CC BY
45
УДК 625.731.1
НАНОТЕХНОЛОГИЯ ЛИКВИДАЦИИ ПУЧИНООБРАЗОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАЩЕЛАЧИВАНИЕМ
А. Б. Самойленко, В. Н. Шестаков
Аннотация. Изложено лабораторное и стендовое экспериментальное обоснование нанотехнологии ликвидации пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна. В основу технологии положена химическая обработка таких грунтов управляемым защелачиванием. Способ ликвидации защищен патентом РФ.
Ключевые слова: пучинообразование глинистых грунтов, технология ликвидации, водный раствор гидроксида натрия, технологические параметры, долговечность.
Введение
Одной из причин повреждения эксплуатируемых дорожных конструкций является процесс пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна. На территории юга Западной Сибири пучинообразованию подвержены 4-5 % протяженности дорожных конструкций. Применение известных конструктивных и химических способов борьбы с пучинообразова-нием грунтов земляного полотна зачастую малоэффективно в глинистых грунтах с влажностью выше оптимальной и требует на время производства работ полного или частичного закрытия движения автотранспорта[1,2].
Исследования 3. А. Нерсесовой и Ю. М. Васильева, показали, что насыщение грунта одновалентными катионами снижает морозо-опасность грунта. На основании этих данных, а также исследований, проведенных МГУ и БашНИИСтроем [3] по обработке глинистых грунтов гидроксидом натрия, исследована нано технология снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого защелачивания.
Теоретические предпосылки
Управляемое защелачивание глинистых грунтов заключается в нагнетании в них при помощи инъекторов водного раствора гидроксида натрия с добавкой негашеной извести с последующим выдерживанием в течение 30 суток при положительной температуре. Сущность управления заключается в инъекцировании в земляное полотно рабочего раствора требуемой концентрации и объема, подобранных на основе лабораторных испытаний пучинистого грунта. Целью управления является обеспечение грунту земляного полотна под дорожной одеждой требуемой степени пучинистости (непучинистой или слабопучинистой).
Основу глинистых грунтов составляют глинистые минералы, представленные каолинитом, монтмориллонитом и гидрослюдой. Соотношение этих минералов определяет
степень его морозоопасности. Согласно физико-химической теории взаимодействия глинистых минералов [М] со щелочью у последних в щелочной среде происходит дополнительная диссоциация поверхностных структурных гидроокислов (по сравнению с нейтральной средой) по типу
М] - ОН ^ [М] - О - Н+ (1)
с последующим обменом Н+ на №+ из раствора щелочи и образованием воды:
[М] - О - Н+ + №ОН ^ [М] - О - N8+ + Н2О. (2)
Процессы диссоциации поверхностных ОН- - групп и обмена Н+ на N8+ растут с увеличением концентрации раствора щелочи. При низких концентрациях раствора (<1н) происходит химическое пучение грунта. Нормальность раствора - концентрация раствора, выраженная числом грамм-эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.
Снижение пучинистости глинистых грунтов при обработке их щелочными растворами высоких концентрации (>1н) связано с возникновением новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения алюмосиликатного ядра глинистых, некоторых первичных и типоморфных минералов. Так, внедрение ОН- иона щелочи в координационную сферу атомов А1 и Si алюмосиликатов приводит к разрушению связей Si - О - А1, а затем и Si - О - Si с выходом из решетки в раствор оксидов кремния и алюминия (на примере каолинита):
А^Т2Оа(ОН)4 + Ю№ОН ^ 2№А1(ОН)4*пН2О+4№2О* SiO2*nH2O (3)
Или
АЬ^Об^Н^ + 10(ОН)- ^2А1(ОН)4- + 4 SiO44- + +3пН2О (4)
с последующим формированием по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия содалитоподобного типа:
2А1(ОН)4- +2 SiO44- + 2 №+ ^ [N820 * А^Оэ * 2 Si02]*n Н2О (5)
Наиболее сильно подвержен воздействию щелочного раствора №ОН каолинит, менее -монтмориллонит и гидрослюда. Воздействие гидроксида натрия на гидрослюду, в отличие от каолинита и монтмориллонита, не приводит к существенному изменению структуры минерала.
