий метрополитена в г. Новосибирске.

На территории г.Новосибирска в ранне-среднечетвертичное время сформирована толщ отложений краснодубровской свиты (у<3 1-П кс1).- Именно эта толща определяет специфику инженерно-геологических условий города и является объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека, .апологически она представлена песчано-пы-леватыми грунтами - песчаной толщей с подчинёнными прослоями суглинков и лессами, суммарной мощности 20-50 М.В зависимости от геоморфологической позиции мощность лессов может меняться в разрезе от 5-10 до 40 м.

Характеристика инженерно-геологических условий города,состава

и свойств грунтов изучена а описана рядом исследователей (Ф. А. Ш-китенко.Ф.С. Тофанюк.ЯЕ. Шаевич, М. Л Кучин и др.). При инженерно-геологическом районировании с точки зрения производства работ для промышленного и гражданского строительства выделяются территории: благоприятные,условно благоприятные и неблагоприятные. Выявлено, что последние две группы территорий занимают более половины площади города, они сложены просадочными лессовыми и искусственными грунтами,местами подтоплены. При строительном освоении они требуют специальных мер для обеспечения надежности оснований. До настоящего времени не удается избежать деформаций зданий и • сооружений в городе из-за неравномерных и часто значительных просадок лессовых грунтов при их замачивании. Особенно, остро стоит проблема проходки подземных линий метрополитена неглубокого заложения без осадок или проведения ремонтно-восстановительных работ фундаментов зданий. Необходимость решения задачи усиления _оснований существующих зданий путем создания массивов с заданными прочностными характеристиками заставляет искать- возможные,применительно к местным условиям способы химического инъекционного закрепления грунтовых оснований. Основными особенностями исследуемых грунтов как объектов химического закрепления являются: низкая водопроницаемость (коэффициент фильтрации составляет 0.15-0.3, для песчаных отложений до 1.3 м/сут.),невысокая физико-химическая активность,малое содержание карбонатов,водорастворимых солей, практическое отсутствие гипса, а для некоторых искусственных грунтов высокое содержание оргацики. .степенью водонасьщения более 0.75 для грунтов на участках, затронутых процессом подтопления. Одним из- принципиально возможных способов технической мелиорации таких грунтов и решения поставленных выше задач может служить ме-• тод однорастворной силикатизации,некоторые модификации которой характеризуются низкой начальной вязкостью,высокой проникающей способностью,хорошо регулируемым временем гелеобразования, возможностью получения высокопрочного и водостойкого эффекта закрепления.

Глава 2. Состав,структура и свойства основных типов грунтов ' исследуемого района Закрепление грунтов,наряду с' составом используемых рецептур,, определяются структурно-физическиш особенностями,физико-химическими свойствами,химико-минеральным составом грунтов (табл. 1),кото-

таблица 1

Характеристика исследованных грунтов.

Грун N образца,название Частицы Сух. Кар Орга Подвижный Са, Емкость *|

ты грунтов по Качинс- физ. глины Кф, оста бон ника алю- крем Мг обме- погло| рН

ко'му, лессовых по Мо- менее м ток, аты миний незем на щения|

розову 0.01 мм,% сут % % % *10 % Г/100Г мг-экв/100 грунта

Ше- 1 Песок связный тонко- 1.3 1.3 0.07 2.0 нет 1.0 1.2 0.48 3.1 1 - |8.35

й- зернист. крупнопьиевыт. !

