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

Рис. 13. Электронномикроскопические снимки кремнеземистого цемента в закрепленном песке: а — гумусированном; б — иегумусированном (уве­ личение 300)

с силикатным модулем 2,72 с последующей обработкой угле­ кислым газом. Прочности грунтов после закрепления колеба­ лись в среднем в пределах 8— 10 кг/см2 (табл. 24).

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что вред­ ное действие органических веществ можно преодолеть путем использования силикатных растворов относительно высокой концентрации с удельным весом более 1,25 г/см3.

В то же время широко распространенные в природе крем­ некислые и железистые образования на поверхности мине­ ральных частиц играют весьма существенную положительную роль, увеличивая общую физико-химическую активность пес­ чаных пород.

ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРОЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ПО РО Д 1

Насос

ws/s/sw/fw?)//.

ния являлось послойное описание и опробование закреплен­ ных массивов с отбором образцов для лабораторных иссле­ дований из характерных элементов толщи. Опытные работы были приурочены к I надпойменной террасе р. Клязьмы. Ал­ лювиальная толща (alQin) в пределах опытного участка ха­ рактеризуется горизонтальной слоистостью отложений, обус­ ловленной в основном сменой гранулометрического состава. Мощность отдельных слоев колеблется от нескольких санти­ метров до 0,7—0,8 м. В аллювиальных отложениях I над­ пойменной террасы встречаются горизонты погребенных почв и торфянистых образований. Строение верхней толщи аллю­ виальных отложений осложнено почвообразовательными про­ цессами, выражающимися в образовании как почвенных ге­

1 Под строением песчаных пород авторы вслед за П . И. Фадеевым (1951) понимают характер слоистости, наличие линз, прослоев п включе­ ний, а также плотность сложения.

82

нетических горизонтов подзолистых почв, так и сильно ожелезненных прослоек толщиной 1,5—2,0 мм в основном горизонтального направления и тонких прожилок, распреде­ ляющихся в различных направлениях.

Рис. 15. Схематическое строение толщи аллювиальных песков (alQm) в зоне почвообразования на опытном участке:

1 — супесчаный перегнойно-аккумулятивный горизонт, 2 — песок, 3 — гу­ мусированные и торфяные прослойки, 4 — ржаво-бурые затеки, Ъ — зерна ортштепна, 6 — густая сеть ожелезненных прослоек горизонтального про­ стирания, 7 — редкие железистые прослойки, 8 — единичные железистые прослойки

Участок опытных работ расположен на ровной поверхно­ сти с небольшим уклоном в сторону от уступа I надпоймен­ ной террасы с разностью отметок 30 см. Строение верхней 2-метровой толщи, вскрытой шурфами, представлено на про­ филе (рис. 15), Слабо повышенный участок заложения опы­ тов 1—8 характеризуется большим скоплением ожелезнен­ ных прослоек с глубины от 78 до 150— 160 см. Наличие гус­ той сети ожелезненных прослоек обусловливает меньшую

мощность иллювиального гор. В, нижняя граница которого прослеживается на глубине 97 см. Кроме того, в иллювиаль­ ных гор. Ві и В2 этого участка наблюдается слабое вскипа­ ние от соляной кислоты, обусловленное присутствием неболь­ ших количеств карбонатов. Последние полностью отсутству­ ют на участке опытов 9— 12. Большая элювнпрованность про­ филя в данном случае выражается не только отсутствием

68 см, отчетливо выделяется подгорнзонт Вз. Большая мощ­ ность иллювиального горизонта связана в известной мере с уменьшением количества ожелезненных прослоек. Так, на площадке опыта 9 имеют место всего лишь единичные же­ лезные прослойки, количество которых увеличивается зако­ номерно к участку опытов 1—8.

Грунтовые воды на территории участка расположены на глубине 5 м. Гранулометрический состав и физико-механи­ ческие свойства отдельных горизонтов приведены в табл. 25.