На основе исследований МГУ [] рассмотрена геоэкологическая безопасность обработки глинистого грунта щелочными растворами. Условия миграции растворов существенно зависят от проницаемости грунтов и физикохимических процессов их взаимодействия с гидроксидом натрия. Глинистые грунты ограничивают миграцию растворов вследствие малой их проницаемости и значительной сорбционной способности. Поэтому инъекци-рование в глинистые грунты земляного полотна щелочных растворов №ОН не представляет какой-либо опасности загрязнения окружающей среды, т.к. в них преобладает диффузионный, а не фильтрационный механизм продвижения щелочного раствора. Сам глинистый грунт играет роль естественного геохимического барьера.
Лабораторные исследования^]
Использовались легкий и тяжелый пылеватые суглинки, которые, в соответствии с ГОСТ 28622-90, относятся к сильнопучини-стым грунтам. Относительная деформация морозного пучения ет этих суглинков, в зависимости от их коэффициентов уплотнения 0,90<К'У<1,00, изменяется следующим образом: легкий, 1р=0,08 - £№=90,1+82,7^-164,6^; тяжелый, /р=0,16 - £^=106,3+101,3^/-
201,1 Ку.
Рассмотрено влияние на пучинистость и механические свойства грунтов концентрации раствора гидроксида натрия(х1) дозировки негашеной извести (х 2)и коэффициента уплотнения грунта (х3). Для этого поставлены полные факторные эксперименты ортогонального планирования второго порядка.
На основе экспериментов получены в условных переменных адекватные уравнения, характеризующие изменение относительной деформации морозного пучения £№, %: для легкого пылеватого суглинка при коэффицен-те уплотнения 0,90 < Х3 < 1,00
р = 2,966 - 0,471хи - 0,437х2 - 0,298х3 -о& 1 2 3 ,(6)
- 0,206х2 - 0,13х^ - 0,42х^ - 0,113х1х3 - 0,163х1х2х3
для тяжелого пылеватого суглинка при коэффициенте уплотнения 0,95
£ = 2,41 - 0,267х - 0,117х2. (7)
Область изменения параметров в (6) и (7): 2,50 < х1 < 7,50 0,00 < х2 < 1,0.
Из полученных зависимостей следует, что обработка легкого пылеватого суглинка раствором №ОН 3-4 н концентрации с добавкой извести 0,2-0,3 % от объема раствора, а тяжелого пылеватого суглинка с коэффициентом уплотнения 0,95 раствором №ОН 3 н концентрации с добавкой извести 0,1 % от объема раствора, позволяет снизить их относительную деформацию морозного пучения в три раза.
В результате обработки исследуемых грунтов растворами оговоренных составов степень их морозного пучения снижается от сильнопучинистого (7 %<£ПС <10 %) до слабо-пучинистого (1 %<£ПС <4 %). Это позволяет в соответствии со СНиП 2.05.02-85, применять их в рабочем слое земляного полотна.
Для оценки долговечности достигнутого эффекта снижения степени пучинистости грунта, обработанного щелочным раствором, проведено исследование изменения его относительной деформации морозного пучения ет от количества циклов промораживания-оттаивания N. Эксперимент выполнен на тяжелом пылеватом суглинке, уплотненном до
0,95 и обработанном 5н раствором №ОН с добавкой извести 0,5 % от объема раствора. Промораживание образцов проводилось по ГОСТ 28622-90, оттаивание при температуре воздуха 20 0С. Количество циклов промораживания-оттаивания согласовано со сроком службы дорожной одежды и составило 20.
Согласно полученной зависимости
£№=2,4+0,0^ (8)
относительная деформация морозного пучения ет защелоченного грунта после 20 циклов промораживания-оттаивания, оставаясь слабо пучинистым увеличилась только на 12,5 %.
Наряду с понижением степени пучинистости грунта после защелачивания происходит повышение его механических характеристик. Образцы тяжелого пылеватого суглинка с Ку=0,95 обрабатывались растворами гидроксида натрия 2,5 - 7,5 н концентрацией с добавкой извести 1 % от объема раствора. По итогам испытаний по ГОСТ 12248-96 получе-
ны зависимости механических характеристик от концентрации раствора, н: прочности при одноосном сжатии R, МПа: R=0,13-
0,02н2+0,06н; модуля упругости Е, МПа: Е=12,5+0,Зн2+2,6н; угла внутреннего трения (р , град: (р =23,0+0,08н2-0,2н; удельного сцепления С, МПа: С=0,0293+0,0004н2- -
0,0002н.
