CC BY
72
ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАЩЕЛАЧИВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ
МУЛЮКОВ Эдуард Инсафович,
доктор технических наук, профессор Уфимского государственного нефтяного технического университета
Последствия проливов щелочи. Щелочь - опасный для окружающей среды химический продукт, вызывающий при проливах набухание и разрушение глинистых грунтов, деструкцию строительных элементов из минеральных вяжущих, изделий керамических, древесных и на основе органических продуктов (битумов, синтетических материалов), а также стеклянных, алюминиевых и свинцовых деталей. Чрезвычайно опасно разъедание соединительных муфт кабелей, особенно алюминиевых, с последующим электрозамыканием из-за высокой электропроводности щелочи. Обладает сильным разъедающим свойством по отношению к фауне и флоре. При попадании на кожу человека, животного мгновенно вызывает долго незаживающие раны ожогового типа.
Глинистые грунты оснований фундаментов промышленных зданий и технологических установок под воздействием непреднамеренных проливов щелочи претерпевают значительное разрушение поверхности минералов и химическое пучение грунтов, что сопровождается
разрушением и знакопеременным поднятием фундаментов несущих колонн и технологического оборудования, полов производственных помещений, открытых площадок, подземных бетонных дренажных и напольных сливных лотков. Такое явление исследовано автором в 1972 г. на Стерлитамакском химическом заводе, на котором деформировался электролизный цех № 108 (^6х36 м), построенный в 1964 г. для получения каустика ртутным способом. Уже через два года ненагруженные участки пола и фундаменты легкого оборудования начали подниматься, что вынудило руководство завода перемещать накренившееся оборудование и выполнять крупные ремонтные работы. Технологические же катализатор-ные ртутные ванны хронически перекашивались, и производственный процесс останавливался. Ванны после этого рихтовали до требуемого горизонтального положения.
Фундаменты несущих колонн цеха также вскоре начали подниматься, что сразу же было обнаружено по появлении продольных уклонов подкрановых балок и крановых путей. За 1966 -1972 гг. эти фундаменты неравномерно поднялись вплоть до 300 мм. Цех перекосился угрожающе [1. С. 23 - 2S].
Наибольшие повреждения в цехе проявились в зоне максимальных проливов щелочи. Установлено, что лопнули по диагонали два монолитных железобетонных фундамента несущих колонн. Бетонные поверхности (грани) фундаментов осыпались, шелушились на глубину более 20 мм. Под подошвой находилась керамическая кирпичная щебенка, пропитанная битумом, которая оказалась полностью разрушенной и растиралась в песок от руки. Битум же оказался распавшимся в мелкую крошку. Поверхность всех вскрытых фундаментов подверглась поражению щелочью.
На глубине 3,2 м появилась подземная вода с содержанием щелочи 38...122 г/л, которая распространилась вглубь не менее 6 м, т.е. на глубину проходки скважин. Оказалось, что пробы грунта, отобранные с глубины 5...6 м, имели большее количественное содержание щелочи, чем пробы с глубины 2.3 м как результат ее миграции в условиях отсутствия барьера.
Выявлено, что «для ненагруженных элементов пола и фундаментов легкого оборудования (нагрузка а < 50 кПа) опасно попадание в лессовидные грунты раствора ЫаОН от 5% и выше, а для зданий и сооружений - от 10 до 40%-й концентрации, т.к. при взаимодействии раствора ЫаОН с лессовидным грунтом происходит его набухание, обусловленное увеличением влажности и возникновением давления, способного преодолеть сопротивление внешнего давления и силы сопротивления структурной связности» [1].
Исследование последствий воздействия щелочи на мономинеральную (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда) и полиминеральную глины показало, что происходит «разрушение кристаллической решетки вследствие поверхностного растворения кремнекислородных тетраэдров, ... растворение алюмосиликатной части минерала, ... изменение структуры, вод-нофизических, деформационных и прочностных свойств мономинеральных глин, ... разрушение частиц пылеватой фракции, ... изменение формы частиц, . уменьшение числа пластичности глин». Далее отмечено, что «нарушение естественных структурных связей способствует увеличению набухания и нередко весьма значительному. Полевым экспериментом установлено, что штампы во времени имеют две фразы: подъем и осадку. Содержание щелочи в грунте, находящемся выше уровня грунтовых вод, с глубиной уменьшается. Ниже уровня грунтовых вод щелочь в массиве грунта распределена равномерно на глубину 10 м. ... Наличие грунтовых вод в массиве приводит к разбавлению концентрации контактирующего раствора и равномерному распределению ее в грунте» [2].
