Класс скальных и полускальных искусственных грунтов. Цементация скальных трещиноватых грунтов

Класс скальных и полускальных искусственных грунтов

2.1 Скальные и полускальные техногенные грунты

Эти грунты имеют жесткие структурные связи. Природа связей – кристаллизационная и цементационная. Если прочность грунта на одноосное сжатие меньше 5 МПа в водонасыщенном состоянии, то грунт называется полускальным.

р 1

Скальные и полускальные техногенные грунты обычно представляют собой природное образование, измененное в условиях естественного залегания каким-либо физическим или физико-химическим воздействием. Исходный грунт при этом может быть и скальным (гранит, известняк), и дисперсным (песок, глина).

Методы воздействия на природные грунты могут приводить к их уплотнению и упрочнению. Для практической реализации (уплотнение и упрочнение) используется метод нагнетания цементообразующих веществ, обычно через скважины. Для этого используются специальные флюиды, объединенные общим термином инъекционные растворы.

2.2 Инъекционные растворы представляют собой специально подобранные жидкообразные материалы, различные по химической природе и агрегатному состоянию, способные под давлением проникать в поровое или трещинное пространство горных пород с последующим выделением твердообразных продуктов, выполняющих роль искусственного цемента.

После нагнетания инъекционного раствора в горную породу, может снижаться ее водопроницаемость или увеличиваться прочность. Растворы, снижающие водопроницаемость, называются тампонажными. Кроме тампонажных растворов имеются упрочняющие растворы. Упрочнение – повышение несущей способности породы в результате ее обработки инъекционным раствором.

В качестве инъекционных растворов используются портландцемент, жидкая известь, жидкое стекло, битум, синтетические и природные смолы, растворы электролитов (кислоты, щелочи, соли).

Инъекционные растворы различаются также по агрегатному состоянию. В связи с этим выделяют пасты различной густоты, суспензии и эмульсии различной дисперсности и концентрации, коллоидные растворы, истинные растворы.

Выбор инъекционных растворов применительно к конкретным задачам и инженерно-геологическим условиям обычно базируется на оценке их реологических и технологических свойств.

Задачи, решаемые при тампонажным закреплении скальных трещиноватых грунтов:

1) снижение фильтрационных расходов;

2) снижение противодавления и взвешивающего давления при возведении плотин;

3) предохранение пород от суффозии, карста и размыва;

4) повышение прочностных и деформационных свойств грунтов.

С реологической точки зрения различают три типа растворов: суспензии (бенгамовские жидкости), коллоидные растворы (эволюционирующие во времени ньютоновские жидкости) и истинные растворы (не эволюционирующие во времени ньютоновские жидкости). Примером бенгамовской жидкости можно считать цементный раствор с добавкой жирных глин. Графически реологические свойства можно изобразить следующими рисунками.

р2

2.3 Цементация скальных трещиноватых грунтов

Цементация впервые стала применяться при проходке шахт способом простой заливки цемента в трещины породы. С 1878 г. начинает применяться нагнетание раствора под давлением. Главное преимущество способа цементации заключается в его технической простоте, удобстве применения и высокой надежности достигаемых результатов. Сущность способа состоит в том, что через пробуренные скважины под давлением от 0.3 до 7 МПа нагнетается цементный раствор, заполняющий трещины и пустоты в породе, уплотняется за счет отжатия воды, твердеет за счет гидротации цемента, в результате чего снижается водопроницаемость породы и повышается ее прочность. Возможность применения цементации определяется размерами трещин и других пустот в грунте, скоростями фильтрационного потока подземных вод и их химическим составом.

Цементация грунтов происходит при ширине трещин более 0.1 мм, в которых возможно турбулентное движение жидкости. С другой стороны, при слишком широких трещинах и высокой скорости фильтрации по ним подземных вод, цементационная суспензия выносится потоком за пределы закрепляемой зоны. Расчеты и практика цементации грунтов показывают, что допустимая скорость движения подземных вод U_д  не должна превышать 200 м\сут.

Химический состав подземных вод может формировать их агрессивное поведение по отношению к цементу. Особенно опасны сульфатные воды, обладающие сульфатной агрессивностью, которые приводят к растрескиванию цементного камня в результате образования в порах цемента малорастворимого трехсульфатного гидросульфаталюмината кальция, что сопровождается увеличением объема примерно в 2 раза.

Для снижении стоимости цементационных работ за счет экономии цемента в растворы вводят различные добавки (естественный и молотый песок, молотый шлак, зола-унос).

С целью предотвращения расслоения цементных растворов в них вводят суглинки и глины.

2.4 Глинизация

В случае агрессивных подземных вод, а также при опасности больших потерь цемента в крупных пустотах или при наличии глинистых отложений в трещинах лучшие результаты в плане снижения водопроницаемости грунтов достигаются при применении глинизации. Глинизация дешевле цементации и она особенно эффективна при тампонировании безводных трещиноватых и кавернозных с удельным водопоглощением от 0.1 до 100 л\мин.