Из этих зависимостей следует, что прочностные и деформационные показатели грунта после защелачивания увеличились: прочность при одноосном сжатии в 3-6 раз; модуль упругости в 3,5-8 раз; сцепление в 1,5-2 раза; угол внутреннего трения с 22 до 26, что согласуется сданными приведенными в [3].
Стендовое моделирование технологии[5]
Насыпь высотой 0,7 м возведена из тяжелого пылеватого суглинка со щебеночным покрытием 0,1 м. Защелачивание грунта толщиной 0,50 м выполнено раствором едкого натра 2,5 н концентрации с добавкой 1 % извести от объема раствора.
Работы осуществлялись в такой последовательности:
1. Погружение инъекторов при помощи пневмоударной машины ПУМ-65. Инъекторы погружали в насыпь горизонтально на расстоянии г =0,25 м от низа щебеночного покрытия.
2. Нагнетание щелочного раствора в грунт при помощи плунжерного насоса (НД-1000/10). Разводящая сеть состоит из резиновых шлангов с тканевыми прокладками с внутренним диаметром 12-19 мм. Предельное давление нагнетания раствора не превышало
0,2 МПа, а интенсивность нагнетания через инъектор с перфорированной инъекционной частью 1 м составляло от 2 до 3 л/мин.
3. Извлечение инъекторов осуществлялось при помощи пневмоударной машины ПУМ-65.
Согласно расчету дорожной конструкции опытного стенда на морозоустойчивость по методике ОДН 218.046.01 установлено, что деформация пучения дорожной конструкции из исходного грунта составит 133 мм, а после его обработки - 32 мм.
В течение зимы 2010-2011 г. проводилось наблюдение за деформациями морозного пучения покрытия стенда, путем нивелирования поверхности по пучинным маркам.
Максимальная высота пучения по маркам пучения 1-3 составила 112 мм (прогнозируемая 133 мм); по маркам пучения 4-6 - 28 мм (прогнозируемая 32 мм). Из данных следует, что деформация пучения грунта, обработанного раствором щелочи 2,5н концентрации с добавкой извести 1 % от объема рабочего раствора, в 4 раза меньше, чем пучение исходного грунта. Отклонение величины измеренного пучения покрытия опытного стенда от прогнозируемого составило 14-19 %.
По результатам испытания образцов исходного и обработанного грунтов (табл.), установлено, что прочность при одноосном сжатии Я возросла в 3,5 раза; модуль упругости Е в 3,6 раза; сцепление С в 1,3 раза; угол внутреннего трения (р повысился с 22 до 23; относительная деформация морозного пучения снизилась в 3,4 раза. Полученные данные согласуются с результатами лабораторных исследований.
Таблица - Показатели характеристики тяжелого пылеватого суглинка
Грунт Плотность сухого грунта, г/см Прочность при одноосном сжатии R, МПа Модуль упругости Е, МПА Угол внутреннего трения (р , град. Удельное сцепление С, МПа чо %
Исходный 1,65 0,08 20,4 22 0,025 6,8
Обработанный 1,65 0,28 72,8 23 0,033 2,0
Обоснование технологических параметров выполнено на основе стендового моделирования процесса защелачивания глинистого грунта (рис.1.) и рекомендаций [6,7]:
- Требуемая толщина слоя обработки глинистого грунта земляного полотна Ссл=2г назначается согласно п. 6.14 СНиП 2.05.02-85 и расчету дорожной конструкции на морозоустойчивость согласно п. 4 ОДН 218.046-01;
- Радиус обработки грунта г назначается равным половине требуемой толщины слоя обработки Ссл, с округлением в большую сторону с кратностью 5 см.;
-Расстояние между инъекторами /р=1,73г ;
- Давление нагнетания раствора щелочи не более 0,2 МПа, которое позволяет сохранить сплошность грунта;
- Объем грунта, обрабатываемый за за-ходку, составляет
У= 7т-г2(/+4/3-г); (9)
- Расчетный объем грунта, за эту заходку
Ур= и-12/з= п-12-(/+г), (10)
где I- длина перфорированной части инъектора;
Количество раствора щелочи рабочей концентрации Ор, м3, необходимое для обработки грунта за одну заходку, определяется по формуле
Qp =пг2(г+ 1)па,
где п - пористость грунта в долях единицы; а - коэффициент насыщения грунта раствором щелочи, принимаемый 0,7.