В полевых условиях был проведен эксперимент по свободной заливке щелочи на загруженные фрагменты фундаментов в виде штампов (Р=5600 см2). На рисунке 1 показана поверхность дна котлована, пораженная щелочью. Штампы железобетонные также изъеде-
ны щелочью, что видно в районе этикетки. Испытаниями защелоченных оснований показано, что при набухании сначала происходит подъем штампа, а затем по мере миграции свободной щелочи из порового пространства грунта наблюдается его осадка. Последующая заливка в котлован щелочи приводит к повторению цикла «подъем-осадка» штампа. При этом «грунтовые воды разбавляют концентрацию щелочи и равномерно распределяют ее в грунте» [2].
Рис. 1. Состояние экспериментального котлована и бетонных штампов после заливки щелочи (1979)
Диагностика состояния вышеупомянутого цеха №108, а также полевые и лабораторные исследования положены в основу Рекомендаций по проектированию оснований и фундаментов соответствующих зданий и сооружений на глинистых грунтах, набухающих в щелочи [3].
Непреднамеренные проливы щелочи с последующими набуханием глинистых грунтов оснований, деформациями и разрушениями конструкций, естественно, происходили и в других регионах, стереотипно повторяясь в своих особенностях и последствиях. Еще в начале 60-х годов прошлого века на примере Богословского алюминиевого завода (г. Крас-нотурьинск) были известны причины и последствия подъема колонн подкранового пути на 1S0 мм. Оказалось, что за 10 лет эксплуатации была изъедена щелочью и прохудилась дренажная сеть, что привело к утечкам щелочи и насыщению с набуханием основания из крупнообломочного элювия зеленых сланцев [4]. Преждевременное разрушение строительных конструкций глиноземных предприятий в
гг. Ачинск, Красноуральск наблюдалось вследствие химического пучения глинистых грунтов оснований при насыщении их технологическими щелочными растворами с концентрацией до 20%. Лабораторные и полевые исследования позволили сформулировать способы предотвращения деформаций фундаментов: сокращение до минимума утечек, экранирование основания стойкими материалами и новые конструкции фундаментов [5. С. 19 - 22], поскольку собственно глина не является экраном (барьером) на пути миграции свободной щелочи в подземном пространстве, крайне неоднородном.
Значительна научная работа по лабораторной оценке строительных свойств глинистых грунтов после воздействия на них агрессивных щелочных или кислых растворов [6], в которой упоминается «наблюдающееся подтопление промплощадок, вызванное утечками промстоков из флюидных коммуникаций, что сопровождается возникновением техногенного горизонта, жидкости которого изменяют строительные параметры глинистых грунтов в основаниях фундаментов зданий и сооружений, претерпевающих впоследствии деформации набухания, просадки и постпросадочные отказы строительных конструкций и элементов». Указывается, что при подтоплении наблюдаются процессы набухания и разрушения минералов, растворение гипса и аморфного кремнезема. Отмечается, что «к неагрессивным растворам электролитов (щелочей) относятся растворы, имеющие концентрацию менее 1 н (менее 4%)». Однако имеются сведения, показывающие, что щелочные растворы с концентрацией 0,1н способствуют активизации процесса набухания глинистых грунтов.
Исследованиями группы специалистов ПНИИИС показано, что «щелочные растворы высокой концентрации (более 4%) оказывают агрессивное действие на глинистые породы, растворяют окислы кремния, железа, алюминия и разрушают глинистые минералы. При этом происходит резкое упрочнение и уплотнение пород» [7. С. 3 - 15]. Авторы не касаются проблем экологии, водостойкости, морозостойкости защелаченных пород, их выщелачивающей способности и отрицательного воздействия щелочи на окружающую среду.
Защелачивание грунтов. В 1977 г. было предложено преднамеренно нагнетать щелочь через инъекторы в глинистые основания фун-
даментов деформирующихся зданий якобы для укрепления основания. Первым объектом, где было выполнено защелачивание 450 м3 грунтов, являлось деформировавшееся длительное время здание профтехучилища (ГПТУ-40) в г. Уфе, хотя взамен рекомендовалось применить альтернативное решение - многосекционные сваи для усиления фундамента. Однако защелачивание грунтов основания оказалось бросовой работой, поскольку характер и скорость протекающих неравномерных осадок здания не изменились, что подтвердилось результатами мониторинга. Здание вскоре демонтировали как аварийное.
