III. СПОСОБЫ МЕЛИОРАЦИИ ПОРОД

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ ПОРОД

Главная задача грунтоведения и инженерной геологии заключается в оценке геологической обстановки, сопровождающейся прогнозом инженерно-геологиче­ских процессов и явлений применительно к требованиям различных видов произ­водственной деятельности человека. В случае отрицательного прогноза в комплекс инженерно-геологических работ входит выбор наиболее рациональных способов борьбы с неблагоприятными процессами и явлениями. Различают мероприятия двух типов: 1) инженерно-строительные (замена слабого грунта надежным, устройство свайных оснований, проектирование сооружения в виде плавающей конструкции, увеличение пространственной жесткости сооружения); 2)инженерно-геологические, базирующиеся на том, что в основе большинства неблагоприятных инженерно-геологических явлений лежат те или иные специфические свойства пород. Основными причинами, вызывающими необходимость мелиорации пород, встречающихся в поверхностной, зоне земной коры, являются: 1) пустотность, трещиноватость и пористость скальных пород и мас­сивов, что повышает их деформируемость, водопроницаемость, растворимость, выветриваемость, а также обусловливает их водоносность и водообильность; 2) недостаточная плотность, значительная обводненность при отсутствии струк­турного сцепления рыхлых несвязных горных пород, что вызывает значительные II неравномерные осадки, обусловливает фильтрационную неустойчивость и склон­ность переходить в плывунное состояние и определяет существенные притоки воды к строительным котлованам и подземным сооружениям; 3) высокая пористость и неводостойкость структурных связей лёссовых пород, которые при сравнительно низкой естественной влажности являются основными причинами просадочных явлений и размываемость; 4) повышенное влагосодержание, малая плотность и специфика структурных связей глинистых пород, что обусловливает их малую прочность, низкую несущую способность и деформируемость.

Разработка теории и методов целенаправленного улучшения свойств пород и массивов в соответствии с запросами различных видов строительства и приме­нительно к различным типам пород составляет существо технической мелиорации пород как определенной области современной инженерной геологии. Методы мели­орации пород используются как в качестве самостоятельных мер, так и в комплексе с инженерно-строительными мероприятиями.

Предметом технической мелиорации является изучение изменения состава, состояния и свойств пород в результате применения методов искусствен­ного их улучшения в инженерно-геологических целях. Сюда относится также разработка методов рационального изменения физико-механических и фильтрацион­ных свойств пород. Свойства искусственно полученных грунтов изучают не ста­тически, а с учетом их изменения во времени под влиянием естественных и искусственных факторов.

Главной проблемой технической мелиорации пород является разработка научно обоснованных методов прогнозами регулирования изменений состава, состояния и свойств пород, происходящих в результате их искусственного преобразования в целях предотвращения существующих и потенциально
нежелательных инженерно-геологических процессов.

Основными задачами технической мелиорации являются: изу­чение и оценка горных пород как объектов искусственного воздействия в целях определения условий и эффективности методов их уплотнения и упрочнения для улучшения физико-механических и фильтрационных свойств; 2) целенаправлен­ный анализ процессов природного диагенеза, катагенеза, метаморфизма и гипергенеза в целях определения геохимически оптимальных условий искусственного воздействия и прогноза характера и направленности процессов, происходящих в искусственных грунтах под влиянием окружающей среды; 3) исследование механизма и кинетики формирования искусственных грунтов в различных литологических, гидродинамических и гидрохимических условиях; 4) изучение инже­нерно-геологических особенностей искусственных грунтов и прогноз их измене­ния во времени с учетом изменения физико-химических параметров среды как в пределах массивов мелиорированных пород, так и в примыкающих к ним уча­стках литосферы; 5) разработка приемов инженерно-геологической типизации массивов горных пород в целях оптимизации технологических едем различных видов искусственного воздействия; 6) разработка методов контроля качества закрепления для получения количественной характеристики физико-механических свойств мелиорированных пород и оценки их изменчивости в пространстве и во времени.

