Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние гипергенеза полимиктовых песков на их закрепление химическими растворами

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Антонов, Александр Николаевич, Москва

) ;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ

АКАДЕМИЯ

ВЛИЯНИЕ ГИПЕРГЕНЕЗА ПОЛИМИКТОВЫХ ПЕСКОВ НА ИХ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ (На примере отложений Приневской низменности)

Специальность 04.00.07 - Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -доктор геолого-минералогических наук, профессор Пашкин Е. М.

На правах рукописи

Антонов Александр Николаевич

МОСКВА 1999 г

ВЛИЯНИЕ ГИПЕРГЕНЕЗА ПОЛИМИКТОВЫХ ПЕСКОВ НА ИХ

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИМИ РАСТВОРАМИ (на примере отложений Приневской низменности).

Содержание Стр.

Введение....................................................................................................... 2

Глава 1. Современное состояние вопроса технической

мелиорации грунтов...................................................................... 6

1.1. История развития химических методов закрепления грунтов............ 8

1.2. Важность геолого-минералогического направления химического закрепления грунтов............................................................................ 11

1.3. Анализ опыта работ по закреплению грунтов в г. Санкт-Петербурге............................................................................................ 14

Выводы......................................................................................................... 33

Глава 2. Геологические предпосылки формирования инженерно-

геологических свойств грунтов Приневской низменности.......... 35

2.1. Стратиграфия и литология четвертичных отложений

Приневской низменности................v.^.u....^.............................. 35

2.2. Строение, состав и инженерно-геологическая оценка

основных генетических типов четвертичных отложений.................. 53

Выводы......................................................................................................... 66

Глава 3. Влияния процессов гипергенных преобразований

песчаных пород на их способность к закреплению...................... 70

3.1. Особенности эволюции химического и минерального состава песчаных пород в процессе гипергенеза.............................................. 71

3.2. Влияние минерального и гранулометрического состава полимиктовых пород на их адсорбционные свойства........................ 89

3.3. Влияние поверхностных свойств на параметры закрепления............. 104

Выводы......................................................................................................... 114

Глава 4. Некоторые теоретические аспекты выбора способа закрепления

пород и расчета величины радиуса закрепления.......................... 116

4.1. Изучение применения геофизических методов при оценке диффузионно-адсорбционной активности грунтов и выборе

способа их закрепления...................................................................... 117

4.2. Химико-математическое моделирование процесса двухрастворного химического закрепления горных пород................ 127

Выводы......................................................................................................... 137

Заключение................................................................................................... 139

Список литературы...................................................................................... 140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В современной практике строительного производства разработано достаточное количество методов искусственного закрепления грунтов. Само существование множества методов и приемов закрепления говорит о сложной и неоднозначной задаче преобразования свойств слабых пород в строительных целях. Это связано со значительной изменчивостью самой геологической среды и ее структурных элементов на всех уровнях иерархии.

Диссертация посвящена изучению полимиктовых песчаных пород как объекта для повышения их несущей способности путем инъекции закрепляющих химических растворов. Для исследования выбраны послеледниковые грунты Приневской низменности, так как они являются молодыми образованиями, и в них активно протекают процессы, характерные для всех полимиктовых пород, попавших в зону гипергенеза. Песчаные отложения Приневской низменности сложены полимиктовыми песками, типичными для песков северо-запада Русской платформы и для прочих песков, образовавшихся из гранитоидных пород.

Цель и задачи работы.

Основная цель работы заключается в оценке влияния гипергенных преобразований песчаных отложений Приневской низменности на процессы, происходящие при их закреплении химическими растворами.

В соответствии с поставленной целью были решены следующие задачи:

- изучены инженерно-геологические особенности грунтов Приневской низменности, залегающих в основании зданий и сооружений и установлены закономерности в формировании их структуры и состава;

- выявлены разновидности грунтов, которые могут быть улучшены с помощью технической мелиорации;

- проанализирован производственный опыт по закреплению грунтов в г. Санкт-Петербурге;

- выявлены и проанализированы геохимические процессы, происходящие при закреплении полимиктовых грунтов;

- установлены особенности гипергенных преобразований полимиктовых пород, изменения их минерального состава и физико-химических свойств.

Методика исследований базировалась на определении лито-технической системы "закрепляемый полимиктовый грунт - инъектируемый раствор", как специфического техногенного образования. В структурном отношении методы исследования представляли собой сочетание традиционных инженерно-геологических приемов, реализуемых при изучении действующих природно-технических систем, со специальными, исходя из особенностей изучаемого геологического объекта.

Научная новизна представляемой работы заключается в следующем:

- применен комплексный анализ при исследовании лито-технической системы "закрепляемый полимиктовый грунт - инъектируемый раствор" как искусственного элемента геологической среды;

- выявлено приоритетное значение песчаных зерен скелета полимиктовых пород в величине их емкости обмена;

- установлено влияние процесса гипергенных преобразований и генезиса полимиктовых пород на технологические параметры закрепления;

- предложено использование геофизических методов выявления границ распространения полимиктовых песков при обосновании оптимального метода закрепления;

- выполнено химико-математическое моделирование процесса двухрас-творного закрепления грунтов.

