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

ные повышения ее содержания до 0,481—0,674%. Значения pH в этих участках превышают 10,80, а концентрация гидро­ окиси натрия достигает 3,69—4,67 мг-экв на 100 г грунта. Од­ нако подобные явления составляют исключения. В грунте, закрепленном раствором силиката натрия удельным весом 1,30 г/см3, содержание водно-растворимой кремниевой кисло­

кремниевой кислоты в закрепленных грунтах, как правило, превышает 90%, достигая 95—96% (табл. 33). Как исключение в единичных случаях на периферийных участках наблюдалась неполная полимеризация (52,9—66,15%), что связано с неполной карбонизацией и бикарбонизацией этих участков. Незначительное снижение степени полимеризации (до 85,9—89,7%), имеющее место в приинъекторной части по сравнению с центральной и периферийной частями (91,32—93,9%), вероятно, обусловлено подтоком незначитель­ ных количеств кремниевой кислоты в форме силикатов натрия с растворами легкорастворимых солей при снятии газового давления.

Образование полимера определяет прочность и долговеч­ ность закрепления, так как водно-растворимая кремниевая кислота легко удаляется из закрепленного массива. В одно­ родном слое грунта прочность закрепления зависит от кон­ центрации кремниевой кислоты. Однако известная неодно-

102

103

родность в составе и сложении аллювиальных отложений проявляется в том, что при одинаковом содержании S i0 2 свойства закрепленных грунтов могут быть заметно различ­ ными.

Влияние литологических особенностей на іфизико-механн- ческие свойства грунтов после закрепления газовой силика­ тизацией отчетливо проявляются при определении сопротив­ ления сдвигу на приборе полевой лаборатории Литвинова.

Определения производились на образцах закрепленных грунтов, отобранных по горизонтальной плоскости без нару­ шения сложения.

При близком содержании суммарной и водно-растворимой кремниевой кислоты, почти однозначной степени ее полимери­ зации значения С, <тр и т в гор. Ві на расстоянии 2— 10 см от инъектора в два раза меньше, чем в гор. В2.

Пески гор. Ві отличаются тем, что у них в составе по­ верхностных пленок содержится определенное количество ор­ ганических веществ (0,552% гумуса), которые определяют рыхлость органических и органо-минеральных пленок и сла­ бую их связь с поверхностью зерен. Такие пленки экраниру­ ют поверхность зерен, ослабляют их взаимодействие с цемен­ том и обусловливают относительно низкую прочность за­ крепления. Кроме того, имеет место растворение гумусовых веществ в щелочном растворе силиката натрия, что ослабля­ ет структуру полимера.

В пределах одного генетического горизонта, например гор. В2, сцепление, сопротивление на разрыв и прочность на сдвиг зависят от содержания кремниевой кислоты. Значения их выше при более высоком содержании кремниевой кислоты. Участки со средним содержанием кремниевой кислоты

являющемся нижней частью иллювиального горизонта, крем­

няется почти полным отсутствием органического вещества в гор. В3 (табл. 36). В пределах гор. Вз максималь­ ные значения сопротивления сдвигу, сцепления и со­

104

В грунтах, закрепленных более концентрированными раст­ ворами силиката натрия удельным весом 1,30 г/см3, влияние состава и сложения грунтов на сопротивление сдвигающему усилию проявляется менее отчетливо. Однако и в этом слу­ чае заметно влияние состава отдельных горизонтов на физи­ ко-механические свойства грунтов после закрепления (см.

табл. 33).

В гор. Ві содержание кремниевой кислоты после закрепле­ ния составляет 2,700—-3,399%. Прочность на сдвиг изменяет­ ся от 4,9 до 6,7 кг/см2. Аналогичная прочность на сдвиг. (4,4—7,5 кг/см2) наблюдается в гор. Вг при заметно мень­ шем содержании кремниевой кислоты (2,172—2,764%). Проч­

т. е. свидетельствует в целом о долговечности эффекта закреп­ ления при использовании способа газовой силикатизации.