1р
/ / У
А // 1 с1 о
/// /// 4 Ж / Ж У
9
Рис. 1. К обоснованию технологических параметров слоя обработки толщиной Ссл:
1 - инъектор; 2 - зона обработки радиусом; 3- подошва дорожной одежды;
4- земляное полотно из глинистого грунта
Обоснование коэффициента а состоит в следующем. Исходя из реальных значений параметров: д=2л/мин, или 3 м3/сут; Р=0,07 МПа, /0=0,02 м, /=1 м, /=0,6 м, величина Кф для суглинка составит 0,17 м/сут. Объем породы У3, вместивший закачиваемую щелочь, составляет 2,04 м3. Поскольку на закрепление массива при одной заходке пошло 600 л раствора щелочи, то исходя из полученного объема защелачиваемого массива Уг и реального заполнения объема активных пор грунта щелочью Ущ, получим значение активной пористости па грунта при фильтрации через него раствора па= УЩ*У3"1=0,29, при общей пористости грунта п=0,44. Следовательно, при фильтрации раствора щелочи через водонасыщенный грунт вода, заключенная в объеме пор, составляющих активную пористость (до 66 % от общей пористости), замещается фильтруемым раствором, остальная же часть пор (34 %) осталась заполненной (как и до закачки щелочи) водой. Дальнейшее взаимодействие раствора с породой будет происходить медленно с постепенным выравниванием концентрации в поровом пространстве
главным образом за счет диффузионных процессов.
Производительность нагнетания П=q■к/(n■а),
где q - интенсивность нагнетания раствора, q=2-3 л/мин;
к - количество инъекторов.
Методические рекомендации [8] Технология управляемого защелачивания применима в глинистых грунтах земляного полотна и его основания с числом пластичности 3-25; пористостью не ниже 35 %;
Применение технологии возможно при температуре обрабатываемого грунта не ниже
0 0С и температуре раствора не ниже 10 0С (предпочтительно 50-60 0С).
Ориентировочный расход кристаллического порошка гидроксида натрия на обработку суглинистого грунта составляет при концентрации раствора 2,5 н - 27 кг/м3; 5,0 н - 54 кг/м .
Состав рабочего раствора подбирается из условия обеспечения требуемой степени пучи-нистости (непучинистый или слабопучинистый) глинистого грунта при минимальной стоимости.
Работы по снижению пучинообразования дорожных конструкций управляемым защела-чиванием глинистых грунтов земляного полотна должны проводиться комплексной бригадой в составе двух звеньев:
• 1-е звено производит горизонтальное
внедрение и извлечение инъекторов (машинист компрессорщик -1 чел., слесарь 5-го разряда - 2 чел.);
• 2-е звено выполняет приготовление и
нагнетание рабочего раствора в грунт (оператор 6-го разряда - 1 чел., слесарь 5-го разряда - 1 чел.).
Нагнетание раствора щелочи в грунт производится заходками. Расчетная длина одной заходки 13 равна длине перфорированной части инъектора I плюс радиус распространения раствора г(рис. 2.).
расходомерами
Рис. 2. Схема размещения инъекторов и зон защелачивания грунта в земляном полотне
Технико-экономическая эффективность
инвестиций при ликвидации пучинообразования на участке автомобильной дороги «Кочки-Каргат» в Новосибирской области определена на основе сопоставления выгод, возникающих у пользователей автомобильной дороги, с инвестиционными затратами, связанными с реализацией рассматриваемого проектного решения. При этом рассмотрены конкурентоспособные варианты ликвидации пучинообразования:
1 - замена пучинистого грунта в теле земляного полотна с переустройством дорожной одежды и строительством временной объездной дороги на период производства работ;
2 - обработка глинистого грунта управляемым защелачиванием без закрытия движения транспорта.
Оба варианта дорожных конструкций являются равнопрочными.
