Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние литолого-геохимических факторов на силикатизацию лессовых грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние литолого-геохимических факторов на силикатизацию лессовых грунтов"

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет имени М. В. Ломоносова

Геологический факультет Кафедра инженерной геологии и охраны геологической среды

На правах рукописи

ЕРЕМИНА Ольга Николаевна

УДК 624.138.4

ВЛИЯНИЕ ЛЙТОЛОГО-ГЕОХИМЙЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СИЛИКАТИЗАЦИЮ ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

Специальность 04.00.07 — «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогнческих наук

Москва 1990

Работа выполнена в лаборатории «Исследование влияния геологических факторов на физико-химическое закрепление горных пород» -геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель

доктор геолого-минералогических наук, профессор С. Д. ВОРОНКЕВИЧ.

Официальные оппоненты:

доктор геолого-'минералогических наук, профессор М. П. ЛЫСЕНКО;

кандидат технических наук В. И. МИТРАКОВ.

Ведущая организация — Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве Госстроя СССР (ПНИИИС).

Защита диссертации состоится « . » 1990 г.

в Г час. в ауд. на заседании специализированного совета К-053.05.06 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, корпус «А», 6 этаж.

Ваши отзывы «а автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, Ученому секретарю специализированного совета К-053.05.06 Красило-, вой Н. С.

Автореферат разослан « У/. » 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета К-053.05.06 кандидат геолого-минералогических наук, с. н. с. ^с^^НСКРАСИЛ0ВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возведение сооружений на лессовнх про-оадочных грунтах и обеспечение их нормальной эксплуатации представляет собой одну из наиболее важных и сложных задач современного строительства. Наиболее перспективным методом борьбы о просадками на стадии эксплуатации и при реконструкции существующих сооружений является способ силикатизации. Многообразие природных особенностей состава, отроении и свойств лессовых грунтов обусловило применение различных модификаций этого метода. В овязи с этим., для рационального выбора рецептуры закрепления конкретной толщ и осуществления пространственно-временного прогаоза результатов закрепления актуальна задача оценки реакционной способности лессовых грунтов по отношения к силикатному раствору. В настоящее время общепринято подразделение этих грунтов на две группы по их физико-химической активности в зависимости от величины емкости поглощения в щелочной среде. Однако, как показывает накопленный опыт, для повышения эффективности метода силикатизации необходимо оценивать не только степень физико-химической активности просадочных лессовых грунтов, во и ее природу. Такая оценка должна опираться на учет всех основных литолого-геохвмичеоких особенностей грунтов и выявление их индивидуального я суммарного влияния на процесо формирования искусственного цемента при силикатизации.

Целью настоящей работы явилась разработка основных критериев инженерно-геологической оценки лессовых грунтов в качество объектов закрепления для определения сравнительной эффективности применения новых модв&скаций метода силикатизации в различных литолого-геохимичеоких условиях на примере предгорной чаоти хребта Заплийский Алатау.

Для достижения поставленной цели в работе решатся следующие задачи:

1. Изучение механизма и закономерностей взаимодействия основных компонентов минеральной части лессовых грунтов о ои-ликатнш раствором путем проведения лабораторного физгасо-хи-мичеокого моделирования.

2. Исследование состава и микроструктуры голой новых ам-мокийяо-схликатных рецептур и выявление влияния на их строение лятолого-геохямячеокжх оообенноотей закрепляемых лессовых

грунтов.

3. Комплексная оценка интенсивности и характера ,, воздействия литолого-геохимических факторов на силикатизацию путем сравнения эффективности закрепления лессовых грунтов различного состава.

4. Сравнительная оценка эффективности применения новых модификаций метода силикатизации при закреплении лессовых грунтов с различной природой и степенью физико-химической активности.

5. Опытная проверка полученных результатов на примере грунтов района г.Алма-Аты и разработка основ рекомендаций по закреплении лессовых грунтов предгорных зов.

Научная новизна работы заключается в том, что вскрыт механизм взаимодействия основных компонентов твердой фазы лессовых грунтов с инъекционным силикатным раствором в определена роль различных типоморфных минералов в процеосе силикатизации лессов. Впервые проведено исследование состава и микроструктуры гелей новых амюни&но-силикатных рецептур и показано влияние на их строение литолого-геохимических особенностей лессовых грунтов. Выявлены факторы, определяющие природу и степень физико-химической активности лессовых грунтов по отношению к силикатному раствор!, что позволяет разработать систему критериев прогноза эффективности их закрепления. На примере лессовых грунтов предгорной части Заилийского Алатау дана инженерно-геологическая оценка лессов предгорных районов как объектов силикатизации.