Рис. 2. Распавшийся в труху образец преднамеренно защелаченного грунта под воздействием погодных факторов
Рис. 3. Кристаллообразование (шуба) на поверхности защелаченных образцов: слева - извлеченного из массива; справа - сформованного в лаборатории; оба образца воздушного хранения
В конце 70-х годов на территории БашНИИстроя в тени деревьев был выставлен извлеченный из шурфа «укрепленный» глинистый грунт в форме параллелепипеда ~ 0,3х0,5х0,6 м на предмет оценки устойчивости против погодных факторов выветривания. Через 2-3 недели образец начал оплывать,
.UtllHW*
терять форму и вскоре распался под влиянием дождя, солнца, ветра, превратившись в труху (рис. 2).
Нами уставлено, что защелаченные образцы, извлеченные из шурфов, в т.ч. из заложенных в вышеупомянутом цехе № 108, содержали кристаллогидраты соды, а через несколько суток хранения в сухих условиях покрывались игольчатыми длиной 4.7 мм и диаметром 0,1.0,2 мм кристаллами, сплошь густо покрывающими поверхность в виде шубы (рис. 3, слева). Из отформованных образцов диаметром ~ 40 мм также выделяются кристаллы (рис. 3, справа), преимущественно покрывающие торец образца. Свободная поро-вая щелочь мигрирует, кристаллизуясь, в соседние зоны, в которых насыщенность меньше. Щелочно-глинистая смесь рассыпчата. Связность, характерная глинистым грунтам, резко ухудшается. Нами обнаружено, что такая смесь после нескольких циклов «замачивание - подсушка» полностью распадается (рис. 4).
В 1984 г. состоялось заседание Секции оснований, фундаментов и механики грунтов НТС Госстроя СССР, на котором было отмечено, что «метод защелачивания не может быть рекомендован к практическому применению в промышленных масштабах, т.к. вызывает загрязнение окружающей среды, коррозию подземных и наземных конструкций и коммуникаций, ненадежное уплотнение грунтов, возможность ожогов у рабочих и др.» [8].
В 198S г. были выпущены «Рекомендации для проектных и строительных организаций, занимающихся вопросами укрепления глинистых грунтов оснований зданий и сооружений» [9]. В них предусмотрено использование щелочи очень высоких концентраций (20%, 30%, 40%, т.е. предельно возможной). Только вскользь упоминалась необходимость предостережения от опасности контакта с щелочью.
В 200S г. появилась новая редакция Рекомендаций [10], где утверждается, что «заще-лачивание не наносит ущерба окружающей среде, поскольку глинистые породы являются естественным геохимическим барьером на пути диффузионного и конвективного распространения раствора щелочи в зоне инъекции». Такое заявление не согласуется с печальным опытом аварийных повреждений на вышеназванных объектах. В п.1.10 туманно отмечается, что «защелачивание в той или иной мере токсично, ... должны выполняться специаль-
ные требования по технике безопасности и охране окружающей среды». Далее в п.1.11 проявляется озабоченность судьбой окружающей среды: «... должно быть уточнено и учтено расположение подземных коммуникаций (водопровода, канализации, кабельной сети, телефона, газа и др.), а также расположение и состояние зданий и сооружений, находящихся вблизи места защелачивания».
Специальная глава, посвященная технике безопасности и охране окружающей среды (гл. 6), насыщена многократными категорическими запрещениями, которые порой не выполнимы («категорически запрещено проводить защелачивание вблизи соединительной муфты электрокабеля», п. 6.4). Или в п. 6.10: «не следует проливать щелочь на землю». А как быть со свищами (прорывами) щелочи по закону Пуассона, которые регулярны при инъекционных работах? В гл. 6 не предусмотрено никаких мер по охране окружающей среды и ее защите от вредного воздействия щелочи. Автор Рекомендаций вынужден признать особую опасность щелочи и предостеречь администрацию подрядчика, предписав ему «разработать инструкцию по мерам безопасности, издать приказ о назначении ответственного и выдать наряд на особо опасные работы» [10, п. 6.17].
Таким образом, сам автор документа [10] убедительно доказал недопустимость использования защелачивания грунтов в виду «особой опасности». Необходимо также принять во внимание результаты исследований именно самого автора, прокомментированные выше [1,2]. Еще в 1987 г. защелачивание названо
J
Ш
Рис. 4. Оценка водостойкости щелочно-глинистой смеси: слева - сформованный образец; справа - распавшийся в воде такой же образец
вредным для окружающей среды, поскольку «глинистые грунты поглощают около 2S кг щелочи на 1 м3 грунта, остальные 21S (375) кг каустика будут находиться в грунте в свободном состоянии, что неизбежно приведет к длительному загрязнению окружающей среды, к разрушению строительных конструкций и коммуникаций. ...Со временем, вследствие карбонизации щелочи в грунтах, следует ожидать образования кристаллогидратов соды, объем которых в 7 раз превышает объем исходного гидрата окиси натрия. Это обстоятельство может привести к химическому пучению заще-лаченных грунтов основания и к деформациям сооружений» [11. С. 16 - 17].