Все существующие методы технической мелиорации объединяются в двакласса: 1) мелиорация пород на месте их естественного залегания; 2) создание грунтовых материалов. В основе такого подразделения лежит ряд принципиаль­ных и технологических отличий, которые обусловливают особенности механизма искусственного преобразования пород и практические возможности соответству­ющих методов. Методы, входящие в класс 1, применяются для: а) усиления оснований сооружений; б) увеличения устойчивости склонов, откосов и подземных выработок; в) создания противофильтрационных завес; г) уменьшения водопритоков к горным выработкам. Методы, входящие в класс 2, применяются для: а) устройства оснований дорожных и аэродромных покрытий; б) создания земля­ных сооружений, устройства грунтовых свай; в) устройства противофильтрационных экранов и стенок (ограждений).

Работы по технической мелиорации пород осуществляются по специальным проектам, каждый из которых должен получить соответствующее инженерно-геологическое и экономическое обоснование. Проект должен быть обеспечен всеми исходными инженерно-геологическими данными, необходимыми для проек­тирования объемов закрепляемых пород, технологии мелиорации, расчетов обо­рудования, расхода материалов и пр. При этом учитывается специфика каждого способа мелиорации и его особые требования к освещению инженерно-геологиче­ских условий местности.

II. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ — ОБЪЕКТЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ

Применительно к задачам технической мелиорации можно ограничиться наиболее простым подразделением пород с привлечением общепризнанного способа их классифицирования по типу первичных структурных связей.

1. Породы с жесткими связями (твердые). В пределах этого класса выделяются две группы: скальные и полускальные

2. Породы с отсутсвием внутренних связей, или несвязные (раздельнозернистые). Сюда относятся рыхлые г р у б о о б л о м о ч н ы е и песчаные.

3. Породы со сложными (смешанными) по своей природе связями Они часто характеризуются как породы без жестких связей, мягкие или связные и подразделяются на две группы: лессовые и глинистые.

Одним из решающих факторов оценки скальных и полускальных пород как объектов технической мелиорации является их трещиноватость и связанная с ней водопроницаемость. В зависимости от степени их характера трещиноватости (геометрия, морфология, генезис массивов и их гидрогеологи­ческих особенностей для решения различных инженерных задач применяются такие способы, как цементация, глинизация, битумизация и замораживание. Кроме того, для достижения, необходимой монолитности массивов полускальных пород применяются способы химического инъекционного закрепления (силика­тизация, смолизация).

При оценке песчаных пород в качестве объектов мелиорация наи­более существенное значение имеет их дисперсность, засоленность влагосодержание, плотность, однородность сложения. Мелиорация таких пород осуществляется в целях придания им повышен­ной плотности, устойчивости, водонепроницаемости и прочности. Указанные изменения достигаются применением осушения, механического уплотнения (трам­бование, вибрация, взрывы), силикатизации и смолизация.

Лёссовые породы являются сложным объектом и для прогноза эффективности тех или иных способов их мелиорации необходимо иметь ясное представление об их гранулометрическом и агрегатном составе, влажности, плот­ности и однородности сложения, а также о структуре и текстуре, водо- и газо­проницаемости, емкости обмена, содержании карбонатов и гипса. Улучшение свойств лёссовых пород достигается в зависимости от поставленной задачи либо путем их механического уплотнения (трамбование, вибрация, взрывы), либо с помощью методов силикатизации. В некоторых случаях применяется термиче­ское упрочнение.

Наибольшие трудности связаны с мелиорацией водонасыщенных глини­стых пород. Известные особенности этих пород и, в частности, низкая газо- и водопроницаемость, а также исключительно слабая водоотдача существенно осложняют использование большинства известных средств искусственного воз­действия. При оценке глинистых пород особое значение приобретает характери­стика их электрокинетических диффузионно-осмотических и адсорбционных свойств. Мелиорация таких пород может быть реализована на основе приложе­ния градиента напора и электрического градиента в виде способов: вакуумирование (пылеватые разности), электроосушение и уплотнение; электрохимическое закрепление и электросиликатизация.