Защищаемые научные положения:

1. Объяснение механизма взаимодействия трудно-, средне- и легкорастворимых солей лессового грунта с силикатным раствором. В зависимости от состава минеральной части лессового грунта выделены два возможных принципиально различных типа взаимодействия. При ион установлено, что гипс способствует гелеобразова-вию силикатного раствора, карбонаты кальция и магния препятствуют этому процессу, легкорг творимая соль ЫлМ является ингибитором растворения в агрессивной щелочной среде алюмосиликатов лессового грунта.

2. Характер и степень влияния на состав и микроструктуру гелей новых силикатных рецептур, приготовленных с использованием отвердителой - креинефтористого и надсернокшлого аммония,

следующих литолого-геохимических особенностей лессовых грунтов: емкости обмена, карбонатов кальция и магния, норового пространства. Выявлено, что эта гели представляют собой неоднородные по химическому составу соединения, в твердой фазе которых возможно образованна вторичных структурных.элементов, в том числе кристаллических фо|М.

3. Новый подход к оценке физико-химической активности лессовых грунтов по отношении к силикатному раствору. Установлено, что степень физико-химической активности грунтов помимо величины емкости поглощения определяется содержанием в грунте карбонатов кальция и магния, гипса, легкорастворимых солей, вследствие чего величина емкости поглощения в щелочной среде не может являться единственным критерием прогноза эффективности сшпшати-зации.

4. Оценка реакционной способности лессовых грунтов предгорных районов. Выявлено, что для закреплений таких грунтов, фязико-химическая активность которых, как показано на примере хребта Заилийский Алатау, уменьшается с приближением к горному сооружению, наиболее эффективно применение коагулирующей персульфатси-ликатной рецептуры. Использование этого раствора приводит к качественному преобразованию структуры грунта и формированию водостойких контактов цементационного типа.

Практическое значение работы состоит в том, что произведена сравнительная оценка эффективности применения новых коагули-рущих и традиционных некоагулирущих силикатных растворов для закрепления различных по составу лессовых грунтов п разработаны рекомендации к рациональному выбору инъекционных рецептур при силикатизации лессовых грунтов предгорных районов.

Фактический материал. В основу диссертационной работы по-ложен'комплекс полевых и лабораторных исследований, проведенных автором в период 1985-1989 гг. Методы исследования включали экспериментальное физико-химическое моделирование процессов взаимодействия леосового грунта с силикатным раствором, проведенное на 60 грунтовых смесях, а такхе лабораторное закрепление более 1000 образцов различных по составу лессовых грунтов новыми силикатными рецептурами. Для изучения состава и структуры закрепленных грунтов и формирующихся в них новообразований были испольэовллн методы химического, эдектронно-микроскоппчеокого, рентгенофпзо-вого анализов, а также рентгеновского микроанализа. Лля обгпбот-

ки полученных результатов были привлечены методы статистики и корреляционно-регрессионного анализа. Проверка экспериментальных данных осуществлялась при силикатизации лессовых грунтов в натурных условиях на двух объектах в районе г.Алма-Аты. Кроме " непосредственных исследований автора в работе использовались архивные материалы инженерно-геологических изысканий КазГИИЗа (г. Алма-Ата).

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Х1У, ХУ, ХУ1 научных конференциях молодых ученых и аспирантов МГУ(1987, 1988, 1989 хт), а также на Всесоюзной научно-практической конференции "Лессовые и просадочные грунты как основание зданий и сооружений" (Барнаул, 1990).

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

Объем работы. Диссертация изложена на ^«¿страницах машинописного текста, содержит 3$ рисунков и таблиц, оостоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего наименований, и приложений на /6 страницах машинописного текста.

Работа выполнена под научным руководством доктора геолого-минералолпеских наук, профессора С.Д.Воронкевича, которому автор приносит глубокую благодарность. Особую признательность автор выражает научному сотруднику проблемной лаборатории МГУ, кандидату геол.-мин. наук Н.А.Ларионовой за постоянную помощь в процессе выполнения и написания работы. Автор также благодарен Е.Н.Огородниковой, Р.И.Зючевокой, В.В.Соколову, В.А.Королеву, Н.ВЛетровой, В.А.Ермолову, В.Н.Ефремову за помощь в проведении экспериментов и консультации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОта

Глава I. Современные представления о влиянии состава,

структуры и свойств лессовых грунтов на их силикатизацию

В главе дан краткий обзор и анализ шепцихоя данных о роли различных активных компонентов лессового грунта в процессе силикатизации. Этому вопросу уделяется внимание в работах В.В.Аска-лонова, В.Е.Соколовича, Б.А.Ржаниццна, С ,Д .Воронке вича, Л.А.Евдокимовой, Н.А.Ларионовой, С .С .Морозова, В.П.Ананьева, Л.П.Шува-

