Методи штучного покращання властивостей гірських порід.
Методи покращання властивостей порід зазвичай спрямовані на відновлення їхньої монолітності й щільності, підвищення міцності і стійкості, зниження деформаційностіі водопроникності. Вони полягають головним чином у цементації, глинизації та бітумізації, а для тимчасового покращання і заморожуванні.
Цементація. Цей метод полягає в тому, що в породи через спеціально пробурені свердловини після старанного їх промивання водою нагнітають цементний розчин. Він проникає у тріщини й пустоти, тужавіє з породою, твердіє і додає їй монолітності, щільності, стійкості і міцності та значно знижує деформаційність і водопроникність. Цементацію найчастіше застосовують у наступних випадках.
1. Для покращання природних основ будівель і споруд. У цьому випадку перед зведенням фундаментів виконують площинну цементацію порід у дні котловану на глибину поширення додаткових напружень від ваги споруди.
2. Для підвищення стійкості гірських порід у підземних виробках і захисту їх від водопритоків. У цьому випадку також виконують площинну цементацію порід за облицювання підземної виробки, добиваючись щільного її прилягання до навколишніх порід, підвищення їхньої монолітності і стійкості і гідроізоляції підземних виробок від навколишнього середовища.
3. Для підвищення стійкості гірських порід в укосах виїмок, кар’єрів і стінках котлованів. У цьому випадку виконують місцеву або площинну цементацію. Порід для надання їм монолітності й стійкості.
4. При влаштуванні протифільтраційних завіс. У цьому випадку породи цементують на глибину вздовж певної зони, перегороджуючи шлях руху підземних вод. Так, наприклад, влаштовують протифільтраційні завіси під греблями і в їхніх примиканнях для попередження значних втрат води на фільтрацію і зменшення зважуючої дії води в основах споруд. Завіси влаштовують також вздовж певних ліній для попередження втрат води з водосховищ або для захисту котлованів, кар’єрів та інших глибоких виробок від притоку води.
Межа застосування цементації до певної міри визначається шириною тріщин. Встановлено, що тріщини, тонші від 0,15 мм, не можуть бути зацементовані, оскільки зерна цементу не можуть туди проникнути. З цих же причин цементація не застосовується для ущільнення пісків. Затвердіння цементного розчину повинно відбуватися одразу ж після заповнення ним тріщин і пустот у породі. Тому для цементації великотріщинуватих і кавернозних порід застосовуються розчини, які швидко тужавіють (з активними добавками), а для тонкотріщинуватих порід – такі, що тужавіють повільно.
Глинизація. Для зменшення водопроникності сильно тріщинуватих порід або з пустотами великих розмірів, де водопоглинання дуже велике (до 100 л/хв), застосування цементації може виявитися недоцільним. У цьому випадку вона може бути замінена глинизацією.
Метод глинизації полягає в тому, що в породу через спеціально пробурені свердловини нагнітають глинистий розчин зі щільністю 1,20-1,40 г/см3 під тиском 2,0-3,0 МПа. Під таким тиском вода з глинистого розчину відтискається і відбувається спресування глинистого матеріалу в тріщинах і пустотах. Наступне його набрякання ще більше покращує тампонування тріщин і пустот і знижує водопроникність порід.
Бітумізація гаряча. Для зменшення водопроникності сильно тріщинуватих порід, а також порід із пустотами великих розмірів, водоносних, де підземні води рухаються з великою швидкістю, застосування цементації і глинизації недоцільне й невигідне. В цьому випадку гарні результати дає метод гарячої бітумізації. Суть його полягає в тому, що через спеціально пробурені свердловини в породу нагнітають бітум із температурою 150-180оС. Заповнюючи тріщини й пустоти в породі, він витісняє воду, застигає, і порода стає водонепроникною. Ефект значний і тривалий, бітум не розмивається, він є стійким у будь-якій агресивній воді навіть при великих швидкостях її руху.