Все промышленно освоенные способы технической мелиорации пород на месте их естественного залегания объединяются в тригруппы: обезвоживание (осушение), механическое уплотнение, физико-химическая мелиорация.

I) Обезвоживание пород. Искусственное водопонижение и осушение пород применяют для решения следующих технических задач: 1) защиты поверхностных и подземных выработок от затопления подземными водами; 2) осушения местно­сти, предупреждение заболачивания и подпора грунтовых вод; 3) уплотнения пород в основании зданий и сооружений; 4) предупреждения оползней, оплывания и других деформаций склонов и откосов выработок.

Для решения поставленных задач в зависимости от конкретных гидрогеоло­гических условий используются способы: открытого водоотлива, дренажа, иглофильтровый, вакуумный и электроосмотический. Они применяются самостоя­тельно или в различных сочетаниях.

Способ открытого водоотлива может быть применен в раз­нообразных инженерно-геологических условиях и при различной глубине. Под открытым водоотливом понимается откачка воды, проникающей в котлован, траншею или горную выработку с помощью открытых (к которым имеется, не­посредственный доступ) насосных установок и станции. Открытый водоотлив ведется, как правило, из специальных зумпфов и водосборников, к которым вода поступает по канавкам и водотокам, каптирующим фильтрационный приток через откосы и дно котлована.

Этот способ не вызывает затруднений при разработке гравийно-галечных, скальных и полускальных пород. В малоустойчивых породах открытый водоот­лив часто сопровождается процессами механической суффозии, явлениями оседания поверхности деформацией откосов. В тех случаях, когда эти процессы и явления вредят строительству, применяют другие способы водопонижения.

Дренажи в зависимости от инженерно-геологических условий и стро­ительной ситуации могут иметь место различные конструктивные особенности. Простейшим видом дренажей являются траншеи, которые в малоустойчивых породах частично заполнены фильтрующим материалом (камнем, щебнем, гравием) Более надежны в эксплуатации трубчатые дренажи, состоящие из трубчатых водотоков и фильтрующей обсыпки. Дренажи в виде подземных выработок (што­лен штреков галерей) из-за их значительной стоимости применяются в основном в период эксплуатации сооружений, для стабилизации оползневых массивов, при добыче полезных ископаемых подземным и открытым способами.

Иглофильтровый способ рекомендуется применять в несло­жных массивах, имеющих коэффициенты фильтрации от 1 до 50 м/сут с использованием специальных установок, позволяющих достигать понижения уровня грун­товых вод одной ступенью на глубину до 4-5 м. Способ заключается в исполь­зовании для забора воды из породы часто расположенных скважин с трубчатыми водоприемниками малого диаметра — иглофильтров, соединенных общим всасывающим коллектором. Иглофильтры, так же как и дренажи, применяются в виде линейных и контурных систем, которые также могут быть совершенн­ыми (доходящими до водоупора) и несовершенными (не доходящими до водоупора).

Вакуумный способ следует применять в породах с коэффициен­тами фильтрации от 2 до 0,05 м/сут для усиления эффекта водопонижения при малой водопроницаемости, низкой водоотдаче и неоднородном сложении пород. В результате вакуумирования создается дополнительная разность напоров, до­стигается ускорение осушения и уменьшение высоты остаточного слоя воды; происходит уплотнение грунта под действием фильтрационного давления. Для понижения уровня грунтовых вод до 6—7 м используются установки вакуумного водопонижения и иглофильтров с обсыпкой. При необходимой глубине понижения уровня грунтовых вод до 10—12 м рекомендуется использование эжекторных иглофильтров с обсыпкой. При переслаивании водоносных и водо­упорных слоев используются установки другого типа, позволяющие достигать понижения уровня грунтовых вод до 20—22 м.