ные 44 Супесь песчано-пы- 16.8 0.45 0.07 2.5 нет 1^7 1.4 0.38 8.4 4.9 |8.27

48 деватая 15.6' 0.35 0.06 3.0 0.05 .2.1 0.7 0.46 9.3 9.1 |8;20 1

Лес- 6 Лессовидная супесь 10.4 0.4 0.10 5.5 0.12 1.9 1.4 0.58 5.4 .1 10.2(8.44

со ' 27 Лесс легкосуглинис,- 19.0 0.20 0.10 2.5 0.10 4.0 0.7 0,58 6.1 13.4|8.20

вые 17 тый крупнопылева- 20.0 0. 20 0.07 3.0 0.10 4.5 1.3 0.58 8.3 14.618.10

7 то-тонкопесчанис. 22.8 0.15 0.11 4.5 0.15 4.9 1.2 0.54 10.5 15.818.0

25 Лесс легкосуглинис- 24.4 0.15 0.07 2.5 0.21 5.2 0.9 0.66 10. 4 16.1|8.18

29 тый крупнопыяеватый 13.4 0.20 0.08 3.5 0.07 4.2 1.0 0. 53 6.3 13.117. 77

53 -""- 24.5 0.15 0.10 4.0 0.18 6.3 0.8 1.18 9.8 16.517.80 1

Иск 22 Песок связный,тонко 8.9 1.3 0.06 1.0 нет 0.8 1.8 0.43 1.3 1 3.3 (8.39

усст зернистый,крупнопылев. 1

вен- 32 Супесь песчаная 13.7 0.10 0.09 1.5 0.09 0.6 1.2 11.2 5.4 8.2|7.42

ная- 34 -""- 18.2 0.10 0.90 2.0 7.8 0.6 1.5 10.5 5.1 8.б|7 31

42 -""- 13.2 0.30 0.84 1.5 11.2 1.1 1.2 0. 53 5.9 9. Ц8. 21

24 Сугл. легкий, песчан. . _ _ ... 27.8 0.08 0.13 2.0 нет 3.2 1.2 1.14 9.1 13.7|8.10 1 ----

Примечание: Са.Мг - сумма катионов кальция и магния в водной вытяжке * -емкость поглощения в 1 N МаОИ

рые в свою очередь предъявляют требования к составу инъекционных рецептур.

Бо гранулометрическому составу изучаемые грунты преимущественно тонкодисперсные. Для лессовых грунтов фракцией максимального содержания является фракция крупной пыли (от 41.6 до 69.4 %). Грунты в условиях естественного залегания находятся преимущественно в агрегированном состоянии. Агрегаты представляют собой скопления тонкодисперсного материала,сцементированного карбонатом кальция, глиной и гидроокислами железа до размеров частиц песка и крупной пыли. Пористость грунтов меняется от 0.36 до 0.47, при этом активная пористость (более 0. 02 мм) составляет не менее 25 % от общей. Для текстуры лессовых грунтов характерно то,что поры часто облицованы мелкозернистым кальцитом,структура грунтов,как правило, зернистопленчатая. Исследуемые грунты характеризуются невысокими значениями емкости обмена в нейтральной среде (для наиболее активных лессов легкосуглинистых крупнопылеватых эта величина не превышает 10.'5 мг-экв/100 г грунта),главными обменными катионами является кальций и магний,количество обменного натрия и калия составляет 8-12 % от общего количества обменных катионов. Увеличение емкости обмена грунта в щелочных условиях характеризует их реакционную способность по отношению к силикатному раствору,максимальное его увеличение для исследуемых грунтов отмечено для лессов (емкость поглощения в 1 N ИаОН не превышает 16.5 мг-экв/100 г грунта). Исследуемые грунты характеризуются высокими значениями рН от 7.31 до 8.44 (табл.1).

Минеральный состав исследуемых' грунтов однообразен.В грунтах преобладает кварц (60-80 %),много полевых платов (15-30 ^.отмечается измененный мусковит (до 6 %),хлорит (до 5 %), флогопит (до 2 %),амфиболы (1-2 %),присутсвует кальцит (1-5 %),отмечаются следы гетита. В минеральном составе глинистой фракции можно выделить преобладающие минералы - гидрослюда,каолинит, кварц,которые составляют до 80-90 % всей глинистой фракции,в меньших количествах отмечается монтмориллонит,мусковит. Неглинистые высокодисперсные минералы представлены кварцем,полевыми; пшатами, кальцитом,гетитом, органическим веществом. Из типоморфных минералов в грунтах при-сутсвуют карбонаты до 5.5 X, гипса очень мало не более десятых долей процента,количество водорастворимых' солей для природных грунтов не превышает 0.11 Х.для искусственных грунтов до 0.9 %

(табл. 1).Органическое вещество присутсвует во всех лессовых образцах в количестве от .0.9-0.21 %, для- образцов искусственных грунтов его количество может достигать 11. 2 %.

На основании исследования инженерно-геологических особенностей территории города, характеристики грунтов и практического опыта ■силикатизации в других регионов страны,можно выделить три группы грунтов как объектов химического закрепления: песчаные,лессовые, искусственные, при этом последние две группы являются структурно-неустойчивыми.