Защищаемые положения. Проведенные комплексные исследования послеледниковых отложений Приневской низменности и сопредельных территорий позволили автору получить результаты, на которых базируются защищаемые положения.

1. Доказано, что полимиктовые пески должны выделяться в особую группу отложений, которая требует нетрадиционных методов исследований при выборе способа их закрепления.

2. Условия закрепления полимиктовых песков определяются величиной вторичных преобразований на поверхности и внутри зерен полевых шпатов и слюд.

Практическая значимость работы. В результате исследований разработан принципиально новый подход к изучению свойств полимиктовых пород, подлежащих закреплению, основанный на изучении особенностей их генезиса и представлениях о ведущей роли вторичных преобразований неустойчивых минералов в формировании их адсорбционных свойств. Результаты исследований были учтены при разработке ряда проектов в ООО "Гидроспецпроект". На основе выполненного автором изучения особенностей полимиктовых пород может быть произведен подбор оптимальных рецептур закрепления. Перспективным направлением является также внедрение опыта химического закрепления грунтов для крепления стенок горизонтальных скважин при сооружении переходов методом наклонно-направленного бурения.

Фактический материал собирался автором в процессе научно-технического сопровождения работ по закреплению грунтов на различных объектах в г. Санкт-Петербурге и г. Москве. Кроме того, в процессе работы над темой диссертации использованы фондовые материалы ООО "Институт Гидроспецпроект", АФ "Гидроспецстрой", многочисленные литературные источники, публикации по вопросам технической мелиорации грунтов, грунтоведения, геохимии, а также инженерной геологии и гидрогеологии.

Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава МГГА (1996 - 1999 гг). Результаты исследований неоднократно обсуждались с сотрудниками различных производственных организаций и научно-исследовательских институтов. Автор привлекался ОАО "ВНИИСТ" для разработки новой нормативной базы на проектирование и строительство подводных переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения, где с группой соавторов занимался подготовкой разде-

ла по составу буровых растворов, закрепляющих стенки горизонтальных скважин в различных породах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 139 страницах, сопровождается 29 рисунками, 10 таблицами. Список литературы состоит из 146 наименований.

Работа выполнялась автором в течении 1995 - 99 гг. в процессе работы в ООО "Гидроспецпроект" и обучения в заочной аспирантуре на кафедре инженерной геологии гидрогеологического факультета МГГА под научно-методическим руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Е.М. Пашкина, которому автор выражает самую искреннюю признательность за постоянное внимание и всестороннюю помощь.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам ООО "Гидроспецпроект" Малышеву Л. И., Аксенову Л. В., Лоханковой Е. А., Захарину М. А., Корнилову А. А., Королеву В. М., НИИОСП им. Герсе-ванова Грачеву Ю. А., ИГЕМ РАН Мохову А. В., ВИМС Кузькину В. И. оказывавшим неизменную помощь при выполнении работы. Автор глубоко признателен доценту кафедры инженерной геологии МГГА Вязковой О. Е. за критические замечания при просмотре рукописи и обсуждении работы. Весьма существенную помощь в проводимых исследованиях оказали в начальный период сотрудники ВНИИГ им. Веденеева Демин В. Ф. и "Ленжилпроект" Вершинин В. П. Всем упомянутым коллегам автор выражает искреннюю благодарность.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

В каждом крупном городе не прекращается, а наоборот, все более интенсифицируется строительная деятельность. Это обусловлено физическим и моральным износом зданий, сооружений, инженерного оборудования, непрерывным ростом стоимости земли. В связи с указанными причинами получают развитие следующие направления строительства:

- уплотнение существующей застройки;

- повышение этажности зданий;

- освоение подземного пространства;

- присоединение к застроенной территории новых участков порой с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями.

Большую актуальность приобретает проблема устройства фундаментов новых объектов в непосредственной близости к существующим зданиям и сооружениям, поскольку при этом не только возникают значительные технологические трудности, но и появляется опасность повреждения близрасположенных строений.

При реконструкции старых городских районов происходит уплотнение существующей застройки. При этом вместо групп отдельно стоящих зданий создаются комплексы расположенных вплотную, часто разноэтажных блоков, которые приходиться возводить в несколько очередей. Подвергнута переосмотру также концепция застройки, сложившаяся в 50 - 60 гг. Это выражается в том, что в ходе намеченной реконструкции пятиэтажные дома будут снесены или надстроены, а вплотную к ним примкнут новые, повышенной этажности.

Таким образом, строительство зданий и сооружений возле существующих или в непосредственной близости от них стало типичным для многих городов.

Все это требует применения новых нетрадиционных подходов к методам подготовки оснований, к конструкциям и организации строительства подземной

части зданий. Если специфика строительства зданий вплотную к существующим не учтена в проектах фундаментов и строительство осуществляется традиционными методами, то существующие здания неизбежно получают повреждения в результате развития деформаций основания.

