CC BY
14
УДК 624.138
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПРОНИЦАЕМЫХ ГРУНТОВ МОДИФИЦИРОВАННЫМИ ИНЪЕКЦИОННЫМИ СУСПЕНЗИЯМИ НА ОСНОВЕ КОЛЛОИДНОГО КРЕМНЕЗЁМА
К.А. Исрафилов, И.Я. Харченко, В.А. Алексеев
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва
Аннотация.
Закрепление грунтов является важным переделом в геотехнических работах, при подземном строительстве и освоении подземного пространства. Консолидирование и набор прочности в объёме обрабатываемого грунта наиболее эффективно достигается инъекционными методами, которые позволяют закреплять широкий спектр грунтов с самыми разными характеристиками. Однако вопросы эффективности технологии, оптимального подбора и расхода инъекционных смесей для поставленных задач требуют всестороннего изучения. Проведённые экспериментальные исследования позволили зафиксировать ряд основных техно-
Ключевые слова.
Высокодисперсное вяжущее, коллоидные частицы, инъекти-рование, укрепление грунтов, грунтобетон, микроцемент, микронаполнитель, пропиточная инъекция. История статьи: Дата поступления в редакцию 19.07.21
Дата принятия к печати 22.07.21
логических приёмов для качественного выполнения работ. Для параметров закреплённого грунта проведены исследования возможностей минеральных составов коллоидного типа с учётом дозировки компонентов минеральной инъекционной смеси с назначенными технологическими параметрами.
г
м О
-I
м
Э СО
Введение
Значительное увеличение объёмов строительного производства после завершения коронавирус-ного локдауна неизбежно увеличивает также объёмы подземного строительства в.т.ч. в крупных городах и мегаполисах, имеющих особенности условий плотной городской застройки, имеющих свои особенности. Ввиду ограниченности площадей под строительство в городах в ряде случаев невозможно решать строительные задачи без решения проблемы наличия слабых, обводнённых и неустойчивых грунтов основания, путём проведения комплекса специальных методов производства работ [1], обеспечивающих закрепление, стабилизацию, уплотнение и упрочнение грунтов. Ещё одной отрицательной особенностью этих грунтов является высокий критерий тиксотропного разжижения (мгновенный переход в неустойчивое состояние под влиянием незначительных динамических или вибрационных воздействий — забивка свай, вибрация от транспортных воздействий и.т.д.) в связи с отсутствием или значительным ослаблением в них структурных связей. Как следствие в результате может произойти интенсивный вынос значительных масс грунта в объём строящегося тоннельного сооружения или котлована, сопровождающийся значительными осадками дневной поверхности, сверхнормативными деформациями зданий и сооружений, находящихся в зоне влияния строительства. Ликвидация таких факторов несёт значительные финансовые затраты, а также существенное увеличение продолжительности строительных работ и как следствие отложенный запуск объекта в эксплуатацию.
Работа по усилению и консолидации слабых и обводнённых неустойчивых грунтов требует или полного замещения таких грунтов или усиления оснований, которые невозможно
со ш ш
и *
ш
с; <
< .
■ ■
00 и
0 12
Е Б
а ч
у 2
« 3
= I £ §
1 =
о 1 2|
£ I
. ю
< га
решить традиционными методами. Однако за счёт внедрения и адаптации инновационных строительных методов и материалов с высокими требованиями к безопасности, необходимости щадящего влияния на окружающую застройку, использования компактного малогабаритного оборудования, снижающего шумовые загрязнения при производстве работ [2, 3] возможно провести такие работы с максимальной эффективностью. Следует учитывать ряд критериев эффективного использования инъекционных технологий, и учитывать в сравнительном анализе не только общую сметную стоимость и конечные сроки реализации спецметодов, но и специфичные условия применения к оборудованию и требования к персоналу с учётом разнородных инженерно-геологических условий [4, 5].