Песчаные грунты. В гранулометрическом составе преобладает тонкопесчаная фракция, содержание частиц физической глины от 0. б до; 16.8 коэффициент фильтрации, О. 35-1.3 м/сутки, емкость поглощения до 9.3 мг-экв/100 г грунта,количество подвижного алюминия составляет 0.7-2.1 10 Z. Толща грунтов имеет неясновыраженную слоистость вследствие неравномерного чередования песков с супесчаными и суглинистыми прослоями,часто грунты характеризуются степенью водонасыщения более 0.75;

Лессовые грунты. Характеризуются преобладанием крулнопылеватой фракции (до 68 Z),содержание частиц физической глины от 10.4 до 24.5 X,коэффициент фильтрации 0.2-0.4 м/сутки, невысокой физико-химической активностью (емкость- поглощения в щелочной среде не более 16.5 мг-экв/100 г грунта) * малым содержанием карбонатов, вод-растворимых солей,гипса,но более высоким содержанием подвижного алюминия 2.9-6.3 10 % по сравнению с другими группами. Лессы про? садочны,коэффициент относительной просадочности составляет 0.02-0.065 (при- Р=0.3 МПа), толшд грунтов имеет однородную макрос-пористую текстуру;

Искусственные грунты. Для изучаемых искусственных грунтов территории города содержание частиц физической глины меняется в широком диапазоне от 8.9 до 27.8 %,коэффициент фильтрации составляет 0.08-1.5 м/сутки. Часть образцов отличается высоким до 11.2 X содержанием органического вещества. Толщи искусственных грунтов. неоднородны по составу,включениям,отличаются недоуплотнен-ностью,сжимаемостью (коэффициент относительного сжатия 0.085 при Р-О.ЗМПа).

Глава 3. Способы силикатизации дисперсных грунтов и факторы, влияющие на их эффективность.

В настоящее время разработано и опробовано большое

количество рецептур для закрепления слабопроницаемых грунтов различного состава. Выбор наиболее эффективной в конкретных инженерно-геологических условиях силикатной рецептуры-и оптимальной технологической схемы ведения работ определяется особенностями закрепляемого грунта (в настоящее время общепринято выделять группы песчаных,лессовых и искусственных грунтов) и поставленной перед закреплением задачей: необходимостью снижения водопроницаемости, доушютнения или создания высокопрочных и водостойких массивов. Работами многих исследователей в области фйзико-хими-ческого закрепления грунтов С Аскадонов В. В. , Вайсфельд Г. Б., Ржани-цын Б. А.. Соколович К Е., Воронкевич С. Д., Евдокимова Л. А., Губкин Е А., Овчаренко' А. Г. ,Вебер И. Б. .Абрамова- Т. Т. .Ларионова Н. А. .Степанова Е. Е .Заварин ЕС.,Шувалова Л.Е и многими другими) предлагается большое число различных модификаций метода силикатизации, что обусловлено разнообразием природных особенностей грунтовых толщ в различных регионах страны. Многие известные силикатные рецептуры (алюмосиликатная,силикатно-фосфорнокислая.силикатноашо-мосернокислая,аммонийносиликатная, силикатн'о-фгористосернокислая) рекомендуется применять только при создании водопроницаемых завес с прочностью закрепления не более 0. 2-0; 3 МПа. Для прочностного' закрепления мелких песков С с любыми по кабронатности и содержанию гумусовых прослоев) применяется силикатно-кремнефторист.оводород-ная рецептура Тазовая силикатизация успешно используется при укреплении песчаных водонасыщенных грунтов, а также для малоактивных лессовых грунтов со степентью водонасыщения более О. 75.

В НИИоснований (Соколович ЕЕ. .Степанова Е. Е ,Заварин ЕС.) разработаны и испытаны на объектах в качестве способов закрепления грунтов рецептуры с использованием органических веществ (эти-лацетата.формамида) на основе высокомодульного стекла. В Проблемной лаборатории МГУ (Абрамова Т. Т., Воронкевич С. Д.) разработаны и испытаны новые эффективные рецептуры с органическими добавками из класса амидов: формамид и диметилформамид.а также отход от производства формамида - кубовый остаток формамида на основе силиката натрия со стандартным.модулем.Последние рецептуры характеризуются высокой проникающей способностью,хорошо регулирумым временем ге-леобразования,значительной адгезионной способностью по отношению к частицам грунта,большим по сравнению с другими силикатными рецептурами радиусом распространения растворов и объемом закрепле-

Таблица 2

Характеристика силикатных рецептур,выбранных для лабораторного закрепления. Рецептура Жидкое стекло Реактив Темпе- Плот- Время Вязкость раствора,сПа

(условное плотность объем плотность объем рату- ность геле- начальная к моменту обозначение) г/см г/см ,или ра С .раство- образо- гелеобразо-

кг.или % ра г/см вания, ния

час. ,мин.