ловой, Г.А.Одинцовой и других. В настоящее время к числу главных физико-химически активных составляющих грунта, оказывающих влияние на эффективность закрепления, обычно относят: двухвалентные катионы обменного комплекса, труднорастворимые карбонаты кальция и магния, гипс, легкорастворимые соли, подвижные формы алгоиния. На прочность сшшкатизированншс лессов влияют, кроме того, их структурно-текстурные особенности и влажность. Исследованиями В.Е.Соколовича выявлена решающая роль обменных катионов в процессе физико-химического закрепления лессовых грунтов, в дальнейшем подтвержденная результатами работ других авторов. Однако, рядом исследователей (Б.Ф.Галай, М.П.Лысенко, В.М.Алексеев, Г.А.Липсон, Л.ПЛПувалова, В'.П.Ананьев, А.М.Голованов, Р.И.Зло-чевская, Ф.Е .Волков) отмечаются слушан нарушения прямой зависимости между величиной емкости поглощения грунта и прочностью закрепления и ставится вопрос о правомерности однозначной корреляционной зависимости между этими параметрами. По мнению В.В.Ас-калонова* основным положительным фактором при силикатизации лес-сов является содержание в них гипса. Исследованиями ряда авторов обнаружено, что характер воздействия гипса на закрепление определяется его количественным содержанием в грунте. Крайне разноречива мнения относительно влияния труднорастворимых карбонатных солей на эффект силикатизации. В.В.Аскалоновнм, Б.А.Ржающшшм, С.Д.Воронкэвичем, Л.А.Евдокимовой, А.И.Халикуловым, Л.П.Шуваловой высокая карбонатпость лессов признается отрицательным фактором, снижающим их физико-химическую активность. Однако. В.П.Ананьев, Е.СЛаликова, В.М.Алексеев, Г.А.Липсон и другие не исключают возможность учаотия карбонатных минералов в процессе закрепления. Окончательно не выяснена роль легкорастворгаых солей щелочных металлов в процессе преобразования раствора силиката натрия, несмотря на то, что этот вопрос рассматривается в работах многих исследователей. Г.А.Одинцовой, М.Н.Ибрагимовым, И.Б. Вебер установлено, что немаловажное значение при отверждении силикатного раствора имеют подвижные формы алюминия, образующиеся за счет разложения в щелочной среде глинистых минералов. Из структуршх характеристик лессовых грунтов в качестве фпкторов, влияющих на прочность закрепления, большинством авторов рассматриваются гранулометрический состав, активная пористость и коэффициент фильтрации. Эти параметр» определяют как проницаемость инъекционного раотвора в грунт» так и интенотность вэаимодеПст

вия последнего с силикатом натрия.

Анализ имеющихся в литературе данных показал, что накопленные к настоящему времени сведения о роли различных факторов в процессе закрепления лессов нередко оказываются противоречивыми " и взаимоисключающими. Далеко не полностью решен вопрос комплексного рассмотрения литилого-геохимических особенностей лессовых грунтов в целях прогноза эффективности силикатизации, а имеющиеся схемы систематизации лессов по их физико-химической активности. в основном, носят эмпирический, качественный характер. Это свидетельствует о необходимости продолжения изучения данного вопроса. При этом подобные исследования целесообразно проводить на лессовых грунтах, развитых в предгорных районах, где в силу специфики инженерно-геологических условий в пределах незначительной площади происходит резкое изменение состава, структуры и свойств горных пород.

Глава 2. Экспериментальное моделирование взаимодействия лессовых грунтов со щелочными растворами

Целью исследований являлось выявление механизма и характера взаимодействия различных компонентов твердой фазы лессовых грунтов с инъекционным силикатным раствором. Физическими моделями минеральной части лесса послужили 5 искусственных порошкообразных смесей, составленных путем добавления к песчано-пилеватой фракции грунта, представленной преимущественно кварцем (74?) и альбитом (21?), различных типоморфных минералов-солей в количестве, соответствующем среднему их содержанию в природных грунтах; I) 100? "скелет" лесса, 2) 99? ■ "скелет" лесса + I? Ы+Cl , 3) 80? "скелет" лесса + 1С(? СлСОл + 10? М9СОл , 4) 97? "скелет" лесса + 3? СлЩ-ЩО , 5) 76? "скелет" лесса + 10?Л-Л£ ♦ 10? + 3? CbSOb jHjO + I? л4iCl, Нидкая £аза каждой

системы' били представлена в одной серии эксперимента раствором силиката натрия кокцентрациеН ,05 г/см3, в другой серии эксперимента - раствором гвдроксвда натрия концентрацией 0,2У- основной составляющей и наиболее активной частью инъекционного силикатного раствора. Контактирующий раствор полученных двухфазных систем, хранившихся в статических условиях взаимодействия от 1 до 360 сут анализировался химическим способом но общепринятым методикам (засл. I).