Штучне заморожування. Метод застосовується як для скельних і напівскельних, так і особливо для закріплення нестійких водоносних сипких незв’язних і м’яких зв’язних порід. Суть методу наступна. По контуру котловану, гірничої виробки або тунелю бурять ряд свердловин на відстані 0,8-1,5 м одна від одної, до необхідної глибини (на 3-5 м глибше від проектної глибини заморожування). Заморожування порід виконують охолодженням до температури –20оС і нижче розсолом (CaCl2, NaCl, MgCl2 та ін.). Розсіл циркулює у заморожуючих колонках, що встановлені в свердловинах. Розсол охолоджується у спеціальних холодильних установках. Штучним заморожуванням створюється міцний і водонепроникний замкнений контур на час виконання будівельних або гірничих робіт. Після завершення робіт заморожування припиняють і породи відтають природним шляхом.
Наступна група методів поширюється на сипкі незв’язні породи.
Осушення. Цей спосіб застосовують для: 1) підвищення стійкості порід, запобігання спливанню, розрідженню, сповзання, розвитку суфозійних процесів; 2) попередження зволоження, обводнення або засолення порід; 3) захисту котлованів, виїмок, кар’єрів, шахт і підземних споруд від затоплення підземними водами; 4) захисту підземних частин споруд від агресивної дії підземних вод. Розв’язання цих завдань вирішується за допомогою будівництва різних дренажів. Дренажі знижують рівні підземних вод на певну глибину або перехоплюють потік підземних вод на шляху фільтрації. Дренаж може бути постійним або тимчасовим, на час виконання будівельних робіт.
Дренажі розрізняють за конструкцією – відкриті, закриті, трубчасті, галерейні та ін.; за розташуванням у породі – горизонтальні, вертикальні, комбіновані, спеціальні; за розташуванням у плані – головні, кільцеві, берегові, площинні (систематичні); за гідравлічними особливостями – досконалі (повністю пронизують водоносний шар) і недосконалі (пронизують частково).
Механічне ущільнення. Шляхом дії на породу укочуванням, трамбуванням або вібрацією досягають щільнішої упаковки часток у породі, зменшення пористості і підвищення щільності скелету. Це підвищує її опір зсуву і стисканню, тобто стійкість і несучі здатності. Застосовується для підготовки основ для промислових і цивільних споруд, шляхових і аеродромних покриттів, будівництві насипів, гребель, дамб, при підготовці територій для забудови на намитих або насипаних породах.
Тампонування і кольматація глинизацією. Ці методи застосовують для зменшення водопроникності пісків та інших сипких уламкових порід. Тампонування глинизацією застосовують головним чином для ущільнення грубоуламкових щебенистих, галечникових і валунних порід із тією ж метою, що й при глинизації скельних і напівскельних порід. Кольматування, тобто вмивання тонко дисперсних глинистих часток у пори порід або покриття їх із поверхні тонким глинистим шаром, застосовують для зменшення водопроникності пісків.
Покращання гранулометричними добавками. Цей метод застосовують для надання піщаним і глинистим породам більшої щільності, стійкості і міцності при будівництві земляних споруд і особливо шляхових і аеродромних покриттів. Суть методу полягає у підборі і приготуванні оптимального гранулометричного складу породи. Склад породи змінюється штучним чином шляхом введення як великих скелетних добавок (гравію, грубо- і великозернистого піску), так і добавок тонких, заповнюючих (пилуватих і глинистих). Як показує практика, породи оптимального гранулометричного складу, ущільнені до максимальної щільності при оптимальній вологості, є найміцнішими і стійкими як у сухому, так і водонасиченому стані.
Бітумізація холодна. Застосовується для зменшення водопроникності пісків шляхом нагнітання в них бітумних емульсій через спеціальні ін’єктори, заглиблені в породу. Бітумні емульсії складаються із розчину тонко дисперсних однорідних бітумних часток розміром, у 25-40 разів меншим від середнього розміру часток породи. Емульсії, коагулюючи в товщі піску з відділенням води, заповнюють пори породи, зв’язують її і знижують водопроникність. Спосіб застосовується головним чином для влаштування протифільтраційних завіс і огороджень. Холодна бітумізація може застосовуватися спільно з гарячою бітумізацією для заповнення тонких тріщин у скельних і напівскельних породах і надання їм повної водонепроникності.