С ■1.13 100 нет 21 1.13 нет 2.1

сг 1.13 100 СО газ 0. 45 кг на 21 10 л раствора 1.13 мгновенное закрепление 2.1

гсг 1.13 100 СО газ 0. 5 кг на 21 10 л раствора с предварительной активацией грунта газом 1.13 мгновенное закрепление 2.1

КФВСр КФВп 1.04 1. 3 100 100 Кремнефтористоводород- ная кислота 1.037- 12.2 21 1.08 18 21 1.04 1.16 50 мин. 40 мин. 2..07 3.42 4.92 6.14

ФС 1.16 100 Формамид 20 % 26 60 'С 15 м. 1.13 1 ч. ,30 м. 0.88 1.71

ксхк 1.24 100 Кубовый остаток форма-мида 1.085 45 21 1.45 1 ч. ,40 м. 2.31 4.80

ния. использование таких рецептур позволяет■ закреплять большую группу структурно-неустойчивых природных и искусственных грунтов с получением массивов с высокими значениями прочности до 1.5-3.0 МПа.

Закрепление лессовых грунтов невысокой (или скрытой) физико-химической активности,несмотря на большое количество способов интенсификации процесса силикатизации, до настоящего времени предоставляет собой сложную задачу. Одним из эффективных способов закрепления лессовых грунтов и грунтов повышенной влажности является газовая силиикатизация- (особенно с предварительной активацией грунта углекислым газом),которая "позволяет значительно повышать прочность,водостойкость и объем закрепления. Для закрепления лессовых грунтов успешно применяются амидсиликатные рецептуры.

Ба основе анализа особенностей существующих.модификаций метода силикатизации,по мнению автора,для проведения лабораторных экспериментов по закреплению исследованных групп малоактивных грунтов с целью выбора наиболее оптимальных•рецептур целесообразно использовать следующие пять рецептур однорастворной силикатизации: однокомпонентный силикатный раствор - рецептура С (для лессовых грунтов). Из неорганических отвердителей решено использовать углекислый газ- рецептура СГ; кремнефтористоводородную кислоту -рецептуры КФВС. Из органических добавок в силикат, натрия выбраны формамид и кубовый остаток формамид (рецептуры ФС и КОК!). В таблице 2 представлены основные параметры выбранных рецептур, после поедварительного их исследования в лабораторных условиях.

Глава 4. Оценка эффективности закрепления песчаных,лессовых,

искусственных грунтов выбранными силикатными рецептурами.

Изучение взаимодействия исследуемых песчаных,лессовых и искусственных грунтов с выбранными рецептурами проводилось на основе определения прочности и водостойкости силикатизированных образцов и химического контроля за качеством закрепления. Полученные результаты свидетельствуют о том,что прочность закрепления грунтов в-значительной степени зависит-от состава рецептура Рецептуры -можно расположить в ряд возрастания прочности силикатизированных грунтов и соответственно степени эффективности их приме--нения (табл.3):

таблица 3

Прочность закрепления исследуемых групп грунтов выбранными силикатными рецептурами.

Грунты|

Рецептуры!

СГ

КФВС

«С

■КОФС

Средние значе ния прочности ЫПа

Песчаные |0.1/0 | 0.3/0.15

0.7/0.15

0.6/0. 2

0.65/0.2

Лессовые 10.4/0.051 0.3/0.2

не опр.

0.8/0.4

1/0.5

Искусст-| |

венные | |

а) без орг |0.2/0.0510. 25/0.15

б) с орг. ¡0/0 | не опр.

0.9/0.15 0.4/0.15

0.65/0. 4 0. 4/0. 3

О. 75/0. 3 0. 3/0. 25

(срок хранения образцов 1 месяц .первая цифра числитель -прочность хранения в воздушно-влажных,вторая - в водных условиях).

