Экологический портал

Это интересно!
Почему важно вступить в группу!
Наш опрос
Как вы связаны экологией ?
Работаю экологом.
Учусь в институте на эколога.
Изучаю экологию в школе.
Участвую в олимпиаде по экологии.
Просто увлекаюсь экологией.
Никак не связан с экологией.

Популярное
» return_links(); ?>
Сейчас на сайте:
Пользователей: 0
Отсутствуют.
Роботов: 0
Отсутствуют.
Гостей: 0
Всех: 0
Именниников сегодня нет

Класс скальных и полускальных техногенных (искусственных) грунтов

 Экологические статьи » Экология человека  19-08-2013, 06:07  dudarev93

Скальные и полускальные фунты, выделяющиеся в классе техногенных скальных фунтов, имеют жесткие структурные связи кристаллизационного или цементационного типов. При прочности на одноосное сжатие менее 5 МПа в водонасыщенном состоянии фунт называется полускальным.

Обычно они представляют собой природные (скальные либо дисперсные) образования, измененные в условиях естественного залегания каким-либо физическим или физико-химическим воздействием. При этом образуются раз­ные по свойствам скальные и полускальные техногенные грунты в зависимо­сти от того, было ли их изменение целенаправленным или побочным следст­вием производственной деятельности человека. В первом случае скальные и полускальные техногенные грунты образуются методами технической мелио­рации для обеспечения устойчивости сооружений, обеспечения проходки и эксплуатации горных выработок, а также локализации промышленных отхо­дов и производственных вод. Во втором случае они возникают как побочные продукты инженерно-строительной, горно-технической деятельности чело­века или промышленного производства в результате последующих, как пра­вило, неконтролируемых изменений напряженного состояния, водного и теп­лового режимов, а также физико-химических характеристик природных скаль­ных и полускальных грунтов. Эти изменения чаще выражаются в трещинообразовании, разуплотнении, выветривании и растворении различных по со­ставу и генезису грунтов с жесткими структурными связями.

СКАЛЬНЫЕ И ПОЛУСКАЛЬНЫЕ ИНЪЕКЦИОННО ЗАКРЕПЛЕННЫЕ ГРУНТЫ

В условиях естественного залегания скальные и полускальные природные грунты всегда разбиты трещинами, а растворимые разности кроме того и закарстованы. Трещиноватость и карстовая пустотность снижают прочность грунтов, увеличивают их деформируемость и водопроницаемость. Для повыше­ния несущей способности и снижения водопроницаемости природных скальных и полускальных грунтов применяют их инъекционное закрепление веществами, за­полняющими пустоты и трещины в породах. Чаще всего используется тампо­нирование грунтов цементными и цементно-грунтовыми растворами, глини­стыми суспензиями, заполнение трещин горячим битумом или жидким стек­лом (силикатизация).

Чаще всего в строительной практике применяется способ цементации грун­тов, отличающийся технической простотой, удобством применения и высо­кой надежностью достигаемых результатов. В современном гидротехническом строительстве нет почти ни одного крупного объекта, который возводился бы на трещиноватых скальных грунтах без применения цементации. Сущность метода состоит в том, что через пробуренные скважины под давлением от 3 до 70 атм нагнетается цементный раствор, заполняющий трещины и пустоты в массиве грунта. При этом он уплотняется за счет отжатия воды, твердеет при «схватывании» цемента, в результате чего достигается более чем 100- кратное снижение водопроницаемости (до 0,02—0,03 л/мин) и повышение несущей способности.