В НИИОСП неоднократно пытались закрепить глинистый грунт концентрированными растворами каустика. Но все оказалось безуспешным: образцы распадались в воде, не выдержав и трех циклов водонасыщения-вы-сушивания [12. С. 107 - 111]. И наши многочисленные эксперименты оказались безуспешными (рис. 2, 4).
Не привело к успеху защелачивание в 1992 г грунтов крайне неоднородного основания жилого кирпичного 5-этажного дома на сборном ленточном фундаменте, имевшего длительное время (с 1962 г.) признаки неравномерных деформаций в виде вертикальных и наклонных сквозных трещин с раскрытием до 70 мм в несущих стенах, в т.ч. на главном фасаде, а также в лестничных клетках (Уфа, ул. Кольцевая, 30). Стабилизация неравномерных осадок не наступила, что легко обнаруживалось как визуально, так и инструментально. Поведение трещин после защелачивания не изменилось, как в свое время на вышеупомянутом ГПТУ-40. Именно в той же зоне, где было осуществлено нагнетание щелочи, было произведено усиление фундамента путем подведения железобетонных многосекционных свай, зафиксированных на железобетонном поясе снаружи по периметру. Только после усиления фундамента сваями, а коробки здания - поэтажными поясами, деформации основания полностью прекратились и в настоящее время не возобновляются.
Защелачивание оснований двух домов планировалось провести в Уфе в квартале «В» в 70-е годы прошлого века, где возникла аварийная ситуация.
Там велась комплексная застройка, включающая многоэтажные кирпичные жилые
дома, из которых дом № 3, расположенный вдоль пр. Октября, уже эксплуатировался. В 1977 г. впритык к нему под углом 45° в плане началось строительство 11-этажного дома № 4 с встроенным городским Домом бракосочетания. Торцами оба дома последовательно примыкали один к другому через температурные (не осадочные!) швы, т.е. по мере строительства дома попарно опирались на общие (ошибочные) торцевые монолитные фундаментные ленты. Такое же «температурное» сопряжение было предусмотрено и с противоположного торца дома № 4 и торца дома № 5, фундамент которого уже был заложен. Весной 1979 г. по причине целого ряда досадных упущений, брака в работе и человеческого фактора строившийся дом № 4 получил неравномерные осадки до 280 мм при нагрузке на основание всего лишь 20%, что обернулось высокой аварийностью, причины которой установлены дополнительными инженерно-геологическими изысканиями, анализом проектной и исполнительной документации при постоянном отслеживании осадок основания дома № 4, а также спровоцированных осадок дома № 3, поскольку их торцы были размещены на единой торцевой ленте [13].
В 1979 г. была разработана программа защелачивания основания вышеназванных аварийных домов. В частности, в основание только одного дома № 4 планировалось закачать огромное количество щелочи (2000 т), произведя 2500 инъекций. Однако эта программа была отклонена.
Нами были установлены причины аварии, изучены «поведение» домов № 3 и № 4 и хронология строительного процесса, затем предложена реконструкция торцевых фундаментов, которая заключалась в превращении температурных швов по обоим торцам среднего дома № 4 в осадочные путем пересадки его торцов на вновь подведенные фундаменты из железобетонных многосекционных свай сеч. 30х30 см [13. С. 10 - 12, 14]. При этом была выполнена уникальная железобетонная реконструкция торцевых частей фундаментов всех трех смежных домов (№ 3, 4 и 5) внушительных размеров в плане. Расход железобетона (сваи, ростверк) составил всего 70 м3. Как и следовало ожидать, осадки дома № 4 полностью стабилизировались, а спровоцированные трещины осадочного типа в смежной торцевой зоне дома № 3 даже закрылись за счет
реализации упругости основания после снятия пригруза от смежного дома № 4. В течение прошедших 30 лет (1979 - 2008) все эти здания эксплуатируются без каких-либо деформаций.