Тайлаца I

Изменение состава контактирующих растворов исслодуешх сжтеы

(мг-экв/50 мл раствора)

Состав хвдкой фазы Гидроксид натрия Силикат натрия

\ * \сис-\теи КОМ-Х понен-\ ты раствора исходный состав раствора I 2 3 4 5 исходный состав раствора I 2 I з : 4 ! 5

ая- 9,79 -0,10 0,00 -5,65 -1,38 -5,70 18,95 +1,80 -0,15 -6,66 -3,13 -7,26

со*- +0,11 +0,08 +5,66 +0,03 +4,14 4,37 +3,27 +0,88 +7,21 +2,87 +4,61

+0,02 +0,02 +0,20 +1,60 +1,97 +0,27 +0,16 +0,27 +2,20 +2,65

«■ +0,02 -к),98 +0,04 +0,03 +0,99 0,17 +0,01 +0,97 +0,03 +0,02 +0,98

аог +1,22 +1,47 +1,23 +0,60 +1,28 139,94 +34,10 +11,53 -36,99 ^4,62 ^46,25

ле" +0,11 +0,08 +0,03 +0,04 +0,01 "+0.1Г "+0,09 +0,04 +0,07 +0,06

Исследование изменения состава контактирующего раствора систем, квдкая фаза которых представлена раствором ЖОМ , позволило выделить два различных типа протекающих в них взаимодействий. I тип реализуется либо при полном отсутствии в системе мине-'" ралов класса простых солей, либо в присутствии только легкорасг-ьоримой соли ЫоСЁ (системы № I, 2). Взаимодействие в этом случае протекает без образования каких бы то ни было нерастворимых продуктов реакции, а сводится к разложению в агрессивной щелочной среде кварц-полевошпатового "скелета". Этот процесс имеет незатухающий во времени характер. П тип взаимодействия наблвдается в случае присутствия в грунте трудно- шш среднерастворимых солей: кальцита, магнезита, гипса (системы № 3, 4, 5), и характеризуется образованием в системе'нерастворимых продуктов обменных реакций - гидроксидов кальция и магния:

Ме*'С2л - / * /Л>л СОа

В этом случае в растворе происходит эквивалентная замена 0Н~-ионов на ионы СО/' шш и не фиксируется присутствие катионов Св" и Ид** на всех сроках взаимодействия. Состояние динамического равновесия достигается в этих системах на 1-7 сут. после начала реакции.

Сравнение характера взаимодействия в системах К 3 и 4 позволило вскрыть различный механизм протекающих в них процессов. Реакция разложения гипса вследствие лучшей его растворимости протекает во всем объеме жидкой.фазы, а осаждающиеся нерастворимые соединения цементируют грунт и препя' ;твуют его растворению (что фиксируется по минимальному выносу кремнезема в контактирующий раствор в системе К 4). Реакция разложения карбонатов представляет собой топохимический процесс, протекающий на поверхности карбонатных зерен. Цементация грунта в этом случае не происходит.

Аналогичные дгч типа взаимодействия выделены в системах, жвдкая фаза которых представлена раствором силиката натрия, несмотря на более сложный характер происходящих процессов, обусловленный протеканием не только химических, но и физико-химических реакций. Реакции в первых двух системах сводятся к разложению в щелочной среде алюыосилт'атов лессового грунта. Гелеобразоваяиа ходкого стекла не происходит, что позволяет говорить об инертнее-

ти кварца и полевнх шлагов к раствору силиката натрия. Из сравнения систем К I и 2 слелует, что роль соли /*5>ЛГ в этом случае сводится к замедлению процесса разложения "скелета". П тип взаимодействия характеризуется лпбо формированием нерастворимых гид-роксидов металлов с последующей адсорбцией на них полианионов кремниевой кислоты, либо гвлеобразованиеы раствора силиката пат-рия, лпбо совместным протеканием обеих реакций:

Ме**С03 +ЛЪ1О п£10г « п$И>х

Ме**604 +/г>МлО • *■ а

т. ' - ГСЛ*

Выявленные различия в механизме разложения сульфатов и карбонатов приводят к тому, что присутствие гипса в системе способствует гелеобразовании раствора силиката натрия, в то время как наличие карбонатов, напротив, препятствует этому процессу вследствие преимущественного развития процесса адсорбции на поверхности формирующихся гидроксвдов. В случае сошестного нахождения трудно- и среднерастворшых солей в грунте получают развитие оба процесса.