Технология закрепления грунта методом инъекционной пропитки грунта без изменения его напряженно-деформированного состояния (НДС) является в своём роде уникальной, её иннова-ционность обеспечена появлением широкого спектра инъекционных материалов, обеспечивающих проникновение частиц смеси в поровую структуру грунта [6]. Изучение источников по отечественному опыту и иностранным источникам при исполнении технологий закрепления методом инъекционной пропитки говорит о высокой гибкости технологии и эффективности метода для подземного строительства и геотехники. Обычная инъекционная технология формирования закреплённого целика грунта заключается в насыщении естественной структуры грунта полимерными или минеральными растворами при малых давлениях методом низконапорной подачи (до 0,5 МПа). В процессе нагнетания растворов грунт насыщается инъекционной смесью при твердении, которого резко повышает свои технические свойства [7, 8]. Для условий водонасыщенных грунтов, инъекционная смесь смешивается с грунтовой водой обеспечивая неправильное формирование массива [9], резко нивелируя преимущества технологии [10]. Для таких случаев необходимо использование инъекционного материала на основе смеси коллоидного кремнезёма и активатора твердения [11]. При этом свободная вода в водонасыщенных грунтах связывается за счёт химической реакции компонентов раствора с переходом в гидратные новообразования, а также за счёт эффекта физической адсорбции воды на наружных открытых плоскостях образуемых гидрокристаллов. При этом грунт консолидируется, т.к. процесс гидратирования компонентов подразумевает образования новых физико-химических связей между новообразованиями [11, 12].
Материалы и методы исследования
Экспериментальное исследование модифицированных инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма выполнялись с целью определения оптимальных пропорций для применяемых составов с помощью методов планирования экспериментов. Основными факторами влияния быди назначены: Х1 — концентрация коллоидного кремнезёма (30...75%);
Х2 — весовое соотношение между коллоидным кремнезёмом и активатором (1,5.2,0); Х3 — интенсивность перемешивания (1000.3000 об/мин); Х4 — продолжительность перемешивания (60.360 сек).
Вязкость и срок годности (время жизнеспособности) смеси, характеризующейся сроками загустева-ния были выбраны в качестве вспомогательного параметра, характеризующего технологичность состава инъекционной смеси.
Оценка вязкости инъекционной смеси выполняется, методом падающего шарика основанного на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твёрдого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:
V = 2(d-p) -г2 ■-rj
где V — скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; г — радиус шарика;
П — динамическая вязкость; d — плотность материала шарика; ро — плотность жидкости.
Данное уравнение справедливо только при постоянной скорости падения шарика. Вязкость смеси определялась следующим образом: смесь заливается в цилиндр, далее опускается шарик и термостатируется вискозиметр при температуре (18 ± 0,1) С°. Далее шарик ставят в исходное положение. Включают секундомер, когда нижняя часть шарика коснется верхней метки, и останавливают, когда шарик достигнет нижней метки. Время движения шарика измеряют не менее 7 раз. При этом разность между наибольшим и наименьшим значениями времени движения шарика не должна превышать 0,5 % от его среднего значения.
Динамическую вязкость испытуемой инъекционной смеси вычисляют по формуле:
г] = К • (рш. — рж.) • ¿ср.
где п — динамическая вязкость, мПа • с; К - постоянная вискозиметра;
рш.и рж.- плотности шарика и жидкости соответственно, г/см3; 1:ср. - среднее время движения шарика между крайними метками, с.
Результаты исследования
При оценке результатов исследования оценивался не только критерий времени комплексного гелеобразования, но эффект стабилизации структуры грунта за счёт физико-химического связывания свободной воды, находящейся в поровой структуре грунта, адсорбирующейся на поверхности продуктов гелеобразования. Практически в строиельных работах это позволяет достаточно быстро консолидировать грунт или ликвидировать водопроявления через ограждающие конструкции подземных сооружений за счёт процессов, развивающихся при коагуляции или флокуляции частиц коллоидного кремнезёма. На рис. 1 показано результаты данного исследования, где отражено влияние рН реакционного раствора на интенсивность гелеобразования коллоидного кремнезёма.
Рис. 1. Зависимость времени гелеобразования от рН. Числа — концентрация SiO2 %
г
м
а
м Э СО
со ш ш и х ш
с; <
< .
О а! л 0
0 н * £
1 а
ш ¡т
т X
< !
