Спосіб хімічного закріплення грунту

1. Спосіб хімічного закріплення ґрунту, що включає улаштування свердловин, утворення в них зон нагнітання та подавання в свердловини через систему ін'єкторів закріплювальних розчинів, який відрізняється тим, що в ґрунт через ін'єкто C2 2 (19) 1 3 75409 4 одночасним забезпеченням їхньої водотривкості. процесі обмінних реакцій, здатний зв'язати не Поряд зі збільшенням стійкості закріплення усувабільш ніж 40 -50% силікатного розчину, що нагніється просадність лесів, лесоподібних суглинків, а тають у грунт. Решта силікатного розчину не бере також просадочних покривних суглинків. активної участі у загальному процесі силікатизації Знаний однорозчинний спосіб закріплення лелесових грунтів. Це суттєвий недолік знаного спосових грунтів шляхом силікатизації розроблений у собу. 1939 році, широко застосовується нині. Його опиДругий недолік цього способу - слабке закріпсано у монографії д.т.н. В. Є. Соколовича („Химилення грунту з вологістю вище 18%. Вже при волоческое закрепление грунтов" Москва. Стройиздат гості 18% необхідно застосовувати розчин густи1980 г. Стр.57 -70). Сутність цього способу силіканою 1,20Г/см3, однак його важко ін'єкціювати у тизації полягає у нагнітанні у грунт, що підлягає грунт внаслідок високої в'язкості, що призводить закріпленню, розчину силікату натрію з хімічною до розриву грунту і нерівномірному насиченню добавкою, введеною зарані, яка призводить у точйого силікатом натрію. но визначених час до утворення гелю кремнієвої Найближчим по технічній суті та ефекту, що кислоти, що цементує грунт. Закріплений таким досягається є „Спосіб закріплення грунтів" за А. С. чином грунт набуває водотривкості і водонепрони/СРСР/ № 313921, автори В. Є. Соколович, М. Н. кності. Ібрагімов, В. А. Губкін, який опубліковано у Б В В умовах закріпленого масиву міцність закріп1971 році №26. лення лесових грунтів на стиснення може досягти Сутність способу закріплення грунтів по протобільш ніж 20кГс/см2. в результаті досліджень витипу полягає в тому, що у грунт, що закріплюється, явлено, що під дією розчину силікату натрію на через систему забитих ін'єкторів або спеціально лесові грунти відбувається миттєва обмінна реакспоруджених свердловин нагнітається під невелиція між катіоном кальцію колоїдного поглинального ким тиском (0,5 - 2атм) вуглекислий газ CO2 у комплексу (ПК) лесових грунтів и катіоном натрію кількості 2 -3кГ на 1м3 грунту, після чого нагнітасилікатного розчину. Витиснутий з поглинального ється розчин силікату натрію густиною 1,19 комплексу кальцій в умовах міцного лужного сере1,30Г/см3. Для остаточного затвердіння силікатнодовища силікатного розчину утворює нерозчинну го розчину у грунті повторно нагнітається вуглекитверду фазу гідрату окису кальцію з дуже розвислий газ. При завчасній активізації вуглекислим неною поверхнею, на якій адсорбуються поліаніогазом грунтів досягається підкислення грунтової ни кремнієвої кислоти. Схему реакції взаємодії води зі зниженням РН до 3,9 - 4,2, що суттєво витиснутого кальцію лесових грунтів з розчином впливає на попереднє твердіння силікатного розмета силікату натрію можна подати у вигляді: чину, який нагнітається у грунт. Завчасна активізація грунтів, що закріплюються, викликає заміщення Na повітря на вуглекислий газ у трифазній системі, Ca Na+Ca(OH)2 SiO2 Поглинальний ПК Ca+3Na2SiO3+ 3N2O або заміщення частини порової води на вуглекисNa комплекс Ca лий газ у водонасиченому грунті з утворенням Na+Ca(OH)2 SiO2 трифазної системи. Це сприяє більш рівномірному Na Na+Ca(OH)2 Sio2 розподілу у грунті силікатного розчину, що нагнітається, за рахунок самовакуумування, яке виникає внаслідок активного поглинання силікатним розчиУ результаті цієї реакції утворюється мікрошар ном вуглекислого газу. При наступному нагнітанні цементуючих вапняко-кремнеземних новоутвосилікатного розчину у активізований грунт, як порень, які забезпечують міцне закріплення лесових казують досліди, розчином заповнюється до 96% грунтів. Тверда фаза гідрату окису кальцію утвооб'єму його пор, у той час, коли без активізації рюється також від розкладання гіпсу, що знахозаповнення пор не перевищує 89%. диться у грунті, лугом силікатного розчину: Остаточне твердіння силікатного розчину у CaSO4 2H2O 2NaOH Ca(OH)2 грунті відбувається при вторинному нагнітанні вугNa 2SO4 2H2O лекислого газу, при цьому відбувається активне А також при взаємодії луга з дисперсним картвердіння силікатного розчину у поровому просторі бонатом кальцію лесового грунту: грунту, що закріплюється. CaCO2 2NaOH Ca(OH)2 Na 2CO3 Механізм твердіння силікатного розчину зумовлений нейтралізацією у ньому