Возможность применения цементации определяется размерами трещин и других пустот в грунте, скоростями фильтрационного потока подземных вод и их химическим составом. Так, цементация грунтов происходит при ширине трещин более 0,1 мм, а при меньшем их раскрытии частицы суспензии не проходят в них и способ становится неэффективным. С другой стороны, при слишком широких трещинах и высокой скорости фильтрации по ним под­земных вод цементная суспензия выносится потоком за пределы закрепляе­мой зоны. Расчеты и практика цементации грунтов показывают, что допусти­мая скорость движения подземных вод не должна превышать 200 м/сут. При больших скоростях опасность выноса суспензии в отдельных случаях может быть уменьшена применением быстросхватывающихся цементов и ускорите­лей твердения цементного камня. Химический состав подземных вод в зави­симости от их минерализации, градиента напора и температуры может при­вести к последующему быстрому разрушению образовавшегося цементного камня. Особенно опасны сульфатные воды, обладающие сульфатной агрес­сивностью по отношению к цементу, связанной с образованием в порах це­ментного камня кристаллогидрата — малорастворимого трехсульфатного гидросульфоалюмината кальция (эттрингита), что сопровождается увеличением объема примерно в два раза, развитием в порах кристаллизационного давле­ния и растрескиванием цементного камня.

В случае агрессивных подземных вод, возможности больших потерь цемен­та в крупных пустотах или при наличии глинистых отложений в трещинах лучшие результаты в плане снижения водопроницаемости грунтов может дать их глинизация. Она дешевле цементации и особенно эффективна при тампони­ровании безводных трещиноватых и кавернозных пород с удельным водопоглощением от 0,1 до 100 л/мин. Способ заключается в нагнетании через систе­му скважин глинистых суспензий с плотностью 1,1 — 1,15 г/см3 под давлением 15—20 атм (для отжатия избытка воды из суспензии). Однако глинизация не улучшает физико-механические свойства трещиноватых грунтов, а кроме того сохраняется возможность последующего суффозионного выноса глинистого материала из глинизированного грунта.

Ряд преимуществ и недостатков имеет способ битумизации — нагнетания в грунт через скважины горячего битума. Битум устойчив к действию агрес­сивных подземных вод, не выносится из трещин при значительных скоростях фильтрационного потока, что делает битумизацию особенно эффективной при обработке закарстованных пород. Однако этот способ неприменим в по­родах, нарушенных тонкими трещинами, с коэффициентами фильтрации менее 60 м/сут. Кроме того, битум пластичен и при длительных нагрузках может выдавливаться из трещин.

Для закрепления грунтов с низкой водопроницаемостью (аргиллиты, мер­гели и др.) применяют силикатизацию — нагнетание в трещины гелеобразующих растворов (жидкого стекла — Na2О «SiО2 wH2О) с отвердителями. Тампонажные растворы такого рода обладают высокой проникающей способно­стью, а затвердевшие гели устойчивы к агрессивным подземным водам. Однако применение метода может ограничиваться относительно высокой стоимостью самого жидкого стекла, а также агрессивностью некоторых его рецептур к металлам.

Геологические и гидрогеологические условия строительства гидротехни­ческих сооружений при возведении подземных сооружений в тоннелестрое­нии и горном деле могут потребовать комбинированного применения опи­санных методов для получения техногенных скальных грунтов с требуемыми свойствами: 1) горячей битумизации крупных трещин с последующей це­ментацией более мелких, в особенности при значительных скоростях фильт­рации; 2) силикатизации тонких трещин с последующей цементацией ос­тальных пустот; 3) холодной битумизации тонких трещин и цементации ос­тальных трещин.

В ряде случаев техногенные скальные и полускальные грунты образуют и из дисперсных грунтов при работах по повышению несущей способности оснований. При введении в дисперсные грунты различных вяжущих веществ (горячего битума или холодной битумной эмульсии, цементных растворов, жидкого стекла, карбамидных смол, извести) в результате физико-химических про­цессов в системе «грунт—вяжущее» формируются жесткие структурные свя­зи, повышается прочность, водо- и морозостойкость грунтов. Получаемые в результате техногенно упрочненные грунты по своим свойствам могут быть близки к осадочным сцементированным породам. В частности, прочность на одноосное сжатие песков после силикатизации может достигать 2—4 МПа.