В составе песков преобладает фракция частиц размером 0,25—0,10 мм, содержание которой колеблется сравнительно мало в пределах 68,30—62,82%. Наибольшее содержание гли­ нистых частиц (<0,005 мм) характерно для поверхностного гумусированного горизонта (3,58%). В гор. Сі полностью от­ сутствуют частицы <0,1 мм.

Коэффициенты фильтрации песков при нарушении сло­ жения достигают значительных величин, составляя при плот­ ном сложении 13,8—25,0 м/сут. Коэффициент фильтрации верхней метровой толщи грунтов в естественном сложении ко­ леблется в пределах 8— 10 м/сут, достигая в гор. С 2 19,0 м/сут. Пористость песков в плотном сложении изменяется в преде­ лах 34,8—38,1%.

По минеральному составу пески в пределах исследован­ ной толщи — мономинералы-іые, кварцевые. Кварц состав­ ляет не менее 93—95%■ В состав легкой фракции входит по­ левой шпат, глауконит и слюды1. Кварц гор. Со преимуще­ ственно прозрачный, реже белый, иногда буроватый от выделения окислов железа. Степень измененности кварца раз­ личная: большинство зерен внутри совершенно чистые, мень­ шая часть (10— 15%) — в мелких точках вторичных минера­ лов. Кварцевые зерна большей частью среднеокатанные, сре­ ди мелких много угловатых. Совершенно окатанные зерна встречаются редко. Зерна кварца нередко покрыты пленкой железистых окнсных минералов. Толщина пленок колеблется от 0,002 до 0,4 мм. Она неодинакова на различных зернах и

ются в основном магнетитом, гематитом, гранатом, ставролитом, роговой обманкой, эпидотом и цирконом.

S4

85

впадинах толщина большая, чем на выступающих участках, где она иногда совсем отсутствует. Наибольшая толщина поверхностных железистых пленок наблюдается на кварце­

Песок иллювиальных горизонтов (особенно гор. Ві) име­ ет серовато-коричневый цвет. Большая часть поверхности зе­ рен покрыта рыхлыми коричневыми пленками, которые лег­ ко отделяются от зерен при механическом воздействии. В со­ став пленок входят гумус, гидроокислы железа, карбоната и глинистые частицы.

Минералогический состав поверхностных и погребенных гумусированных горизонтов кварцевый, но отличается от ни­ жележащих грунтов значительно большей степенью выветрелости, несколько иным составом поверхностных пленок и на­ личием растительного детрита. Кварц в основном прозрач­ ный или белый, иногда со слабым волнистым погасанием. Поверхность зерен кварца покрыта железистыми пленками. Однако в отличие от негумусированных песчаных горизонтов цвет пленок не бурый, а буровато-черный. Это отличие пле­ нок по морфологическому признаку обусловлено изменением состава пленок в сторону увеличения содержания органиче­ ского вещества.

Количество гумуса в верхних горизонтах колеблется в пре­ делах от 1,42 до 0,62%. Более высокое его содержание наб­ людается в погребенных почвенных горизонтах от 1,89 до 3,34%. Кроме гумусовых веществ в гор. А и погребенных го­ ризонтах присутствуют мелкие обломки неразложившейся древесины, корней и органические остатки с различной сте­ пенью разложения. Содержание гумуса в гор. Ві — 0,552%.

Химический состав песков I надпойменной террасы обус­ ловлен их минералогическим составом. Основным компонен­ том является двуокись кремнезема, содержание которой до­ вольно стабильное (94—95%). Содержание окиси алюминия изменяется в пределах от 0,17 до 0,53%. Более резкие коле­ бания наблюдаются в содержании окиси железа. В горизон­ те вмывания (В) и ожелезнеиных прослойках содержание Ре20 3 достигает 3,28%, в гумусированных горизонтах — 0,16% (табл. 26). В иллювиальном гор. В і—В2 местами присутст­ вуют карбонаты в количестве 0,88— 1,02%.