Глава 3. Сравнительная оценка эффективности закрепления силикатными растворами лессовых грунтов различного состава

Изучение характера взаимодействия лессовых грунтов с силп-катшаш растворами проводилось на четырех разновидностях грунтов, отобранных в предгорной части хребта Заилийскнй Алатау и существенно различающихся по гранулометрическому составу, емкости обмена, содержанию трудно- и легкорастворишх солей (табл.2 ). Для их закрепления были использованы два коагулирующих раствора: пер-сульфатсшшкатный и кремнефтористосиликатный. Первая рецептура представляет собой раствор, приготовленный на основе сшгпката натрия плотностью 1,27 г/см3 и 7,5-процентного водного раствора надсернокислого аммония ), взятых в объемном соотно-

шении 1:1. Вторая рецептара представляла собой раствор, приготовленный на основе силиката натрия плотностью 1,13 г/см3 и 5-процентного водного раствора кремнефтористого аммония ( ), взятых в объемном соотношении 100:17,5. Оба растворй обладают длительным временем геле образования: 7 и 72 ч соотвотствошю. Выбор состава и технологических характеристик ¡>ецептур определялся, исходя из специфики соста*« лессовых грунтов района г.Алма-Аты,

ТаОлша

Состав исследованных лессовых грунтов

: :Название грун-

: :та (по класси-

вв;я ¡шикации С.С.

р § '.Морозова)

Содержа- : Плотный

ние кар- : остаток

бонатов, : водной

% : вытя

Емкость обме-:Состав обмен-на.мг-экаЛШгГных катионов в щелочной • • :мг-экв/100 г

среде •-

нейтрально!'.

среде

Минеральный состав глинистой Фракции, %

гидро-:___ :сме-слвда :шанно-+ :слой-

хлерит. :ные

Лесс среднесу-глинистый I крупнонылева- 13,2 то-л'онкопесча-нистый

0,854

27.3 14,0

7,2 6,8 84

10

о.

В

с! &

Лесс средне-о СУГЛИНИСТЫЙ тл п

крупиопыле- '

ватнй

0,383

17,7 7,9

5,2 2,7 90 6,5 3,5

Средний 3 лесс овидный 13,5 суглинок

1,142

22,9 7,5

5,2 2,3 87

Тяжелый

лессовидный 22,0 0,083 9,1 1,8 85

суглинок 10•9

особенностей строения и состояния закрепляемых массивов, а также условий проведения инъекционных работ. Для сравнения была применена традиционная некоагулирукицая рецептура, предетагляюлрл собой раствор нидкого стекла без добавки отвердителя.

С целью исключения влияния структурных факторов на процесс закрепления в лабораторных условиях силикатизации подвергались искусственно сформированные образца нарушенной структуры. Силгаса-тизированные образцы хранились от 7 до 360 сут. .. как в воздушно-влажном состоянии, так и при полном водонаешцении, что преследовало цель смоделировать условия внутренней и внешней частей закрепленных массивов.

Б результате проведенных исследований получено, что средние значения приобретенной прочности на одноосное снатие для грунтов ЛЯ I и 3 составляют и,40-0,56 МПа, а для грунтов М 2 и 4 -0,27-0,33 МПа; степень полимеризации кремнекислоты в среднем соответственно: 89,5-91,2 и 87,5-89,0$. Лессовые грунты ЛИ I и 3 также характеризуются большей устойчивостью эффекта закрепления во времени и меньшей степенью его снижения в условиях водного хранения. Это позволяет считать грунты 1Ш I и, 3 более активными в физико-химическом отношении по сравнению с грунтами №»2 и 4,. Установлено, что рад убывания физико-химической активности рассматриваемых грунтов (I - 3 - 2 - 4)находится в прямом соответствии с радом убывания значений их емкости поглощения в щелочной среде и с рядом убывания содержания легкорастворимых солей. В то же время наблвдается обратная зависимость между реакционности об -ностью лессовых грунтов и содержанием в них карбонатов кальция и магния.

По полученным результатам закрепления для всех грунтов независимо от их химико-минерального состава использованные рецептуры образуют следующий ряд убывания: персульфат- кремнефтористо-силикатная силикатная > силикатная

'«.МПА 0>52 0>36 0>29

среднее

Однако, наиболее эффективным является применение аммонийно-силикатных рецептур для закрепления малоактивных лессовых грунтов. Для закрепления грунтов, обладающих высокой физико-химической активностью, использование коагулирующих растворов можно считать нецелесообразным вследствие достаточно высокого эффекта

закрепления традиционной некоагулирущей силикатной рецептурой, а также меньшей степени мобилизации активных компонентов самого грунта в менее цзлочной среде коагулирующего раствора.

Выявленные закономерности подтверждены результатами проведенного математического корреляционного анализа значений прочности закрепленных грунтов и показателей устойчивости в них силикатного цемента.