В основном для повышения прочности дисперсных грунтов используются методы искусственного формирования цемента разного состава между части­цами. Так, при силикатизации дисперсных грунтов введением в них раствора жидкого стекла Na2ОnSiО2/wH2О образуется кремнистый цемент. При извест­ковании — введении в дисперсные грунты гашеной извести Са (ОН)2 ее взаи­модействие с углекислотой приводит к образованию цементирующего части­цы карбоната кальция. При взаимодействии извести с кремнекислыми соеди­нениями грунтов образуются устойчивые кальциевые силикаты, прочность которых нарастает со временем. Аналогичного эффекта можно достичь внесе­нием в дисперсные грунты цементов разного состава. Из органических вяжу­щих для улучшения свойств дисперсных грунтов чаще всего используются расплавленный битум или холодная битумная эмульсия. При застывании би­тума или выпадении его из эмульсии на поверхности частиц образуются ад­сорбированные пленки, связывающие частицы между собой. Они увеличива­ют прочность грунта и придают ему гидрофобные свойства.

Выбор метода закрепления дисперсного фунта зависит от его минераль­ного и гранулометрического состава. Крупнообломочные грунты, химически инертные и крупнопористые, хорошо закрепляются цементными растворами. Для упрочнения песчаных грунтов помимо цементации применяется силика­тизация, известкование, обработка карбамидными смолами. Сложнее ввести вяжущие в связные грунты, обладающие очень мелкими порами. Для их зак­репления используют жидкое стекло, фенолформальдегидные и фурановые смолы, акрилаты и другие полимеры.

В случаях, когда введение химических реагентов в грунт технически невоз­можно или нерационально, скальные и полускальные техногенные грунты могут быть получены с помощью методов, основанных на приложении к грунту физических полей — температурного и электрического.

СКАЛЬНЫЕ И ПОЛУСКАЛЬНЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЕННЫЕ ГРУНТЫ

Термическое упрочнение грунтов обусловлено физическими, физико-химическими и химическими процессами: 1) дегидратацией и агрегацией час­тиц, 2) размягчением и спеканием частиц (прежде всего высокодисперсных), 3) диссоциацией карбонатов и частичным разрушением алюмосиликатов с образованием аморфного кремнезема и глинозема, а затем — кальциевых си­ликатов и алюминатов, придающих техногенному грунту дополнительные гидравлические вяжущие свойства, 4) плавлением и кристаллизацией новых минералов. В зависимости от температуры и времени обжига в грунте преобла­дают те или другие процессы.

Техногенные грунты с жесткими структурными связями в ходе термиче­ского упрочнения возникают при спекании и плавлении исходного грунта. К минералам, которые при обжиге плавятся раньше остальных, вызывая спека­ние, относятся полевые шпаты, слюды, карбонаты щелочных земель, гипс, сернистые соединения железа и растворимые в воде соли. Различают три ста­дии спекания: 1) начало спекания, когда расплавлено достаточное для обра­зования сплошной массы количество материала, 2) полное спекание, при котором поры в породе заполняются расплавившимся материалом, 3) плав­ление породы, выражающееся в ее размягчении и течении. Температура нача­ла спекания у некоторых глинистых грунтов около 450°С, а у большинства 750—800°С. Разница между температурой спекания и плавления (период спе­кания) может достигать 300°С и более.

Изменение свойств дисперсных грунтов при термообработке обусловли­вается тремя основными группами реакций. Во-первых, реакцией между гли­ноземом и кремнеземом с образованием силлиманита (Al2О3-SiО2) при тем­пературе выше 1000°С и муллита (Al2О.-2SiО2) при более высоких температу­рах. Муллит огнеупорен, химически стоек и, обладая большой механической прочностью, повышает физико-механические характеристики грунта. Во-вто­рых, реакцией между кремнекислотой и щелочами и щелочными землями, которые при высоких температурах способствуют остеклованию и образованию силикатов кальция. В-третьих, реакцией между кремнекислотой и окисью же­леза, способствующей образованию ферросиликатов (FeOSiOj).