Максимальное снижение прочности закрепления при твердении в воде (рис.1) отмечается для образцов грунтов.закрепленных рецептурами С и КФВС.что подтверждается данными о выносе водорастворимой части кремневой кислоты и степени полимеризации кремнеземистого цемента При закреплении грунтов рецептурой С количество общей кремневой кислоты в грунтах составляет около 1 г/100г грунта, степень полимеризации не превышает 85 - 89 %. Использование углекислого газа приводит к повышению содержания кремневой кислоты до 1.3- 1.5 г/100 г грунта, а также к значительному снижению количества водорастроримой ее части,степень полимеризации близка' к 100 %. Рецептура КФВС позволяет получать высокое содержание общей кремнекислоты 1.5-2.3 г/100 г грунта, но для этой рецептуры характерна невысокая степень полимеризации 77 - 82 %,что соответствует самому большому количеству водорастворимой ЗЮа около 0.4 г/100 г грунта (по сравнению с другими рецептурами). Для. ор-ганосиликатных рецептур содержание общей БЮ2близко и несколько выше,чем для рецептуры КМСп и при этом степень полимеризации на длительные сроки хранения составляет 92-97 %,что позволяет объяснять лучшую водостойкость образцов,закрепленных рецептурами ЗС и К0$С.

Эффект закрепления грунтов выбранными силикатными рецептурами (исключая традиционную однокомпонентную некоагулирующую рецеп-

МПэ

1.2 1.0

0,

0.6

о.4

0.2 О

МПа

1.1. 1.0

0.8

О.б 0.4

0.2 О

Песчаные грунты

Искуссивнные грунты

Обр Л

□

Обр.44 Обр.48

Лессовые грунты

Г

Й

00р.42

Обр. б

Обр.17

Обр.27

Обр.29

Обр.7

3

Обр.32

Г

—

а

Обр.34 Обр.24

в 8 0-«

I ад-

Обр.53

Обр.25

Рис.1 Изменение прочности закрепления грунтов в зависимости от .состава рецептуры-

(срок хранения образцов 30 суток);а) воэдушо-влажные,б)водные условия хранения Условные обозначения рецептур смотрим в таблица 2.

СГ

- КФВС

- ФС

- КОФС

туру С) устойчив во времени при длительном'до двух лет хранении в воздушно- влажных условиях, фи твердении силикатизированных грунтов в воде через 30-90 суток наблюдается снижение прочности,в дальнейшем происходит стабилизация состояния силикатизированных грунтов, хранящихся в водных условиях.

Анализ результатов лабораторного закрепления грунтов показывает, что эффективность взаимодействия силикатных рецептур с физико-химически малоактивными грунтами и,следовательно,качество закрепления (в воздушно-влажных условиях) зависят: для традиционной силикатизации и органосиликатных рецептур от ряда структурно-физических факторов (содержания частиц физической глины,крупной пыли, удельной поверхности,количества агрегированного вещества), физико-химических и химических (емкость поглощения в щелочной среде, подвижный алюминий,водородный показатель . водных суспензий грунта,сумма полуторных катионов) при увеличении которых (кроме содержания агрегированного вещества и рН) прочность закрепления возрастает по линейному закону. Количество агрегированного вещества (по разнице содержания фракций менее 0.05 мм по результатам дисперсного и микроагрегатного анализов) до 50 % способствует набору прочности, при большем его содержании прочность снижается.

Глава 5. Прогноз результатов силикатизации грунтов,разработанный на основе математической обработки данных лабораторного закрепления представительной выборки исследуемых грунтов.

Анализ результатов лабораторного закрепления физико-химически малоактивных грунтов показывает,что без привлечения математических методов, объяснение полученного эффекта упрочнения в разных средах твердения образцов,сводится к констатации того,что прочность данного силикатизированкого образца линейно зависит от некоторых параметров. Поэтому важна систематизация исходной информации о грунтах на основе использования принципов и методов информатики и статистики в целях формирования количественных взаимосвязей в системе природный грунт - искусственносозданный грунт. Работа велась по пути выявления систем информативных признаков, определяющих эффект закрепления-песчано-пылеватых грунтов различными силикатными рецептурами комплексом программ,составленных Г. Ф. Вукреевой в ОШТиМ и Загоруйко Н.Г. в ИМ СО РАН. Получены результаты свидетельствуют о том,что прочность закрепления грунтов зависит от состава инъеционной рецептуры и условий твердения об-

разцов,характеризуется определенными признаками,по • которым составлены линейные уравнения регрессии.