Тем не менее априорно можно предположить, что харак­ тер распределения кремнекислоты, условия ее полимериза­ ции и дальнейшего существования во многом определяются особенностями сложения закрепляемых пород. В связи с этим были проведены наблюдения по изменению геохимической об­ становки в закрепленных грунтах в течение двух-трехлетнего периода. Исследования показали (табл. 34), что за 2-летний период в закрепленных грунтах резко снизилось содержание карбоната и бикарбоната натрия.

Это обусловлено, с одной стороны, вымыванием натрие­ вых солей инфильтрующимися водами и, с другой стороны, в большей степени диффузионным перемещением под влиянием разности концентраций на различных участках закрепленных грунтов, а также между закрепленными грунтами и окру­ жающими их незакрепленными.

Закрепленный массив грунта по отношению .к окружаю­ щему незакрепленному можно рассматривать как засоленный бикарбонатами и карбонатами натрия. Значительно меньшая водопроницаемость закрепленных массивов по сравнению с окружающим грунтом обусловливает быструю смену воды при инфильтрации осадков и талых вод вокруг закрепленно­ го грунта и поддержание разности концентрации в гранич­ ном слое закрепленный — незакрепленный грунт. В резуль­ тате этого происходит интенсивное выщелачивание солей из закрепленного массива.

Усиленное иніфильтрационное и диффузионное выщела­ чивание ЫагСОз и ЫаНСОз из закрепленных грунтов обус­ ловлено отчасти нарушением естественного сложения песков, разрушением местных водоупоров и ожелезненных прослоек

105

при вскрытии грунтов вокруг закрепленных массивов, кото­ рое производилось непосредственно после закрепления. Пос­ ле описания морфологии закрепленных массивов и отбора проб на прочность и химический анализ шурфы были закры­ ты грунтом. Разрушение естественного сложения пород, ок­ ружающих закрепленный участок, выразилось в увеличении объема поступающих инфильтрационных вод в граничащий с закрепленным грунтом слой песка.

Скорость выщелачивания карбоната и бикарбоната нат­ рия зависит от гранулометрии и водопроницаемости грунта. Наибольшие количества ИагСОз и N aH C 0 3 обнаружены в опыте 7. Верхние 30—40 см закрепленного грунта представ­ ляют собой погребенный торфяно-песчаный горизонт. Высо­ кое содержание органического вещества препятствует выще­ лачиванию водно-растворимых компонентов. В связи с этим суммарное содержание ЫагСОз и ЫаНСОз колеблется от

110,8 до 404,8 мг на 100 г грунта (рис. 20).

Нижний горизонт этого же закрепленного массива харак­ теризуется значительно меньшими значениями pH (7,18— 8,19), низким содержанием, а иногда и полным отсутствием

106

карбонатов. Большая однородность гранулометрического со­ става, отсутствие органического вещества определили боль­ шую скорость выщелачивания карбонатов и бикарбонатов натрия.

Е Е : 1 9 I*

I V

на глубине 60 см от поверхности закрепленного грунта. Коли­ чество карбонатов и бикарбонатов натрия колеблется в пре­ делах 16,6—94,5 мг на 100 г грунта (табл. 44). Это обуслов­ лено плотным сложением и мелкозернистым составом гори-

107

зонта. Однако и в этом случае скорость выщелачивания очень велика.

Наличие карбоната натрия обусловливает pH закреплен­ ного грунта более 8,20. Максимальные значения pH зафикси­ рованы в опытах 5 и 7 (9,19—9,90). Такие значения pH в верхних горизонтах закрепленных грунтов обусловлены не­ достатком углекислого газа при отверждении силиката нат­ рия в связи с утечкой газа через приинъекторное простран­ ство на поверхность.