Оценка эффективности инвестиционного проекта осуществлена в пределах расчетного периода, продолжительность которого (горизонт расчета) принята 7 лет. Экономия на капитальных вложениях по предлагаемому варианту 2 составила 0,65 млн.руб, или 25 %.
Заключение
1. Сущность снижения пучинистости глинистых грунтов водными растворами гидроксида натрия (>1н) с добавкой негашеной извести заключается в возникновении новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения кристаллической решетки и алюмосиликатного ядра глинистых минералов. При этом было впервые экспериментально установлен эф-
фект снижения степени пучинистости глинистых грунтов (до непучинистого или слабопу-чинистого) при их обработке водными растворами гидроксида натрия (3-4 н концентрации, 32-43 кг/м3 грунта) с добавкой негашеной извести (0,1-0,3 % от объема раствора). Наряду со снижением степени пучинистости обработанных глинистых грунтов, происходит увеличение их прочностных и деформационных показателей.
2. Долговечность эффекта снижения степени пучинистости грунта обработкой его растворами гидроксида натрия с добавкой извести после 20 циклов промораживания-оттаивания практически не изменяется (относительная деформация морозного пучения увеличилась на 12,5 %).
3. Разработанная технология, защищенная патентом Российской Федерации [9], позволяет на основе методических рекомендаций^] эффективно ликвидировать пучино-образование глинистых грунтов земляного полотна.
Библиографический список
1. Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучинистых участках автомобильных дорог,- М.,2007.-101с
2. Методические рекомендации по борьбе с пучинами инъекций закрепляющих растворов.Минск, Белдорнии, 1973-35с
3. Грунтоведение. Кол. авторов под редакцией В. Т. Трофимова- 6-е изд.переработ.и доп.-М.: Изд-во МГУ,2005.-1024с (Классический университетский учебник)
4. Самойленко А. Б. Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта / А. Б. Самойленко, В. Н. Шестаков // Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия «Строительство и архитектура». - 2010. -№33(209). - С.29-32.
5. Шестаков В. Н. Способ борьбы с пучинами / В. Н.Шестаков, А. Б.Самойленко // Автомобильные дороги. - 2011. - №09(958). - С.146-149.
6. Основания, фундаменты и подземные сооружения ( М. И. Горбунов-Посадов и др.; под общ.ред. Е. А. Сорочана, Ю. Г. Трофименкова .-М.: Стройиз-дат, 1985.-480с.-(Справочник проектировщика).
7. Рекомендации по укреплению глинистых грунтов оснований зданий и сооружений защелачи-ванием. Уфа.:БашнНИИстрой, 2005.-36с
8. Пат. 2407859: МПК Е02В 3/12, С17/00. Способ ликвидации пучинообразования дорожной конструкции управляемым защелачиванием грунта / В. Н.Шестаков, В. М.Глушков, А. Б.Самойленко; ГОУ ВПО «СибАДИ». - №2009121985, заявл. 08.06.2009 г., опубл. 27.12.2010 г., Бюл. №36. - 6 с.
9. Методические рекомендации по ликвидации пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого защелачива-ния / Разработчик А. Б.Самойленко, научный руководитель д.т.н., профессор В. Н. Шестаков. - Омск, СибАДИ, 2011. - 29 с.
THE NANO-TECHNOLOGY OF THE CLAY SOILS FROST HEAVY LIQUIDATION OF THE SOIL BED MEANS OF THE CONTROLLING ALKALIZATION
A. B. Samoilenko, V. N. Shestakov
The laboratory and stand experimental basis of the nano- technology of the soil bed are account. In the base of the technology is supposed the chemical processing such soils by means of the controlling alkalization. The liquidation method is defenced by the patent of the RF.
Самойленко Алексей Борисович - канд. техн. наук, главный специалист проектного института “Омскжелдорпроект”. Имеет 12 научных публикаций. е- mail: [email protected]
Шестаков Владимир Николаевич-д-р техн. наук, проф., профессор кафедры “Инженерная геология, основания и фундаменты” Сибирской государственной автомобильно- дорожной академии. Основное направление научных исследований -прогнозирование теплофизического режима в жизненном цикле дорожных конструкций, их надежность. Имеет более 250 публикаций научных работ. е- mail: [email protected]