На описанном участке производились опытные работы по закреплению «сухих» песков. Проверка эффективности спосо­ ба газовой силикатизации применительно к водонасыщен­ ным пескам проводилась на нижней трети уступа I надпой­ менной террасы. Участок по составу и строению аллювиаль­ ных отложений в целом мало отличается от вышеописанного. Однако по характеру почвообразовательного процесса и гид-

86

рогеологнческим условиям он имеет существенные отличия. Грунтовые воды наблюдаются на данном участке склона с глубины 130 см, причем капиллярная кайма прослеживается уже с глубины 24 см.

Т а б л и ц а 26

Химический состав песчаных грунтов по данным сокращенного валового анализа

Разрезом на участке вскрыта лугово-подзолистая сильнооподзоленная почва на слоистом песчаном аллювии. Песча­ ные отложения ниже 97 см по классификации Е. М . Сергеева относятся к среднемелкозернистым. Суммарное содержание частиц размером 0,5—0,1 мм колебалось от 79 до 82%, при­ чем среди них преобладала фракция 0,25—0,10 мм (58— 62%), частиц <0,05 мм — 5—9%.

Высокий уровень грунтовых вод и капиллярное увлажне­ ние обусловили развитие восстановительных процессов и об­ разование оглеенных горизонтов. На глубине 23—57 см встре­ чен погребенный горизонт с высоким содержанием плохо разложившихся растительных остатков. По гранулометриче­ скому составу он представляет собой сильноопесчаненный су­ глинок с включениями обломков выветрелого гранита.

Закрепление грунтов производилось с помощью инъекторов двух видов. Перфорированная часть инъекторов'одного вида составляла 80 см, у инъекторов второго вида — 100 см.

имеет диаметр 42 мм, расстояние между пазами с отверстия­ ми 50 мм, диаметр отверстий 1 мм. Перед забивкой инъекто­ ров отверстия закрывались манжетами из эластичной рези­

87

ны, плотно прилегавшими и закрывавшими выходные отвер­ стия. При оценке работы инъекторов следует отметить пре­ имущество инъекторов первого вида. Большее расстояние между рядами отверстий обусловливает меньший спад давле­ ния в инъекторе, а больший диаметр выходных отверстий

обеспечивает меньшее их загрязнение. Мелкие вы­ ходные отверстия инъек­ торов второго вида легче забиваются песком.

Раствор жидкого стек­ ла подавался в грунт через инъекторы ручным насосом под давлением не более 4 атм. После закачки стекла к инъектору подключался баллон с углекислотой. Подача углекислого газа происходила через редуктор, расход его определялся взвешиванием баллона. После закрепления песка производи­ лось вскрытие шурфом закрепленного грунта, замеры за­ крепленного массива, отбирались пробы на прочность и хи­ мические анализы (рис. 16).

Таким образом, был произведен ряд инъекций с различ­ ным расходом жидкого стекла и углекислого газа. Закреп-

88

ленные массивы в своем большинстве имели форму эллипсои­ дов с радиусом закрепления, зависящим от объема заинъецированного силиката. Эллипсоиды закрепления после очистки их от примыкающего незакрепленного песка характеризова­ лись большой монолитностью. Отбор проб из закрепленных участков производился путем откалывания кусков ломом или кайлом.

Прочность на сжатие определялась на образцах-кубиках. В результате механических повреждений при отборе образ­ цов и не всегда идеальной их формы прочность на одноосное сжатие, характеризующая эффект закрепления, оказывалась заниженной. Определение прочности производилось на образ­ цах с естественной влажностью, отобранных непосредственно1 после закрепления. Влажность отдельных горизонтов колеба­ лась от 6,1 до 12,5%.

Отбор проб производился на различном удалении от инъектора с учетом наиболее характерных прослоек и горизон­ тов закрепленных отложений. При заметном изменении гра­

в каждом отдельном случае. В отобранных пробах определя­

вержденных силикатов натрия, деполимеризующаяся в при­ сутствии фтористого натрия, и нерастворимая, полимеризованная.