Силікатизація дворозчинна. Цей метод застосовують для закріплення пісків і надання їм механічної міцності, стійкості і водонепроникності шляхом цементації твердіючими гідроокисами кремнекислоти. Через свердловини-ін’єктори в породу почергово нагнітають рідке скло (силікат натрію ) і хлористий кальцій. Рідке скло витісняє з пор воду. Наступним нагнітанням розчину хлористого кальцію витісняють із них рідке скло. Плівки рідкого скла, що залишаються на поверхні зерен породи, вступають у реакцію з :
.
Гель
В результаті цієї реакції утворюється гідрогель кремнекислоти, який поступово твердіє і цементує пісок.
Закріплення синтетичними смолами. Це різні полімерні сполуки – карбомідні, фурфурол-анілінові, епоксидні тощо. Їхня дія проявляється в цементації породи і в наданні їй міцності, стійкості і водонепроникності. Після нагнітання в породі утворюється гель, що перетворює пісок на міцний водостійкий і водонепроникний моноліт.
Електроосмотичне осушення. Застосовується для осушення м’яких водо насичених глинистих порід – глин, суглинків, супісків, дрібно- і тонкозернистих пісків, тобто порід водонепроникних або слабководопроникних, які практично не наділені водовіддачею. Суть методу полягає в наступному. Якщо два електроди занурити в глинисту породу і пропускати через неї постійний електричний струм, то почнеться рух води до катода, оскільки молекули води здебільшого мають позитивний заряд. Це явище отримало назву електроосмосу завдяки тому, що односторонній рух води через пористе середовище відбувається під впливом різниці потенціалів електричного струму.
При електроосмосі із породи виділяється не лише вільна іммобілізована і капілярна вода, але частково і фізично зв’язана. У зв’язку з цим збільшується ефективна пористість породи і як наслідок цього підвищується водопроникність (у суглинках в 10-12 разів, а в глинах до 100 разів). Спостереження показують, що при електроосмосі розвиваються явища електрофорезу, тобто рух від’ємно заряджених глинистих і колоїдних часток до анода, та інші фізико-хімічні процеси. Так, наприклад, при переміщенні води від анода до катода переносяться й розчинені в ній різні іони. В результаті цього в катодній зоні спостерігається виділення й накопичення важкорозчинних солей, які ущільнюють і цементують породу. Таке закріплення породи поступово поширюється від катода до анода. Досліди показуть, що всі ці процеси незворотні, порода зберігає надані їй властивості і після припинення дії постійного електричного струму.
Електрохімічне закріплення. Воно також ґрунтується на використанні явища електроосмосу. Через спеціальні свердловини-ін’єктори в анодній зоні вводяться розчини різних солей, рідкого скла або полімерних сполук. Подається струм. Розчини поширюються внаслідок різниці потенціалів електричного струму від анода (+) до катода (–). При взаємодії їх із породою, а також завдяки розвитку обмінних і електролітичних процесів і осушення, відбувається ущільнення і цементація порід, підвищуються їхня міцність, водостійкість і стійкість.
Термічне закріплення. Цей метод застосовується для закріплення лесових порід і усунення в них просадних властивостей. Основою його є термічна обробка – обпалювання порід. Перший спосіб: у пробурену свердловину нагнітають повітря, розжарене до 600-800оС у спеціальних агрегатах. Другий спосіб: здійснюють спалювання горючої суміші (газу, солярки, нафти тощо) безпосередньо у свердловині. Цей спосіб вважається більш простим і економічно вигідним.
Практика показує, що зона обпаленої породи поширюється в радіусі 1,0-1,2 м від свердловини. «Стовпи» обпаленої породи можуть зливатися між собою або існувати окремо.
Запитання для самоконтролю.
1. На покращання яких властивостей спрямовані вказані методи?
2. В чому полягає метод бітумізації порід?
3. Поясніть механізм дії методу глинизації на породи.
4. Для чого може використовуватися штучне заморожування порід?
5. Як здійснюється електроосмотичне осушення порід?
6. Якими способами виконується термічне закріплення порід?
Список рекомендованої спеціальної літератури
Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. – Л.: Недра, 1984. – 511 с.
Сергеев Е.М. Инженерная геология. – М.: Изд-во МГУ, 1978.– 384 с.
Грунтоведение. Под ред..акад. Е.М.Сергеева. – М.: Изд-во МГУ, 1983. – 392 с.