Электроосмотический способ водопонижения — электро­осушение — основан на использовании явления электроосмоса, представляющего собой движение воды в порах грунта в поле постоянного электрического тока от анода к катоду. Этот способ следует применять в слабопроницаемых породах с коэффициентами фильтрации менее 0,05 м/сут. Электроосушение эффективно для незаселенных пород с удельным электрическим сопротивлением более 500 Ом/см при ширине котлована до 40 м. Способ реализуется в виде создания вокруг массива породы электроосмотической завесы, которая приводит заключен­ную в ней воду в капиллярно-натяженное состояние и позволяет вскрыть котло­ван насухо. С этой целью по периметру будущего котлована устанавливают два ряда электродов, с внешней стороны иглофильтры (катоды), из которых про­изводят откачку воды, а с внутренней — металлические трубы (аноды). Рас­стояние между электродами в ряду составляет 0,75—1,5 м; расстояние между рядами — 0,8 м. Глубина погружения иглофильтров должна быть не менее чем на 3 м ниже проектного понижения уровня грунтовых вод.

2) Механическое уплотнение пород применяется в промышленном и граждан­ском строительстве для усиления оснований зданий и сооружений; для предотвращения просадочных явлений; при возведении земляных сооружений (плотин, дамб, насыпей и т. п.); при создании противофильтрационных экранов и ограж­дающих стенок.

Виброуплотнение применяется для повышения устойчивости преимущественно песчаных пород. Под влиянием вибрации минеральные ча­стицы песка испытывают колебательные движения, происходит их перемещение и достигается более плотная укладка.

Поверхностное виброуплотнение песков происходит с помощью вибрирующей плиты на глубину до 3 м. Глубинное виброуплотнение (до 20 и более метров) производится при помощи глубинных вибраторов с применением искусственного увлажнения грунта (гидровиброуплотнение). Пески, предварительно уплотненные вибрированием, под штампом сжимаются в 8-10 раз меньше, чем неуплотненные.

Трамбование. Уплотнение породы трамбованием - последовательными ударами — сопровождается выдавливанием газов и воды сближением твердых частиц. В результате этого уменьшаются пористость и влажность породы увеличивается объемная масса, повышается сопротивление сжатию и сдвигу, возрастает несущая способность.

Поверхностное уплотнение трамбованием широко используется для устра­нения (частичного или полного) просадочных свойств лёссовых пород Способ применяется в грунтах со степенью влажности менее 70% и производится при оптимальной влажности. Уплотнение осуществляется путем свободного сбрасывания трамбовки массой 3—7 т с высоты 4—8 м. Трамбованием создается уплот­ненный слой грунта толщиной 1,5—3,5 м в зависимости от массы трамбовки площади ее рабочей поверхности, высоты сбрасывания, числа ударов, вида грунта, его плотности и влажности.

Уплотнение энергией взрыва (сейсмическое уплотнение). В пробуренные скважины, расположенные по квадратной сетке, опускают цепочку патронов взрывчатого вещества. После взрыва скважины послойно заполняют грунтом и уплотняют трамбованием при оптимальной влажности. Одно из основных условий качественного уплотнения пород взрывами — проведение взрыва без образования выброса или выпора грунта. Сейсмоуплотнение приме­няется для уплотнения песчаных и лёссовых пород, в последнем случае часто в сочетании с замачиванием.

Механическое уплотнение массива пород с в а я м и. Все виды свай, погруженные в породу без ее выемки, в какой-то мере оказывают уплотняющее действие на массив породы за счет уменьшения пористости ее вокруг свай на величину, равную суммарному объему тела за­битых свай.

Набивные сваи устраивают путем приготовления отверстий в породе и запол­нения их более плотным и устойчивым материалом, чем сама порода. В зави­симости от состава заполнителя набивные сваи бывают бетонными, железобетон­ными, песчаными, цементно-песчаными и пр. При помощи набивных свай уси­ливают рыхлые малопрочные песчаные, торфяно-илистые, глинистые (неустой­чивой консистенции) породы в активной зоне оснований сооружений.

Уплотнение просадочных грунтов предварительным замачиванием основывается на их способности самоуплот­няться при увлажнении под действием собственного веса. Уплотнение просадоч­ных грунтов от собственного веса происходит с некоторой глубины, на которой напряжения от собственного веса водонасыщенного грунта превышают величину начального просадочного давления. Поэтому верхние слои массива остаются неуплотненными.