Глава 4. Исследование микростроения гелей и лессовых грунтов с искусственным цементом на их основе

Специальная серия экспериментальных исследований была посвящена изучению формирующихся в закрепленных грунтах новообразований с целью выявления влияния на их состав, и микростроение лито-лого-геохимических особенностей лессов. Электрошю-микроскопичёс-кий и рентгеновский микроанализы чистых гелей, приготовленных с использованием отверцителей - кремнефтористого и надсернокислого аммония,показали, что гели этих растворов не представляют собой однородных по химическому составу аморфных образований, устойчивых во времени. В связи с развитием процесса синерезиса первично однородный агрегат сферических частиц геля со временем (90 оутс : "старения") проявляет склонность к дальнейшей агрегации', формированию вторичных структурных элементов - каркасных "стяжений", приводящих к росту его прочностных свойств. В составе персульфате иликатного геля отмечается неоднородность в распределении по площади атомов , Ь' , 5 , что может свидетельствовать о вовлечении со временем в твердую фазу соединения , являющегося побочным продуктом реакции отверждения жидкого стекла и первоначально находящегося в составе интерыицеллярной жидкости:

*(Н,0 ■ *ма0ж +2ЩШ.

Исследование креынефтористосиликатного геля показало образование в его составе к.90 оуг: ."старения" кристаллических форы. С помощью электронно-микроскопического,рентгевоструктурного анализов, а также рентгеновского микроанализа в составе этого геля установлено формирование кубических кристаллов виллиомита, связанное о переходом л5»Л - одного из; продуктов реакции силиката натрия н кремнефторида аммония-из жидкого состояния в твердое:

В твердой фазе геля обнаружен также рост значительного количества стеблевидных новообразований неустановленного состава.

Исследование состава и структуры гелей, формирующихся в норовом пространстве грунта,показало, что большая емкость обмена лессовых грунтов ограничивает образование в составе гелей кристаллических фор/. Новообразования, сходные с кристаллами, формирующимися в чистых гелях, обнаружены лишь в образцах лессового грунта ненарушенной, структуры, обладающего минимальной емкостью поглощения в щелочной среде (11,0 мг-экв/100 г грунта). В ряде случаев в составе новообразований отмечается рост кристаллов соды. При этом установлено, что в большей степени нежелательному процессу содообразования подвертели грунты с большим содержанием карбонатов, что может быть связано с разложением последних щелочным раствором силш.ата натрия. Влияние поверхности лессового грунта отражается на морфологии формирующихся в них гелей. Неоднородность порового пространства лессов, наличие разнообразных по размеру пор приводят к образованию различных типов структур геля. Установлено, что поры менее 10 мкм целиком заполняются массой геля. В порах размером 10-20 мкм формируются. вследствие действия сил поверхностного натяжения, ячеистые, сетчатые, спутанно-волокнисты о структуры геля. В более крупных порах гель лишь "инкрустирует" стенки, создавая "армирующий" каркас, препятствующий просадке.

В результате проведенного количественного анализа изменения микроструктуры грунтов после силикатизации по РЭМ-изображениям выявлены закономерности в характере распределения пор по размерам в случае применения различных силикатных рецептур (рис. ). В связи с "ширустацией" стенок пор гелем в грунтах, закрепленных коагулирующими рецептурами, наблюдается увеличение содержания пор размером 1-20 мкм. Расчетным методом оценки прочности индивидуального контакта между частицами установлено, что применение рассматриваемых коагулирующих рецептур позволяет достичь прочности контакта 10~®Н, что соответствует прочности водостойких контактов цементационного типа. В с.-тучае использования некоагулирущих силикатных растворов прочность индивидуального контакта не выходит за пределы прочности типичных контактов переходного типа, характерных для природных лессовых Грунтов: 10"®- Ю"7 Н.

%

т

а 40

зо

У.

по

а)

'У, А //

/

/ V

/

Г

Л пкм

Рио. Интегральные кривые распределения пор по размерам в закрепленных грунтах через 6 месяцев после силикатизации: а) район нижней предгорной ступени, б) район предгорной равнины, I - незакрепленный грунт; 2 - силикатная рецептура; 3 - кремнефторис-тосиликатная рецептура; 4 - персульфатсиликатная рецептура

- 15 -

Глава 5. Сравнительная оценка результатов силикатизации в натурных условиях основных типов лессовых грунтов предгорной части хребта Зашшйский Алатау