В опытах 6 и 8 при расходе газа 2—2,5 кг на 100— 130 л раствора жидкого стекла значения pH в основном колеблют­ ся от 7,25 до 7,6 и только в отдельных местах (у гшъектора) достигают 8,8—9,0. Исследования 1971 г., проведенные через три года после закрепления (опыт 1), показали, что закреп­ ленный грунт полностью освободился от присутствия легкора­ створимых солей. Некоторое количество их (0,86—1,72 мг-экв на 100 г грунта) сохранилось в гор. С. Щелочность среды понизилась до значения pH 7,24—7,64 в верхнем гор. А2, до

8,26—8,93 в гор. Ві и до 9,92—9,52 в гор. Щ.

Сравнительно невысокие значения pH грунтов, закреп­ ленных методом газовой силикатизации, определяют большуюстабильность кремнекислоты в водной среде, чем, например, при закреплении силикатно-кремнефтористоводородной ре­ цептурой, имеющих pH 10,5— 11,0.

О стабильности кремниевой кислоты в закрепленном мас­ сиве и отсутствии заметного выщелачивания S i0 2 в течение 2 лет с момента закрепления можно судить также на осно­ вании расчета по введенному количеству S i0 2 с раствором силиката натрия и фактическому содержанию кремнезема в закрепленном грунте. При закреплении песка в 1968 г. (опыт 7) в грунт было введено 100 л раствора силиката натрия удельным весом 1,19 г/см3 с силикатным модулем 2,68, со­ держащего 15,5 кг S i0 2. Средний радиус закрепления соста­ вил 30 см, а высота закрепленного столба— 140 см. Объем закрепленного массива составил примерно 0,4 м3. Объемный вес песка до закрепления в среднем составляет 1,65 т/м3. Та­ ким образом, было закреплено 660 кг грунта. Следователь­ но, при равномерном распределении кремниевой кислоты в 100 г грунта должно содержаться около 2,35 г S i0 2. Опре­ деление содержания кремниевой кислоты на различных глу­ бинах и удалении от инъектора (опыт 7) в 1970 г. показа­ ло, что в среднем в пределах расстояния 30 см от инъектора содержание кремниевой кислоты колеблется от 1,74—2,06 до 2,60 г (см. рйс. 20), что связано с известной неоднородностью распределения силиката натрия в неоднородном грунте.

Отсутствие заметного перемещения кремниевой кислоты в вертикальном разрезе закрепленного грунта также видно из опыта 8 (рис. 19). Максимальные значения pH и присутст-

108

Гл уби на от поверхности ,см

Р аспределение S iO ^ a толщ е закрепленно­ го иа сси в а (го р и эо н та л ь и ы й разрез)

вне Na2C 0 3 обнаружены только на глубине ПО см в приинъекторной части (на расстоянии от инъектора 0—5 см).

Свободными от карбоната натрия являются верхняя часть и периферийные слои массива на расстоянии от 12—20 см до наружной границы закрепления. В центральной части мас­

шие концентрации NaHCOä" (35,7—43,2 мг на 100 г грунта) зафиксированы на глубине 40 см в 15 см от инъектора. В на­ ружном слое закрепленного массива содержание бикарбона­ тов практически неизменно по вертикали. Наименьшая его концентрация наблюдается в верхней части массива.

Если бы наряду с выщелачиванием солей натрия филь­ трующимися водами происходило передвижение кремниевой кислоты, то неизбежно наблюдалось бы увеличение содержа­

грунта уменьшается с глубиной.

Отсутствие заметного вымывания кремниевой кислоты под­

ПО

полное выщелачивание солей натрия из горизонта с глуби­ ны 100— 170 см не сопровождается снижением содержания кремниевой кислоты. Содержание кремниевой кислоты в грун­ те через 3 года после закрепления его способом газовой си­ ликатизации колеблется в пределах 0,814—2,276%, что соот­ ветствует содержанию полимерной SiC>2 непосредственно пос­ ле закрепления грунта (табл. 35). Отсутствие выщелачива­ ния кремнегеля из массива закрепленного грунта обусловли­ вает сохранение прочности во времени.

Ш