Замачивание производится с поверхности дна котлована глубиной 0,5—1,0 м с постоянно поддерживаемым уровнем воды высотой не менее 0,3 м. В отдельных случаях — при значительной толщине просадочного слоя — через пробуренные скважины. Замачивание производится до достижения условной стабилизации просадки, принимаемой менее 1,5 мм в сутки в течение последних пяти дней замачивания.

3)Физико-химическая мелиорация пород. Способы физико-химической мелио­рации (цементация, глинизация, битумизация, силикатизация, смолизация_; термическое упрочнение и замораживание) применяются: для усиления оснований фундаментов под существующими зданиями; при вскрытии котлованов; при проходке горных выработок и тоннелей метро; для создания противофильтрационных завес и укрепления оснований гидротехнических сооружений; для увеличения несущей способности свай и опор.

Цементация и глинизация скальных пород представляют собой принудительное (под давлением до 2,0 МПа) внедрение в породу цементных или цементно-глинистых растворов, образующих в течение времени плотный цементный или цементно-глинистый камень, заполняющий более или менее полно трещины и пустоты. Применяются два типа тампонажных растворов: а) быстрорасслаивающийся с большим водоотделением (цементные суспензии); б)стабильные растворы с небольшим водоотделением (цементно-глинистые, цементно-бентонитовые и т. п.).

Быстро расслаивающиеся суспензии наиболее эффективны в водонасыщенных породах. Исключением являются пористые полускальные породы, сухие слабосцементированные песчаники и алевролиты. Подобные породы обезвожи­вают цементные растворы в процессе инъекции, что приводит к ухудшению качества цементации. Стабильные растворы целесообразнее применять в «сухих» породах, где опасное для этого типа растворов разжижение подземными водами не может иметь места.

Качество цементации во многом зависит от давления применяемого при инъекции. Оно должно быть достаточно высоким, чтобы препятствовать прежде­временному выпадению частиц цемента в осадок и образованию пробок. Одно­временно величины давления инъекции не должны превышать некоторых крити­ческих значений с тем, чтобы не вызывать размыва пород по напластованию и недопустимых разрывов пластов за пределами цементируемой области. Оптимальные значения давления инъекции обычно назначаются на основе опытных работ.

Выбор типа тампонажного раствора и эффективность цементации и глиниза­ции скальных массивов зависят от характера трещиноватости (ширина раскрытия трещин, наличие и состав заполнителя и т. п.), скорости движения подземных вод и их химического состава.

Противофильтрационные завесы обычно устраивают из одного-двух (реже более) рядов цементационных скважин с расстоянием между рядами 1—3 м и расстоянием между скважинами в ряду от 1,5 до 5 м. Площадную противофильтрационную цементацию устраивают обычно в виде сетки скважин, распо­лагаемых в шахматном порядке, из расчета одна скважина на 4—16 м². Укрепительную цементацию выполняют в виде сетки скважин из расчета одна скважина на 9—36 м² и по месту, из условия подсечки определенных трещин или систем трещин.

Метод горячей битумизации основан на свойстве расплавленного битума резко снижать подвижность при остывании до температуры горных пород. Нагне­тание горячего битума производится насосами через скважины с установлен­ными в них специальными ннъекторами, обеспечивающими подогрев битума в стволе скважины. При горячей битумизации используются битумы марок БН-П-У, БН-III и БН-III-У. Температура битума в котле поддерживается на уровне 180—190 °С. Основная область применения этого способа — гидроизоля­ция шахтных стволов на соляных месторождениях.

Силикатизация пород основана на применении технического
силиката натрия (жидкого стекла), который при взаимодействии с коагулятором
выделяет гель кремниевой кислоты, выполняющий роль искусственного цемента. А) Двухрастворный способ силикатизации применяется для закрепления
песчаных пород с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут и заключается
в поочередном нагнетании на заданную глубину растворов силиката натрия
и хлористого кальция. В результате этого песчаные породы приобретают прочность при одноосном сжатии 1,5—5 МПа.