УРАВНЕНИЯ РЕГРЕССИИ

Рецептура, Свобод- Оценка

условия ный ошибки,

хранения член МПа

С в/в —1. 25 + 0.015ФП + 0. 05 Еп + 0. 37 Кф ± 0.10

С.вода —1.1 + O.lEo + 0.035 Al + 3.20à,Mg - 0.16 УдП + 0.05

СГ в/в —1.55 + 4. 2КФ - 0. 461Ьр + 0. 003 П + 0.10

СГ вода —1:01 + 0.005П + О.ОЗЕп + 0.09 Si + 1.46 Ca.Mg + 0.08

КФВС в/в —1.99 + 0.03 Г - 0.09ЕП + 7.1 Кф - О. 01КП + 0.15

КОФС в/в —4.1+0. 01КП + О. 02 ФП + О. ОЗЕп + О. 3 рН + 0.13А1 + 0.10 КОФС вода—0.93 - 0.004 Ео + 0.02ЕП + 0.02А1 + 2.84 Ca.Jfe + 0.14

ФС в/в —2.26+ 0.03КП+ 0.03 Ео+ 0.06 А1+ 0.01КФ+ 0.78Ca,Mg + 0.15 ФС вода —1.47 + 0. 005 Д + 0. 006 ФП + 0.05 Ео + 1. 6 Са.Щ + 0.10 Где П -частица песка,КП -крупной пыли, ФП -частицы физического песка,Ео и Еп -емкость обмена и поглощения,Пор -пористость,Кф-коэффициент фильтрации,рН-водородный показатель,Si- аморфный кремнезем, А1 -подвижный алюминий,Ca.Mg -катионы кальция и магния в водной вытяжке.

Представленные уравнения регрессии имеют определенный физический смысл: на прочность закрепления рецептур с неорганическими добавками (углекислый газ и кремнефтористоводородная кислота, которые способны сами создавать высокопрочные гели) ниабольшее влияние оказывают структурно-физические характеристики грунтов, для рецептур имеющих более сложный процесс гелеобразования (с органическими добавками) дополнительно влияют физико-химические и химические показатели грунтов. При твердении образцов в водных условиях на прочность закрепления для всех исследуемых рецептур появляются дополнительные (.по сравнению с воздушно-влажными условиями хранения) физико-химические и химические параметра

Второй путь возможнрго прогнозирования основывается на решение задачи распознования образа (образом в данном случае служат классы

закрепления,которые выделяются количественными границами),путем поиска решающих правил для отнесения того или грунта к определенному классу закрепления.

Глава 6. Силикатизация грунтовых массивов в натурных (различных по.инженерно-геологической обстановке) условиях.

Проверка полученных в лабораторных условиях результатов закрепления осуществлялась на четырех, участках,расположенных на территории объектов I очереди метрополитена г. Новосибирска, различных по инженерно-геологическим условиям. Участок А представляет собой толщу супесей твердых с неравномерными прослоями тонко-песчанного материала На участке Б инъецирование растворов проводилось в плотные сильновлажные (или водонасышенные) ожелезненные супеси с прослоями суглинков. Участок В - толща макропористых,однородных с массивной текстурой лессов легкосуглинистых. Участок Г характеризуется распространением искусственных грунтов супесчаного состава неоднородных по включениям и строению.

Для инъецирования силикатных растворов в грунты на участках работ забивались инъекторы переменного сечения,таким образом, чтобы перфорированная часть была на глубинке 1.0-2.0 м от поверхности. Давление нагнетания для каждого участка устанавливалось опытным путем в зависимости от используемой рецептуры. Минимальное давление нагнетания потребовалось для закрепления лесса легкосуг-.линистого 0.1-0.3 атм, максимальное для сильновлажных супесей 0.6-0. 9 атм.

Вскрытие закрепленных массивов через месяц после завершения работ показало,что объемы и радиусы закрепления значительно меняются в зависимости от состава рецептуры. Максимальные объемы закрепления получены для органосиликатных рецептур, несколько меньшие - для рецептур ГСГ и СГ и минимальные - для рецептуры С (табл. 4). Характеристика закрепленных грунтов участков опытных работ (табл.4) подтверждает высокую эффективность применения рецептур ФЗ,К0$С, ГСГ. На примере закрепления лессовой толщи'видно,что прочность закрепления рецептурой ГСГ и органосиликатными рецептурами выше прочности закрепления рецептурой' С соотвественно почти в 2 и 3 раза и составляет соответственно 0.9 и 1.4 ЫПа.