Водно-растворимая кремневая кислота определяется из водной вытяжки титрованием по методу В. Е. Соколовича. Определение деполимеризуемой кремневой кислоты прово­ дилось из суспензии закрепленного грунта. Растертый грунт в количестве 25 г заливался 80—90 мл дистиллированной во­ ды. Суспензия грунта титровалась соляной кислотой до пол­

ной нейтрализации ионов ОН - , СОГ~ и НСОГ, затем вво­ дилось 4 г фтористого натрия и оттитровывалась кремневая кислота.

Общее содержание кремневой кислоты определяется пу­ тем обработки пробы закрепленного грунта 10-процентным раствором едкого калия. Навеска закрепленного грунта, рас­ тертого без разрушения зерен песка, в количестве 10 г зали­ вается 50 мл 10-процентного раствора едкого калия. Суспен­ зия перемешивается круговым движением, помещается на песчаную баню и доводится до кипения. С момента закипа­ ния температура поддерживается около 80—90°С в течениечаса. Колбы с грунтом охлаждаются до комнатной темпера­ туры, после отстаивания отбираются пипеткой пробы на анализ. Определение кремневой кислоты производилось в

8 9

присутствии NaF. При определении аморфной кремнекислоты и незакрепленных грунтах по методу К. К. Гедройца [(нагре­ ванием 5 г песка в 100 мл 5-процентного раствора КОН при температуре около 95°С) в раствор переходит из аллювиаль­ ных песков I надпойменной террасы всего 0,03—0,08 г на 100 г песка кремневой кислоты. Таким образом, практически вся кремнекислота, определяемая в закрепленных грунтах, является привнесенной инъекцией силиката натрия. Это под­ твердилось повторными опытами.

С использованием вышеописанной методики закрепления песчаных пород и их опробования после закрепления было проведено в течение 1968— 1971 гг. в зоне аэрации и ниже уровня грунтовых вод шестнадцать индивидуальных инъек­ ций и опытное закрепление массива объемом около 10 м3. В табл. 27 приведены основные технологические характерис­ тики индивидуальных опытов, геометрия закрепленных мас­ сивов, прочность на одноосное сжатие закрепленного грунта и некоторые специфические особенности проведения отдель­ ных опытов.

Полевые опыты показали прежде всего возможность ис­ пользования разведенных растворов силиката натрия удель­ ным весом 1,19 для закрепления кварцевых с органическими примесями, кварцевых ожелезненных и слабокарбонатных песчаных пород. Вместе с тем опыты позволили установить зависимость прочности внутри закрепленного массива от сло­ жения, состава и влажности грунтов. По данным опытов 1—8, максимальные значения прочности в целом получены для гор. Вг и С в местах концентрации горизонтальных железис­ тых прослоек.

При этом сказывается не только плотность сложения, а также сильная ожелезненность песка и наличие железистых прослоек, способствующих локализации раствора стекла и оптимальным условиям его отверждения газом, так как они препятствуют спаду давления в грунте. Наблюдения пока­ зали, что фильтрация силиката натрия через ожелезненный песок сопровождается растворением гидроокиси алюминия и железистых соединений, а при отверждении стекла проис­ ходит образование железисто-силикатных комплексов, проч­ но адсорбирующихся на поверхности железистых пленок и кварцевых зернах песков.

Наименьшая прочность закрепления наблюдалась на глу­ бине ниже 1,12 м от поверхности земли в горизонте средне­ зернистого, сравнительно рыхлого слоя песка с коэффициен­ том фильтрации в нарушенном состоянии 27 и 19 м/сут в ес­ тественном сложении. Высокий коэффициент фильтрации пес­ ка, рыхлость сложения определяют рассредоточение силика­ та натрия, увеличение объема закрепленного грунта на одно­ временное снижение прочности до 4—5 кг/см2 при инъекции

90