Все указанные особенности весьма актуальны для г. Москвы и г. С-Петербурга, на территории которых широко распостранены слабые грунты, обладающие большой сжимаемостью и чувствительностью к технологическим воздействиям. В настоящее время при возведении зданий рядом с существующими или на слабых грунтах широко применяются методы усиления оснований и фундаментов [1, 16, 17, 30, 37, 54, 77, 102, 108] .

Среди них можно выделить методы конструктивного усиления, которые осуществляются с помощью новых прогрессивных технологий. Это уширение фундаментов, буроинъекционные, буронабивные и вдавливаемые сваи, конструкции фундаментов типа "стена в грунте" и др.

Другим видом решения проблемы повышения несущей способности основания является преобразование структурной прочности подстилающих фундамент грунтов путем введения в них различных инъекционных растворов, которые после затвердевания образуют вместе с минеральными частицами грунта единый композитный материал с заранее определенными свойствами (например, обладающий значительной прочностью или водонепроницаемостью). Это различные виды химического закрепления грунтов, а также цементация, битумизация и др.

При этом особо важное значение приобретает оценка минерального состава и поверхностных свойств твердой фазы пород применительно к прогнозу взаимодействия с инъектируемыми в грунт растворами и реагентами. В настоящей работе рассматриваются некоторые особенности взаимодействия химических закрепляющих растворов с полиминеральными грунтами.

1.1. История развития химических методов закрепления грунтов

Химическое закрепление грунтов начало развиваться в России начиная с 1931 г., когда советскими учеными Б. А. Ржанициным и В. В. Аскалоновым было выполнено подробное изучение двухрастворной силикатизации и внедрение ее в строительную практику.

За годы применения методов химического упрочнения грунтов в строительной практике изучением процессов, происходящих при закреплении занимались многие видные ученые, такие как Аскалонов В. В., Безрук В. М., РжаницинБ. А., Соколович В. Е., Адамович В. Н., Воронкевич С. Д., Гончарова Л.В., Сергеев В. И, Вайсфельд Г .Б., Литвинов И. М., Трупак Н. Г., Добрынин Г. К., Губкин В. А., Овчаренко А. Г., Жинкин Т. Г., Ибрагимов М. Н., Чаликова В. С., БелевитинаН. Ш., Абрамова Т. Г., Ларионов Т. А., Шувалова Д. П. и многие зарубежные исследователи. Результатом обобщения ими опыта теоретических исследований и практики производства явилось создание ряда фундаментальных работ в области химического закрепления грунтов, которые имеют огромное значение при оценке грунтовых толщ, как объектов закрепления [2, 3,5-7, 12, 13, 23,31,36, 83-87, 97, 100, 114].

При изучении всего объема научных исследований, накопленных в области глубинного химического закрепления грунтов в России, можно выделить две крупные основополагающие школы. Одна из них была создана в НИИ оснований и подземных сооружений Ржанициным Б.А., где возникла первая лаборатория закрепления грунтов и родился целый коллектив ученых-исследователей в лице Аскалонова В. В., Соколовича В. Е., Горбунова Б. П., Блескиной Н. А., Ибрагимова М. Н., Грачева Ю. А. и др. В работах этих авторов были открыты и получили свое развитие многие современные методы и рецептуры химического закрепления грунтов, в том числе и лессовых пород, разработаны технологические требования к производству работ, по которым были закреплены млн. м грунта в гидротехническом, промышленном и гражданском строительстве [3,6, 7,13, 39, 84,101,117].

Другая школа родилась на кафедре инженерной геологии МГУ. Здесь большой вклад в разработку вопросов технической мелиорации грунтов внесли исследования Филатова М. М, Морозова С. С., Сергеева Е. М., Самойлова В. Г., Гончаровой JI. В., Зиангирова Р. С., Злочевской Р. И., Воронкевича С. Д., Евдокимовой JI. А., Сергеева В. И., ГолодноваВ. М., Абрамовой Т. Г., Огороднико-вой Е. Н., Сухоруковой А. Ф. и др. [22, 23, 29, 31,41- 44, 69, 82, 95 - 98].

Большие исследования в области теории и разработки новых способов закрепления слабых грунтов выполнены во ВНИИГ им. Веденеева (Адамович А. Н., Демин В. Ф.), в СоюздорНИИ (Безрук В. М., Ястребова Л.Н.), ИГД АН СССР им. Скочинского (Давыдов В. В.), Гидроспецстрое, Фундамент-проекте, МИСИидр. [3, 11, 12, 108, 117].

Активное развитие способов химического закрепления грунтов началось с 1930-х годов после внедрения в производство двухрастворной силикатизации для укрепления песчаных оснований. Однорастворный способ силикатизации был предложен в 1939 г Соколовичем В. Е. В последующем были разработаны рецептуры с добавкой в качестве коагулятов фосфорной кислоты Н3РО4 (Ржаницын Б. А., Вайсфельд Г. Ф.), серной кислоты - H2S04 (Соколович В. Е., Белевитина Н. Ш.), кремнефтористой кислоты - H2SiF6 (Соколович В. Е., Ибрагимов М. Н.), алюмината натрия - Ыа2ОА12Оз (Соколович В.Е.). Способ силик