Проверка полученных результатов лабораторных исследований производилась при опытном полевом закреплении лессовых грунтов района г .Алма-Аты. Сложные инженерно-геологические условия района обусловливают характерные особенности состава и строения развитых здесь мощных толщ просадочных лессовых грунтов. Их изучением занимался целый ряд исследователей: М.И.Ломонович, Н.И.Кри-гер, В.В.Севостьянов, Н.Е.Котелышкова, М.Т.Адшсов, А.Н.Гирка-нов, Н.Ф.Колотилин, В.П.Бочкарев и другие. Близость горного сооружения, глубокое залегание грунтовых вод, высокая стопень дре~ нированности толщи, определяют малое содержание в составе грунтов гипса и водорастворимых солей. Резкая континентальность и арвдность климата Южного Казахстана обусловливают высокую карбо-натность лессов, малое содержание в них гумуса, присутствие в обменном комплексе в значительном количестве одновалентных катионов, {¿1 грунтов более 8,0. Все эти факторы снижают 'реакционную способность грунта по отношению к силикатному раствору при его инъекционном закреплении. С другой стороны, высокая энергия рельефа региона, высотная зональность предопределяют розкую пространственную изменчивость состава и свойств лессовых толщ, принадлежность их к различным генетическим комплексам. По мере удаления от горного сооружения, при переходе от лессовых грунтов предгорных ступеней, индексируемых ш^./ , к грунтам конуса выноса и предгорной равнины, датируемым ьрЩй , наблюдаются слодущие закономерности: уменьшается мощность просадочной то -щи; снижается ое однородность; в гранулометричеи.сом составе возрастает содержание песчаной и крупнопылеватой фракции, что ведет к снижению емкости обмана грунта; в минеральном составе уменьшается количество карбонатов и возрастает содержание гипса и легкораствориыых солей. Эти факторы отражаются на изменении физико-химической активности лессов.

Полевые опытные работы по силикатизации лессовых грунтов тремя исследованными рецептурами проводились на двух площадках -на территории госпиталя инвалидов Ьоликой Отечественной войны и ТЭЦ-2 г.Алма-Аты. Грунт первого участка, расположенного в пределах нижней и|ЮД1Ч)[1НоИ ступени, представляет собой тгаолый лоо-

оовидный суглинок (но классификации С.С.Морозова) и характеризуется высоким содержанием карбонатов (22-26$), малым содержанием гипса {0,2%) и водорастворимых: солей (0,08/?), значительной величиной емкости поглощения в щелочной бреде (22,7 мг-эквДОО г грунта). Толща отличается повышенной влажностью (23/6). Грунт второго опытного участка, расположенного в пределах'аллювиально-про-лювиальной предгорной равнины, предотавляет собой средний лессовидный суглинок и характеризуется меньшим содержанием карбонатов (14-16$), большим содержанием водорастворимых солей (0,32$), меньшей величиной емкости поглощения (11,0 мг-экв/100'г грунта). Обе толщи относятоя ко П типу грунтовых условий по просадочности.

Вскрытие закрепленных массивов через I и. повторно,- через 12 месяцев после силикатизации показало, что независимо от использованной рецептуры для массива № 2 получен более высокий аффект закрепления. Это подтверждается как приобретенными значениями физико-механических свойств, так и показателями устойчивости силикатного цемента в грунте (табл.3 ), и свидетельствует о более высокой физико-химической'активности лессов второго участка.

При сравнении результатов закрепления грунтов различными силикатными растворами видно, что на обещс площадках более высокие результаты силикатизации получены в случае применения коагулирующих рецептур, г особенно персульфатсюшкатной. Однако, более отчетливо преимущество использования коагулирующих растворов проявилось при закреплении лессовых грунтов участка № I: вследствие их меньшей реакционной способности.

Таким образом, результаты проведенных опытных полевых работ подтвердили, что:

1) физико-химическая активность лессов возрастает при снижении содержания в их составе карбонатов кальция и магния и при возрастании количества водорастворима солей, что наблюдается в предгорных условиях с удалением от горного сооружения, несмотря на снижение., емкости поглощения грунтов в атом направлении;

2) применение аммонийно-си^икатных коагулирующих рецептур, обеспечивающих высокий эффект силикатизации, целесообразно лишь для закрепления малоактивных лессовых грунтов, что позволяет рекомендовать использование этих растворов для упрочнения лессовых грунтов предгорных ступеней и использование традиционного не-коэмулирующего силикатного раствора для закрепления лессов кону-оов выноса « предгорной рдвн«н».

Таблица 3

Характеристика закрепленных лессовых грунтов участков опытных работ через I месяц после силикатизации

Нес торасположеаие участка Нижняя предгорная ступень (участок я I) Предгорная (участок . заваина 12)

Характеристика грунта неза- ; закрепленные неза- ; закрепленные

ленный :сшш- :флшт-:персуль-груат ;катная:ная гфатная Ь 1 1 1 . - . лешшйгеили- :флюат-:персуль-грунт :катная;ная гфатная