Термообработка грунтов используется, в частности, для закрепления плы­вунов при их проходке выработками и ликвидации просадочных свойств лёс­совых грунтов. Электроплавление плывунов производится с помощью электродов-нагревателей, которые устанавливаются в толще плывунных грунтов по контуру проек­тируемой выработки (рис. 20.1) и при пропус­кании электрического тока нагреваются до тем­ператур порядка 2500°С. Прилегающий грунт постепенно спекается при температурах 1500— 1600°С и в результате плавится, образуя проч­ную, но тонкую (порядка 20—50 см) стенку. Прочность застывшего расплава может дости­гать 26—43 МПа. Недостатком этого способа яв­ляется большая энергоемкость и выделение при электроплавлении грунтов вредных газов (во­дорода, углекислого газа, метана), что требует проветривания горных выработок. По способу Н.А.Осташева в лёссовый грунт через скважины нагнетается воздух, нагретый до 600—1400°С (рис. 20.2, а). Прогрев упрочняемой толщи осуществляется за счет циркуляции горячего воздуха по порам грунта под избыточным давлением 1—2 атм. Радиус зоны упрочненного грунта вокруг каждой скважины 1 — 1,5 м. Лёссовый грунт в значительной степени теряет свои просадочные свойства уже при температурах 300—400°, а при 700—900°С по физико-механическим свойствам приближается к кирпичу.


 

Класс скальных и полускальных техногенных (искусственных) грунтов

 

 

Класс скальных и полускальных техногенных (искусственных) грунтов

 


Способ И.М.Литвинова основан на обработке грунтов газообразными про­дуктами горения, обогащенными при необходимости химическими добавка­ми (термохимический метод). Сжигание горючего в смеси со сжатым возду­хом проводится непосредственно в скважинах (или в их устьях), пройденных в толще закрепляемых грунтов (рис.20.2, б). В качестве топлива применяются газы, жидкое топливо (солярное масло, нефть) или твердый кокс в пылевид­ном состоянии. По этому методу в одной скважине диаметром 10—20 см за 5— 10 дней можно выполнить термическое упрочнение грунта в пределах зоны глубиной 10—15 м и диаметром 2—3 м. Лёссовый грунт, обработанный по методу Литвинова, утрачивает просадочные свойства, не размокает и в 2—3 раза повышает свои основные физико-механические характеристики. Распо­лагая скважины соответствующим образом, можно получать монолитные сте­ны или массивы другой конфигурации из термически упрочненного грунта. Очевидно, что по условиям проведения работ термическое упрочнение наи­более эффективно для грунтов с низкой естественной влажностью и высокой газопроницаемостью. Помимо лёссовых к этой категории относятся древние выветрелые или сильнотрещиноватые глинистые грунты.

Техногенные грунты с жесткими структурными связями могут быть также получены методами электрохимического закрепления глинистых водонасыщен­ных грунтов. Электролитическая обработка глинистых пород с коэффициен­том фильтрации 0,005—0,01 м/сут основана на совместном действии элект­роосмотического и электрохимического процессов, протекающих в грунтах под действием постоянного тока, усиленных введением в них растворов электроли­тов (NaCl, СаС12, MgCl2, А1С13, FeCl3) через анод. Образующиеся при электро­химических реакциях слаборастворимые соединения (например, гидроокиси железа и кальция) выпадают в осадок как в анодной, так и в катодной зонах, цементируя частицы грунта. Кроме того, за счет СО2 воздуха из Са (ОН)2 может образовываться СаСО3, что также способствует закреплению грунта. В резуль­тате электролитической обработки уменьшается набухаемость, пучинистость и усадочность грунтов, увеличиваются их прочностные характеристики. Мак­симальные прочности полученных техногенных грунтов на одноосное сжатие достигают 0,6—0,8 МПа.

Для закрепления дисперсных грунтов с /^=0,01—0,1 м/сут может приме­няться метод электросиликатизации, заключающийся в нагнетании через инъекторы-электроды раствора силиката натрия (жидкого стекла) с отвердителем или без него при одновременном наложении постоянного тока. Такое сочетание увеличивает диапазон применимости этого способа в области ма­лой проницаемости грунтов, ускоряет проникновение растворов в глубь по­роды, интенсифицирует образование геля кремнекислоты, гидроокиси каль­ция и др., вызывает агрегацию частиц, обезвоживает грунт и тем самым зак­репляет его. Эффект закрепления зависит от минерального состава грунтов и их дисперсности, а также от минерализации поровых вод. При наилучших результатах электросиликатизация приводит к достижению прочности грунта 0,5—0,8 МПа в зоне радиусом 50—70 см.