Следует отметить, что защелачивание глинистых оснований фундаментов продолжается по сей день и интенсивно освещается в стереотипных публикациях непрофессионального наполнения. В частности, в статьях допускаются декларативные утверждения о том, что щелочь не наносит ущерба окружающей среде, что не согласуется с реальностью в виде печального опыта эксплуатации соответствующих, хотя бы вышеназванных промышленных предприятий, допустивших непреднамеренные проливы. Непрофессиональными являются также суждения о якобы цементирующей способности щелочи, возникновении водоустойчивой конденсационно-кристалли-зационной структуры в щелочно-глинистой смеси, о цементном твердении смеси в течение 28 суток (якобы как в бетоне), о каком-то естественном геохимическом барьере, об альтернативе железобетону и т.п.
Таким образом, проливы щелочи (непреднамеренные) попадают в подземные части зданий (сооружений), вызывают химическое пучение глинистых оснований с последующими их знакопеременными деформациями, разрушением подземной техногенной сферы, т.е. несущих железобетонных конструкций, дренажных сетей, систем жизнеобеспечения. Проектирование соответствующих промпредпри-ятий должно осуществляться с учетом потенциальной возможности непреднамеренных проливов, стоков, смывов щелочи.
Процесс защелачивания трудно управляем, порой непредсказуем, о чем свидетельствуют бросовые работы с отрицательным эффектом ввиду специфики осадочных горных пород.
Защелачивание не правомерно, поскольку идет вразрез с экологическими требованиями по СП S0-101-2004, «Eurocode 7: Geotechnical Design», а также с требованиями строительных норм и стандартов [СНиПов 2.03.11-8S, 1230-2001, 12-04-2002, 2.02.01-83*; СТ СЭВ 441983, ГОСТ 12.0.001-82*]. С последней четверти XX в. геотехническая наука и практика зиждит-ся на использовании природных грунтовых толщ без какой-либо щелочной переработки благодаря освоению революционных технических решений, позволяющих осуществлять самые фантастические проекты, включая уси-
ление, реконструкцию в любых стесненных условиях.
Литература
1. Волков Ф.Е., Мулюков Э.И., Колесник Г.С., Гарифзянов Г.Г. Деформации оснований фундаментов промышленных зданий от воздействия щелочных растворов // Пром. стр-во. 1972. №11.
2. Волков Ф.Е. Изменение состава и физико-механических свойств глинистых грунтов в результате взаимодействия с растворами щелочи: Автореф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. М., 1977.
3. Методические рекомендации по учету набу-хаемости глинистых грунтов под воздействием растворов щелочи при проектировании оснований зданий и сооружений /Сост. Ф.Е. Волков, Э.И. Мулюков. Уфа, НИИпромстрой. 1978.
4. Корженко ЛИ. Основания и фундаменты в условиях Урала. Свердловск: Свердл. книжн. изд-во, 1963.
5. ФеклинВ.И. Исследование набухания глинистых грунтов, насыщенных щелочными растворами // Осн. и фунд-ты в сложн. инж.-геол. усл. Казань, 1978. № 2.
6. Руководство по лабораторной оценке строительных свойств грунтов при взаимодействии со щелочными и кислыми растворами / ПНИИИС. М.: Стройиздат, 1987.
7. Зиангиров Р.С., Лаврова H.A., Окнина H.A. Изменение прочностных и деформационных свойств глинистых пород при взаимодействии с кислыми и щелочными растворами // Изменения свойств грунтов под влиянием природ. и антропоген. воздейств. ПНИИИС. М.: Стройиздат, 1981.
8. Протокол заседания Секции оснований, фундаментов и механики грунтов НТС Госстроя СССР. М., 1984, 3 апреля.
9. Рекомендации по укреплению водонасыщен-ных слабых глинистых грунтов защелачиванием (Сост. Ф.Е. Волков). Уфа, НИИпромстрой. 198S.
10. Рекомендации по укреплению глинистых грунтов оснований зданий и сооружений защелачиванием /Сост. Ф.Е. Волков. Уфа, БашНИИстрой. 200S.
11. Соколович В.Е. Химическое закрепление грунтов и окружающая среда // Осн., фунд-ты и мех. грунтов. 1987. № 6.
12. Соколович В.Е. О новом химическом способе закрепления водонасыщенных лессовых и глинистых пород - «защелачивании» // Инж. геология. 1988. № 6.
13. Мулюков Э.И., Хасанов В.В., Камалов В.Г., Вронский А.В. Причины и последствия осадок 11-этажного кирпичного здания // Осн., фунд-ты и мех. грунтов. 1982. № 4.
14. A.a10083S7 СССР, Е02Д, 27/08. Способ укрепления фундамента здания, сооружения / Э.И. Мулюков, Г.С. Колесник, Р.Я. Арасланов. Б.И. 1983. № 12.
