книги из ГПНТБ / Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород

С. Д. ВОРОНКЕВИЧ, Л. А. ЕВДОКИМОВА

ГАЗОВАЯ

СИЛИКАТИЗАЦИЯ ПЕСЧАН ЫХ ПОРОД

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

1974

время за счет физико-химических процессов образуется искусственный цемент, обеспечивающий консолидацию пород.

IV . П р и л о ж е н и е ф и з и ч е с к и х п о л е й (электрического, те лового и т. п.).

Инъекционное закрепление позволяет производить необратимое преоб­ разование пород за счет их искусственной цементации. Этот метод исполь­ зуется для создания противофнльтрациоиных завес, для укрепления осно­ ваний плотин и зданий, в целях повышения устойчивости кровли подзем­ ных выработок, образования и усиления обделок туннелей и т. д.

Инъекционный процесс применяется для обработки как скальных тре­ щиноватых пород, так и различных песчаных пород. В настоящее время в распоряжении инженеров имеется довольно широкий набор рецептур инъекционных растворов, которые позволяют решать многие конкретные задачи современного строительства. Однако специфические литологические особенности песчаных пород нередко затрудняют использование имею­ щихся способов их закрепления для получения надежного и длительного эффекта. К их числу относятся, например: пониженная водопроницаемость (< 10 —5 м/сут), повышенное содержание карбонатов (> 3 % ), относитель­ но высокое содержание глинистых частиц как в виде примеси, так и в ви­ де аутогенных образований на поверхности песчаных зон, сравнительно высокая концентрация солей в поровом растворе и существенные откло­ нения pH порового раствора от нейтрального, обогащенность органическим веществом и некоторые другие. Другими словами, несмотря на очевидный прогресс в области инъекционного закрепления пород, до настоящего времени остается слабо разработанной проблема эффективной консолида­ ции мелкозернистых и тонкозернистых, пылеватых и глинистых рыхлых песчаных образований, обладающих перечисленными особенностями в раз­ личном сочетании, тогда как именно такие песчаные породы создают наибольшие трудности при их инженерном освоении и плохо поддаются воздействию мероприятий инженерно-строительного характера.

В связи с этим начиная с 1962 г. Лаборатория технической мелиора­ ции грунтов Московского университета приступила к исследованиям в об­ ласти искусственной химической консолидации песчаных пород, обладаю­ щих указанными особенностями. Одним из основных итогов этих исследо­ ваний является разработка способа газовой силикатизации песчаных пород. В результате проведенных работ было установлено, что газовая силикатизация — быстрый и надежный способ консолидации песчаных пород в строительных целях. Способ основан на применении дешевых, не­ дефицитных и безвредных веществ и состоит в последовательной инъекции

силиката натрия в короткий промежуток времени, при этом закрепляемый грунт сразу набирает заданную прочность. л

В зависимости от концентрации силиката натрия прочность закреплен­ ного грунта от 25 до 2 кг/см2. Способ применим для супесчаных и песча­ ных грунтов различного минералогического состава с коэффициентами фильтрации от 20 до 0,2 м/сут. Он может быть использован для усиления оснований промышленных и гражданских сооружений и увеличения устой­ чивости песчаных массивов при проходке горных выработок.

Предлагаемая читателю монография прежде всего содержит рассмот­ рение теоретических основ способа газовой силикатизации песчаных пород и описание результатов всестороннего опробования этого способа.

Анализ процессов природного окремнения пород в зоне гипергенеза и сопоставление их основных геохимических особенностей с процессом силикатизации пород в строительных целях позволил впервые выдвинуть и обосновать идею о том, что эпигенетическое окремиение пород является теоретической базой способов закрепления пород, основанных на исполь­ зовании силикатных растворов. В связи с этим удалось выявить сущест­

4

ГЛАВА I

ПЕСЧАНЫЕ ПОРОДЫ-ОБЪЕКТ ХИМИЧЕСКОГО ИНЪЕКЦИОННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ

Песчаные породы представляют собой самостоятельный петрографический тип, входящий в большую группу обломоч­ ных осадочных образований, называемых в инженерной гео­ логии рыхлыми несвязными породами. Они формируются как продукт выветривания горных пород и в результате переотложения продуктов выветривания. Под влиянием процессов диагенеза, почвообразования, геохимической деятельности подземных вод песчаные отложения приобретают специфи­ ческие черты строения, определенный состав н свойства. Мно­ голетний опыт показывает, что наибольшее влияние на ха­ рактер и результат инъекционного химического закрепления оказывают следующие особенности состава и строения песча­ ного массива: гранулометрический, минеральный и химиче­ ский состав, характер поверхности песчаных зерен, плотность и водно-физические свойства.

Эффект химического закрепления пород связан также с особенностями процесса инъекции цементообразующих растворов.

Перечисленные особенности песчаных пород формируются в результате различных природных процессов, и поэтому на­ блюдается большое разнообразие генетических типов пес­ ков — элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллю­ виальные, водно-ледниковые, озерные, морские, эоловые, вулканические. В настоящее время наибольший опыт по инъекционному закреплению накоплен в отношении аллюви­ альных, водно-ледниковых, морских (древних и современных) и эоловых песчаных пород, значительно чаще других встре­ чающихся в районах интенсивной инженерной деятельности человека.

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Относительное содержание зерен различного диаметра является важнейшей чертой песчаных пород. Гранулометри­ ческий состав прежде всего обусловливает основные физпко-

6

механические свойства песчаных пород, в том числе и такие, как проницаемость и удельная поверхность, имеющие важное значение при оценке песчаных пород в качестве объектов инъекционного закрепления. Кроме того, дисперсность песча­ ных пород является наиболее универсальным классификаци­ онным признаком.

К песчаным породам в настоящее время в инженерной геологии принято относить как собственно пески (глинистых частиц менее 3%), так и пылеватые, глинистые и супеси. Гранулометрическая классификация Е. М. Сергеева (табл. 1) дает наглядное представление о многообразии встречающих­ ся в природе песков и может быть с успехом использована для их подразделения. Супеси можно классифицировать в соответствии с предложениями П. И . Фадеева (1969) на лег­ кие (частиц <0,002 мм — 3—6%): мелкозернистые (с преоб­ ладанием фракции 0,25—0,1 мм), крупнозернистые (с преоб­ ладанием фракции 1—0,25 мм); тяжелые (частиц<0,002 мм—

(0—50%); <0,005 мм (0—50%).

На основании изложенного понятие «песчаные породы» в данной работе будет применяться для обозначения несцемен­ тированных, зернистых природных образований различного генезиса и состава. Крайние члены этого ряда могут быть охарактеризованы некоторыми ориентировочными значения­

данном случае еще и потому, что нижняя граница песчаных пород здесь практически совпадает с нижней границей прин­

отсортированное™ (однородности) выделяются четыре груп­ пы: хорошо отсортированные, средне отсортированные, плохо отсортированные, неотсортированные. В соответствии со сте­

7

ДО