СКАЛЬНЫЕ И ПОЛУСКАЛЬНЫЕ ТЕХНОГЕННО УХУДШЕННЫЕ ГРУНТЫ

Скальные и полускальные техногенные грунты, образующиеся как по­бочные продукты хозяйственной деятельности, представлены грунтами с жесткими структурными связями, свойства которых претерпели изменения (обычно в сторону их ухудшения) в результате этой деятельности.

Прежде всего это грунты в массивах, непосредственно прилегающих к горным выработкам (карьерам, шахтам, штольням, котлованам, тоннелям). Возникновение техногенных скальных и полускальных грунтов в этих зонах определяется изменением их напряженного состояния при выемке породы, взрывных работах и водопонижении, а также интенсификацией выветрива­ния. Перечисленные процессы приводят к усилению трещиноватости и сни­жению прочностных и деформационных характеристик, понижению морозо­стойкости. Возможен суффозионный вынос рыхлого заполнителя из полостей и трещин, а также активизация карстообразования, что выражается в увели­чении водопроницаемости грунтов.

Термически измененные скальные и полускальные грунты образуются по периметру полостей при подземной газификации углей или серы. В них при этом идут те же процессы, что и при целенаправленной термообработке грунтов. Кроме того, вблизи сооружений, оказывающих отепляющее воздействие на окружающие многолетнемерзлые породы, могут формироваться техногенно оттаявшие грунты с жесткими структурными связями. В наибольшей степени их свойства при этом изменяются при наличии в трещинах значительного количества рыхлого заполнителя в исходно мерзлом состоянии.

ПОЛУСКАЛЬНЫЕ АНТРОПОГЕННО ОБРАЗОВАННЫЕ ГРУНТЫ

В общей классификации грунтов (ГОСТ 25100-95) подгруппа антропоген­ных образований в классе скальных техногенных грунтов отсутствует. Между тем антропогенные грунты с жесткими структурными связями образуются, например, в отвалах калийных месторождений. На территории бывшего СССР действовало восемь калийных комплексов. Крупнейшими в мире месторожде­ниями являются Верхнекамское (Урал) и Старобинское (Белоруссия), где добывается сильвинитовая руда, содержащая около 20% хлористого калия, — основной источник калийных удобрений для сельского хозяйства. После фло­тационной обработки этой руды образуются изначально несвязные твердые отходы (более 90% в них составляет хлористый натрий), по дисперсности отвечающие песку (более 50% составляют фракции 0,25—1 мм), и жидкие глинистые шламы. Твердые солеотходы размещаются на земной поверхности механически или при помощи гидромониторов в виде отвалов, а жидкие — в шламохранилищах. Объемы солеотвалов крупных месторождений составляют многие десятки и даже сотни миллионов тонн. С течением времени в грунтах отвалов за счет выпадающих в осадок солей при их дегидратации и под дейст­вием уплотняющего давления формируются кристаллизационные связи, пре­вращающие их в полускальный техногенный грунт. Так, по данным Н.М.Го­ловина (1980), величина сцепления таких грунтов в старых солеотвалах может достигать 1 МПа.

Формирование антропогенных образований с жесткими структурными связями (золоцементогрунты, образующиеся при закреплении золошлаковых грунтов) получается из отходов топливной промышленности и металлургии с помощью различных вяжущих, обычно цементов или извести.

загрузка...
24 сентября 2013 13:03
Комментарий: #1

madwyn_mFtfps

  • Группа: Посетители
  • Регистрация: 20.09.2013
  • ICQ: --
25 ноября 2013 06:00
Комментарий: #2

seoutilities

  • Группа: Посетители
  • Регистрация: 21.11.2013
  • ICQ: --

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.