Изучение изменения дисперсного состава силикатизированных грунтов показывает,что органосиликагные рецептуры наиболее сильно преобразовывают грунты,увеличивая выход частиц песчаной фракции

таблица 4

Характеристика закрепленных грунтов участков опытных работ. Грунто- Степень Рецеп- Номер Обра- Проч- Коэффи- рН Количество внесенной кремне- Степень вая . влаж- тура инъек- зец ность,циент водной вой кислоты,г/100 г грунта полиме-толща, ности ■ закреп тора МПа размяг- суспен- общей водораст- полимеризо- ризации,

участок ления чения зии *' -воримой ванной % ■

Песча- менее С г 3 0.25 0.80 10.82 1.15 0.53 0.62 5.4

ная 0.75 ГСГ 8 3 0.50 1.00 10.15 1.94 0:10 1.84 95

Участок СГ 7 . 4 0.40 0.87 10. 25 1.63 0.21 1.42 87

А КОССС 9 2 1.00 1.00 .10. 42 2. 69 0.18 2,51 95

Песча- более ГСГ 2 3 0.25 1.00 10.20 1.12 0.13 0.99 88

ная, уча- • 0.75 КОФС 4 3 0. 60 1.00 10. 55 1.57 0.18 1.39 90

сток Б

Лессо- менее с 3 2 0. 50 0.85 10.51 1.87 0.29 1.58 85'

вая 0.75 ГСГ г 2 0.90 1.00 9. 95 3.04 нет 3.04 100

Участок ФС 1а 1 1.30 1.00 10.49 3.61 0.20 3.41 95

. В козе 1 ■4 1.40 1.00 10. 45 3.54 0.20 3.34 94

Искусст- менее СГ 1 2 0.35 0.86 10.29 0.94 0.37 0.57 61

венная 0.75 КОЗС 2 1 1.40 1.00 10.50 2.83 0.23 2.60 92'

Участок Г

Примечание:*- количество внесенной кремневой кислоты (без -аморфного'$'.02 .содержащегося

в природном гранте)

на 20 % для супесей и более чем на 30 % для лесса легкосугли-ниртого. Следует отметить,что максимальное изменение гранулометрического' состава получены для наиболее дисперсного и физико-химически активного из изучаемых грунтов - образца лесса. Исследование микростроения закрепленных грунтов позволяет говорить о том,что наибольший выход геля кремневой кислоты, который обвалакивает частицы грунта,скрепляет контакты между ними,частично заполняет поры,характерен для образцов, закрепленных органосиликатными рецептурами и газовой силикатизацией (с предварительной активацией грунта углекислым газом).

На основание комплекса выполненных лабораторных и что особенно важно натурных экспериментов по силикатизации разных типов грунтов. Новосибирска были разработаны рекомендации по проведению инъекционного закрепления песчано-пылеватых грунтов наиболее оптимальными рецептурами. Б настоящее время эти рекомендации используются- на практике для усилении основания тоннеля,пройденного в насыпных грунтах.

Заключение

Комплекс проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. Анализ инженерно-геологических . условий территории г. Новосибирска показал,что основной особенностью строительства в городе является широкое распространение структурно-неустойчивых грунтов (лессовых и искусственных),незатухающий процесс подтопления . Установлено,что более половины территории города относятся к неблагоприятным или условно благоприятным для строительства,т. е. требуюших специальных мер для создания надежных оснований. Опыт мероприяний используемых до настоящего времени для устранения неблагориятных условий или ликвидации аварийных последствий оказывается недостаточным при современном строительном освоении территории города,поэтому помимо конструктивных мер необходимо применение методов технической мелиорации, обеспечиющих создание надежных оснований. На основе исследования грунтовых условий города и требований,предъявляемых к ним с точки зрения улучшения их инженерных свойство,показано,что наиболее оптимальным является способ инъекционного закрепления на основе растворов силиката натрия.