лугу вуглекислим Ca(OH)2 утворюється В останньому випадку газом, внаслідок чого збільшується силікатний тільки на поверхні карбонатних часток. Однак осмодуль розчину, що призводить до утворення геля новним джерелом утворення у більшості лесових кремнієвої кислоти, яка цементує грунт у міцний грунтів при їх силікатизації є обмін на катіони камоноліт. У залежності від кількості вуглекислоти, льцію поглинального комплексу. що надходить, нейтралізація лугу відбувається за Для закріплення лесових грунтів з природною такими реакціями: вологістю 10 -12% рекомендовано концентрацію 2NaOH CO2 Na 2CO2 H2O , 3 силікатного розчину густиною 1,13Г/см , як оптиА при надлишку вуглекислого газу: мальну з силікатним модулем 2,75 -3,0. При закріNa 2CO2 CO2 H2O 2NaHCO3 пленні лесових грунтів вологістю 15 -18% густину розчину силікату натрію підвищують до 1,15 Реакцію твердіння силікатного розчину можна 1,2Г/см3. Вивчення реакції силікатизації лесових навести у такому вигляді: грунтів показало, що Ca(OH)2 , який виділяється у 5 Na 2SiO3 2CO2 nH2O2 75409 SiO2 nH 2O 2NaHCO3 Процес самовакуумування сприяє утворенню системи плівок з геля кремнієвої кислоти, у наслідок чого навіть при неповному закріпленні пор закріплювачем грунт набуває тривкого закріплення і водонепроникності. Як показує практичне застосування цього способу, у 2-3 рази підвищується водостійкість закріплених лесових грунтів і знижується вилуговування кремнієвої кислоти з закріпленого грунту у 3 рази. За допомогою газової силікатизації вдається закріпити дуже зволожені і водонасичені лесові грунти. Однак прототип має дуже суттєві недоліки. Застосування цього способу у містах Запоріжжя і Волгодонська при силікатизації вологого леса у основині фундаментів промислових споруд, як правило, призводило у період нагнітання вуглекислого газу до виникнення у грунті розривів, по яким пізніше озповсюджувався розчин силікату натрію. Для зменшення розривів грунту після нагнітання вуглекислого газу у свердловину нагніталося повітря. Однак, і після цього, як було встановлено, розтином шурфів на восьми дослідно-виробничих ділянках замість однорідного закріплення грунту по радіусу утворюються шпарини, що заповнені розчином силікату натрію. Цей недолік способу за прототипом не дозволяє забезпечення проектних параметрів закріплення грунту. (Б. А. Ржаницин „Химическое закрепление грунтов в строительстве" Москва. Стройиздат. 1986г. Стр.87). Крім цього, використання знаного способу тягне за собою підвищення трудовитрат, бо двічі подається у свердловину вуглекислий газ, до і після силікатизації, необхідність застосування спеціального устаткування для подання газу у свердловину і засобів автоматизації, підвищує вартість робіт. Застосування способу за прототипом хоча і дозволяє підвищити процент використання силікату натрію на 20-30%, порівняно з аналогом, однак 30% закріплювального розчину залишається не використаним. Метою винаходу, що заявляється, є розробка надійного способу хімічного закріплення водонасичених лесових просадочних грунтів методом силікатизації, що забезпечує досягнення параметрів міцності, водонепроникності і водотривкості, що відповідають вимогам БНІП. Відомо, що у водонасичених грунтах з вологістю вище 20% відбувається вимивання з поглинального комплексу і винесенні з зони масиву, що закріплюється, солей кальцію та інших водорозчинних солей, які беруть участь у обмінних реакціях та виконують роль коагулянтів силікатного розчину. Внаслідок цього поглинальний комплекс збіднюється, що призводить до зменшення міцності закріплення і підвищує витрати силікату натрію. В основі винаходу, що заявляється, була поставлена технічна задача: суцільного насичення об'єму грунту, що закріплюється, недорогою речовиною, яка є продуцентом обмінних катіонів кальцію при хімічних реакціях з силікатом натрію і утворює в'яжучи речовини, які надають грунту міцного закріплення. 6 У ході виконання лабораторних і експериментальних робіт найкращі результати були одержані при нагнітанні у грунт, що закріплюється, пересиченого водного розчину гідрату окису кальцію послідовними заходженнями зверху вниз на всю глибину закріплення через ін'єктори, що розташовані між ін'єкторами для нагнітання силікату натрію, який нагнітається у грунт також послідовними заходженнями, але знизу вверх. Подання у грунт водяного розчину гідрату окису кальцію заходженнями зверху вниз та силікатного розчину знизу вверх обумовлена необхідністю рівномірного просякнення всього масиву, що закріплюється. Механізм закріплення посадочного грунту. При нагнітанні у свердловину пересиченого водяного розчину гідрату окису кальцію (вапняного молока) заходженнями зверху вниз на всю глибину закріплення відбувається рівномірне промочування грунту, і на поверхні часток лесового грунту утворюється плівка Ca(OH)2 зі сильно розвинутою поверхнею. При цьому піщані частки, що в основному складені з кристалів SiO2 , взаємодіють з Ca(OH)2 утворюють силікат кальцію: Ca(OH)2 SiO2 H2O CaSiO3 2H2O Відбувається також процес закріплення піщинок у структуру. Потім через ін'єктори, що розташовані між свердловинами для нагнітання вапняного молока, заходженнями знизу нагнітають у грунт розчин силікату натрію, який вступає в реакцію з адсорбованою на поверхні часткою грунту з боку пор (Ca(OH)2 ) . Силікат кальцію, що виділився в наслідок реакції, стабілізує кістяк грунту, зміцнюючи його природну структуру, одночасно поруватість стабілізованого грунту незначно зменшується і зберігається його висока просякність. На твердій фазі гідрату окису кальцію адсорбується кремнієва кислота: mCa (OH)2 NaSiO3 CaSiO3 2NaOH Одержане новоутворення у вигляді тонких плівок на поверхні пор, у пристінному шарі капілярів і не перешкоджає проникненню по ним нових порцій силікату натрію, який завдяки більш високій густині, витискує з пор і капілярів воду. Вапно, що виділилося у наслідку обмінних реакцій, а також те, що надійшло разом з вапняним молоком, знаходиться у вигляді твердої нерозчинної фази, яка є головним твердником розчину силікату натрію: Ca(OH)2 NaSiO3 CaSiO3 2NaOH Далі у розчині силікату натрію, що не прореагував і розташований у порах грунту, внаслідок поліконденсації утворюється слабкий гель кремнієвої кислоти. Він захищає цементуючий шар новоутворень від агресивної дії водяного середовища. Далі часткове тверднення розчину силікату натрію, що розташований у поровому просторі, спричиняється алюмінієм та кремнієвою кислотою, які потрапляють у силікатний розчин у наслідок розкладання лугом алюмо-силікатного ядра глинистих мінералів грунту. Аніон Al2O, що вийшов з глини, взаємодіє з силікатним розчином за реакцією: Na 2O nSiO2 2NaAlO 2 xH2O Na 2O Al2O3 nSiO2 nH2O 2NaOH 7 75409 8 Внаслідок вищенаведених хімічних взаємодій, Спочатку заходженнями з верху вниз провадилося закріплений грунт набуває високої міцності, водопослідовне нагнітання на всю глибину закріплення непроникності та водотривкості. водяного розчину гідрату окису кальцію через неПриклад конкретного виконання. парні свердловини. Розчин подавався під тиском Заявлений спосіб був випробуваний у вироб1,8м. атм. При температурі навколишнього сереничих умовах на ВАТ „Укрграфіт" при спорудженні довища +10 - +20°С. Концентрація розчину по каосновин фундаменту печі випалювання електродів льцію дорівнювала 4%. Після насичення вапняним вагою близько 2000 тон під час її реконструкції у розчином ін'єктори витягувалися і свердловини серпні 2003 року. тампонувалися цементним розчином. Зразу після Лесовий просадочний грунт основини фундацієї операції провадилося нагнітання через парні менту випалювальної печі характеризується водосвердловини водяного розчину натрію також поснасиченістю з показником вологості 25 -26% і полідовними заходженнями, але знизу вгору на всю руватістю близько 50%. Поглинальний комплекс глибину закріплення грунту під тиском 2,0атм. Гусбув значно збіднілим внаслідок високого рівня грутина розчину, що нагнітався, дорівнювала нтових вод (3,5 - 4м. від рівня підлоги цеху) і бага1,19г.см3, силікатний модуль 2,9, температура +10 торазових сезонних коливань. У цих складних гео- +20°С. логічних умовах не видавалося можливим Через 14 діб після закінчення робіт розтином застосування знаних способів закріплення просашурфів було взято і випробувано зразки закріпледочних лесових грунтів, що забезпечували б потного грунту, міцність зразків на стискання дорівнюрібні параметри міцності та водотривкості. На освала від 20 до22кг/см3. Через 30 діб також було нові результатів лабораторних та взято зразки. Випробування на стискання показаекспериментальних робіт було розроблено проект ло, що міцність підвищилася у 1,2 рази. Розриви , що виконаний на практиці. Ін'єктори для подагрунту і шпарини були відсутні. При використанні вання хімічних реагентів у грунт, що закріплюєтьзаявленого способу витрата силікату натрію змеся, були розташовані рядом на відстані 0,6м. один ншилася приблизно на 30 % порівняно з прототивід одного, а радіус закріплення визначено обчиспом за рахунок відсутності шпарин та розривів ленням 0,5м. Відстань між рядами ін'єкторів була грунту і витікання розчину за межі проектної зони визначена розрахунками і дорівнювала 0,75м. закріплення грунту. Комп’ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601