Б) Для закрепления песчаных пород с коэффициентом фильтрации от 0,5 до
5 м/сут применяется однорастворный способ силикатизации. В этом случае
в грунт закачивается один гелеобразующий раствор приготовленный из смеси
силиката натрия с коагулянтом (ортофосфорная, кремнефтористоводородная
кислоты или алюминат натрия). При смешении этих растворов образование геля
кремниевой кислоты происходит в заданное время. Для устранения просадочных
свойств лёссовых пород с коэффициентом фильтрации не менее 0,2 м/сут и емкостью поглощения (в щелочной среде) не менее 10 мг/экв на 100 г сухого грунта
применяется способ, основанный на инъекции только одного раствора силиката
натрия. Способ газовой силикатизации, основанный на последовательной подаче
в поровое пространство растворов жидкого стекла и углекислого газа (при из­быточном давлении 0,4—0,5 МПа), применяется для закрепления песчаных и пылеватых пород с коэффициентом фильтрации 0,2—20 м/сут.

Смолизация – способ основан на использовании высокомолекулярных органических соединений типа карбамидных (мочевинноформальдегидных), нагнетаемых в песчаный грунт с коэффициентом фильтрации от 1,5 до 5 м/сут в виде водных растворов с добавкой коагулянтов. Предел прочности на сжатие закрепленных образцов грунта составляет 0,5-5,0 МПа. В качеств коагулянтов применяются соляная пли щавелевая кислоты. При содержании карбонатов от 0,1 до 3% необходима предварительная обработка грунта раствором кислоты 3-5%-ной концентрации.

Силикатизация и смолизация пород осуществляется путем нагнетания через систему инъекторов (забиваемых в грунт или опускаемых в скважины) соответ­ствующих химических инъекционных растворов. Нагнетание химических раство­ров производится в однородные по водопроницаемости породы — заходками сверху вниз или снизу вверх, в неоднородных по водопроницаемости массивах слои с большей водопроницаемостью обрабатываются в первую очередь. Предель­ная величина давления нагнетания определяется проектом на основании опытных работ. Вид, концентрация и рецептура химических растворов определяются в зави­симости от инженерно-геологических условий и назначения закрепленного грунта.

Силикатизация и смолизация обычно применяются как способы постоянного закрепления грунтов оснований зданий и сооружений, создания фундаментов из закрепленного грунта и устройства водонепроницаемых завес.

Термическое упрочнение основано на нагнетании раскаленных газов, кото­рые, проникая в поры, обжигают грунт и увеличивают его прочность. Высокотем­пературные газы могут быть получены: а) непосредственно в скважине при сжи­гании в ней жидкого или газообразного топлива; б) вне скважины — путем на­грева сжатого воздуха в специальных прокалочных печах или путем сжигания топлива в различных агрегатах. Термическое упрочнение целесообразнее всего применять в маловлажных лёссовых породах, имеющих достаточную газопроницаемость. Способ применяется в целях упрочнения оснований существующих зданий и сооружений или создания фундаментов из закрепленного грунта. Сжи­гание топлива производится в специально пробуренных скважинах. Для полу­чения массива упрочненного грунта заданной формы необходимо соблюдение следующих условий: надежная герметизация устья скважины: перемещение фронта горения топлива по длине скважины: поддержание в скважине указанной в про­екте температуры. Максимальная температура в скважине должна быть в диапа­зоне 900— 1100 ^оС.

Среднее удельное давление на поверхность термически закрепленных мас­сивов следует принимать не более 1,0 МПа. Термическое закрепление в просадочных грунтах следует, как правило, производить на всю глубину просадочной толщи. Как исключение допускается устройство массивов не на всю глубину толщи. Искусственное замораживание пород применяется в сложных гидрогеологических условиях как способ временного укрепления водонасыщенных пород путем создания водонепроницаемого ледогрунтового ограждения с замкнутым контуром при строительстве подземных сооружении и устройстве фундаментов глубокого заложения.