2. Характеристика изучаемых песчано-пылеватых (песчаных, лессовых, искусственных) отложений как объектов силикатизации позволяет

относить их к группе физико-химически малоактивных,для которых емкость поглощения в щелочной среде не- превышает 16. 5; мг-зкв на 100 г грунта; содержание гипса не более 0.1 7.; водорастворимых солей не более 0.. 9 %; карбонатов до 5. 5 %; рН более 7.77 (. за исключением сильногумусированных искусственных грунтов). Такие грунты,как правило плохо поддаются искусственному преобразованию традиционным способом однорастворной силикатизации,что приводит к необходимости поиска оптимальных составов силикатных рецептур для их закрепления.

3.Установлено,что для закрепления грунтов (по результатам прочности,водостойкости и данным химического контроля) выбранные для Лабораторных зкпериментов модификации метода силикатизации образуют ряд возрастания по степени эффективности: рецептура С рецептура СГ рецептура КФВО рецептуры $С,КОФС. Применение рецептуры С позволяет получить максимальную прочность 0.3 МПа (для лессовых грунтов) при отсутствии водостойкости закрепления; рецептура СГ -0.3 МПа (для песчаных грунтов) при практически стопроцентной водостойкости;рецептура КФВС - 1.0 МПа (для песчаных грунтов) и 0.4 МПа (для сильногумусированных грунтов) при значительном (более половины) падении прочности при водонасы-щении; рецептуры ЗС и К05С - 0.6-1.2 МПа (для всех типов грунтов) при снижении .прочности в воде не более 10-15 процента.

5. Показано,что взаимодействие инъекционных растворов с грунтами низкой' физико-химической активности в зависимости от используемой рецептуры определяется различными группами признаков. Выявлено, что прочность закрепления грунтов рецептурами с неорганическими .отвердителями силиката натрия (углекислый газ и кремнеф-тористводородная кислота) в основном от структурно-физических факторов. На прочность закрепления рецептурой С и 4С.К03С оказывают влияние наряду со структурно-физическими . (содержанием частиц •физической глины, крупной пыли, уд. .поверхности, количеством агрегированного вещества) физико-химическими и химическими параметрами.

6. Использование методов многомерного статистического анализа для обработки результатов закрепления■позволяет выделять системы информативных признаков (характеристик грунтов наиболее значимых для процесса силикатизации в зависимости от состава рецептуры и условий -твердения образов ) и на основе.найденных уравнений линейной регрессий количественно прогнозировать результат закрепления. .

7. Результаты опытно-полевого эксперимента по инъекционному закреплению грунтов на участках расположенных в различных инженерно-геологических условиях на территории г. Новосибирска, показали целесообразность выбора метода силикатизации. Опытными работами установлено,что наиболее технологичными и эффективными рецептурами являются рецептуры КОЗС и ГСГ,применение которых приводит к достижению значительной прочности и водостойкости,при больших радиусах и объемах закрепления (по сравнннию с традиционным способом однорастворной силикатизации).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Сухорукова А. Ф. Характеристика дисперсных, грунтов района г.Новосибирска как объектов силикатизации //Мат. XVI конф. мол. ученых геол. фак. МГУ. - деп. в BHHHTM,1987,N 5780-В87,- С. 67-73.

2. Сухорукова А. Ф. .Абрамова Т. Т. Возможность улучшения инженерно-геологических свойств дисперсных грунтов юга Западной Сибири/Тезисы докладов обл. научно-тех. конференции, секция 4. Тюмень, 1987, С. 203-204.

3. Сухорукова А. Ф. Опыт лабораторного закрепления дисперсных грунтов района г. Новосибирска силикатными растворами //Мат. XV конф мол. ученых геол. фак. МГУ. - деп. в ВИНИТИ, 1888, N 4780-В88.-С. Í05-112.

4. Сухорукова А. Ф. Результаты опытно-полевого закрепления песчаных, лессовых и искусственных грунтов различными силикатными растворами //Мат. XVI конф. мол. ученых геол. фак. МГУ.-деп. в ВИНИТИ, 1989, N 4147-В89. -С. 24-33.

5. Сухорукова А. Ф. Результаты лабораторного и опытно-полевого закрепления лессовых грунтов г. Новосибирска силикатными растворами с органическими и неорганическими добавками //Мат. Всесоюз. на-учно-практич. конф. по проблемам строительства на просадочных грунтах. Барнаул, 1990.

6. Сухорукова А. Ф. Особенности процесса силикатизации дисперсных физико-химически малоактивных грунтов г. Новосибирска//Ыат. конф. науч сотрудников по геологии В. Сибири. Иркутск, ИЗК АНСССР, 1991,С. 157-159.