Рецептура

Степень просадочности

Модуль при Щ? компрессионной при подвои

ЦШ1,шЦ£1 "'яции

Прочность при && на одно- ^^ основ при полном сжатие, водонаса-Ша вднш

Степень полимеризации ЗИ^ , %

рН грунта

0,060 0,014 0,011 0,020 0,083 0,008 0,000 0,000

2,5 22,2 23,5 47,0 3,9 16,3 18,9 26 1

1.8 12,1 12,1 18,1 2,3 16,2 23,3 31,8

ОД 0,3 0,4 0,7 од 0.7 0,6 0,8

0,0 0,3 0,3 0,4 0.0 не оцр. не оцр. не опр

- 91 91 97 - 97 97 98,5

не опр. 9,7 9,4 9,0 не опр. 10,3 10,2 9,9

•о

I

- 18 -

Заключение

Комплеко пповеденных исследований позволяет сделать следующие выводи:

1. Вскрыт механизм взаимодействия основных компонентов минеральной части лессового грунта с силикатным раствором. Установлено, что в зависимости от содержания в твердой фазе лесса трудно-, средне- и легкорастворимых солей в системе "грунт - инъекционный раствор" возможны два принципиально различных типа взаимодействия. При этом, гипс способствует гелеобразовашш силикатного ра-отвора, карбонаты кальция и магния препятствуют этому процесоу, легкорастворимая соль //сСй является ингибитором растворения в агрессивной щелочной средо алюмосиликатов лессового грунта.

2. Впервые проведено исследование состава и микростроения силикатных гелой,- приготовленных с использованием отвердителей -кремнефтористого и надсернокислого аммония. Установлено, что эти гели представляют собой неоднородные по химическому составу соединения, в твердой фазе которых возможно образование вторичных отруктурных элементов, в том числе кристаллических форм. На состав и отруктуру этих гелей оказывают влияние следующие литолого-геохимичеокие особенности лессовых грунтов: емкость обмена, содержание карбонатов кальция и магния, характер порового пространства.

3. Выявлено, что физико-химичзокая активность лессовых грунтов по отношении к силикатному раствору помимо величины емкости поглощения определяется содержанием в грунте карбонатов кальция и магния, гипса, водорастворимых солей. К активным в физико-химическом отношении лессам следует относить грунты, характеризующиеся емкостью поглощения в щелочной среде не менее 15 мг-экв на 100 г навески, содержанием карбонатов не более 15$, водорастворимых солей не менее 0,5%, гипса от I до Ъ%, при коэффициенте водонасыщония толщи, не превышающем 0,75. Вследствие этого величина емкости поглощения в щелочной среде не может являться единственным критерием прогноза эффективности силикатизации.

4. Установлено, что для закрепления малоактивных лессовых грунтов наиболее эффективно применение коагулирующей аммонийной

' пероульфатскликатной рецоптуры, исполмование которой приводит к качественному прообрчзопанию структуры грунта и формированию

- 19 -

водостойких контактов цементационного типа.

5. На примере предгорной части хребта Заилийский Алатау показано, что физико-химическая активность лессовых грунтов предгорных районов возрастает с удалением от горного сооружения. Это позволяет рекомендовать применение рассмотренных коагулирующих рецептур для закрепления грунтов предгорных ступеней и считать нецелесообразным их использование для грунтов конуса выноса и предгорной равнины.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. Королев В.А., Еремина О.Н. К вопросу о формировании ауто-гезионного сцепления в лессовых грунтах в связи с их просадочно-стью. - Инженерная геология- , 1986, № 2, с.50-57.

2. Воронкевич С.Д., Еремина О.Н., Ларионова H.A. Опыт силикатизации увлажненных лессовых грунтов нижних предгорных ступеней района Алма-Аты. - Инженерная геология' , 1987, И 6,.с.70-78.

3. Еремина О.Н., Яихарева А.Е. Взаимодействие силикатных растворов различного состава с лессовым грунтом во времени. -Матер. ХУ научн.конф. мол. ученых геол.фак-та М1У. М., 24 марта, 1988. Секц.грунтовед., инж.геол. и охраны геол.среды. Деп. в ВИНИТИ 17.06.88, Ä 4780-В88, с.20-27.

4. Еремина О.Н. Опыт закрепления малоактивных лессовых грунтов района г.Алыа-Аты. - Там же, с.28-35.

5. Еремина О.Н., Огородником E.H. Опыт закрепления проса-дочных лессовых грунтов района Алма-Аты различными силикатнши растворами. - Инженерная геология , 1989, Я 2, 0.51-56.

6. Еремина О.Н. Некоторые итоги физического моделирования взаимодействия лессовых грунтов с щелочными растворами. - Матер. ХУ1 научн.конф. мол. ученых геол.ф-та МГУ. М., 6 аир. 1989. Секц. грунтовед., инж.гео. . и охраны геол.среды. Деп. в ВИНИТИ 23.06.89 № 4I36-B89, с.2-8.

7. Ларионова H.A., Еремина О.Н. Некоторые закономерности взаимодействия типоморфных минералов лессовых грунтов с раствором силиката натрия. - Инженерная геология , (в печати).

/¿А'