у 2 ^ щ
ё* с;
к
га п
5
5 ■ Ю < га
е <
а
и
По рис.1., видно, что максимум интенсивности гелеобразования приходится на диапазон рН=5,5-7,5, активное гелеобразование происходит при введении кислотного активатора в количестве, эквивалентном общей щелочности раствора коллоидного кремнезёма. Введение раствора силиката в кислотный активатор, в зависимости от интенсивности и длительности перемешивания можно в значительном интервале регулировать время гелеобразования. Обратный порядок приготовления, т.е. введение активатора в раствор коллоидного кремнезёма, сопровождается быстрым образованием геля даже при медленном и непродолжительном перемешивании.
Концентрация раствора щелочного силиката оказывает существенное влияние на формирование осадка кремнезема при нейтрализации кислотами. Увеличив концентрацию силикатного раствора, вырастает интенсивность и плотность гелеобразование. Разбавление растворов щелочных силикатов водой в общем случае уменьшает рН раствора и тем самым влияет на анионный состав раствора в сторону увеличения степени полимеризации. Скорость полимеризации в большей степени зависит от силикатного модуля исходного раствора. При анализе сильнощелочных систем выявлено, что все изменения завершаются в течении нескольких минут после перемешивания, в то время как в высокомодульных системах процесс может существенно замедляться. Экспериментально установлено, что увеличение концентрации щелочи в растворе, всегда делает силикатную систему более активной.
Следовательно, этому способствует увеличение ионной силы образующегося раствора и ослабление электростатического взаимодействия ионов. Естественно, чем выше силикатный модуль раствора, тем легче нарушается стабильность системы.
Анализ результатов выполненных исследований позволил установить закономерности. На основании анализа результатов выполненных исследований установлено, что 55% концентрация коллоидного кремнезёма является оптимальной при весовом соотношении коллоидного кремнезёма и воды 1:1,5. В зависимости от требований технологического регламента, временем начала и конца схватывания инъекционной смеси можно управлять путём увеличение или уменьшение объемного соотношения между активатором и коллоидным кремнезёмом. Кроме того установлено, что увеличение продолжительности перемешивания более 120 сек практически не влияет на сроки начало гелеобразо-вания.
Для определения влияния интенсивности перемешивания на сроки начало гелеобразования и для сравнения сроков начало гелеобразования при работе на большом и маленьком объеме было заготовлено 2 образца для двух серий испытаний. Образцы 1 серии перемешивались с интенсивностью 1000 об/мин, образцы 2 серии — с интенсивностью 3000 об/мин.
Результаты испытаний показывают, что интенсивность перемешивания практически не влияет на сроки начало гелеобразования, т.к. при интенсивности перемешивания 1000 об/мин и при 3000 об/мин время начало гелеобразования произошло через один и тот же промежуток времени. Однако, при интенсивности перемешивания 3000 об/мин наблюдается интенсивное пенообразование. В этой связи, для практического применения инъекционных смесей на основе коллоидного кремнезёма следует ограничить интенсивность перемешивания 1000 об/мин.
Выводы
Установлено, что процессы, развивающиеся при коагуляции или флокуляции частиц коллоидного кремнезёма, позволяют стабилизировать структуру плывунных грунтов.
Установлено, что оптимальной концентрацией коллоидного кремнезёма является 55%, при объемном соотношении активатора к коллоидному кремнезёму 1,8. При этом, изменением объемного соотношения активатора к коллоидному кремнезёму можно регулировать сроки начала и конца схватывания инъекционной смеси в зависимости от условий технологического регламента.
Экспериментально установлено, что 120 сек является оптимальной продолжительностью перемешивания и дальнейшее увеличение продолжительности не влияет на сроки начало гелеобразования. При этом, рекомендуемая интенсивность перемешивания 1000 об/мин. Результаты экспериментальных исследований являются основанием для разработки технологических регламентов на выполнение инъекционных работ по стабилизации плывунных грунтов строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Svetlana Kasatkina. Russian City as a Philosophical Category of Urban Studies // Procedia — Social and Behavioral Sciences, Volume 214, 5 December 2015, Pages 628-634. DOI: 10.1016/j.sbspro.2015.11.769.
2. Конюхов Д.С. Использование подземного пространства учебное пособие для вузов / Москва, 2004.
3. Окольникова Г.Э., Усов Б.А., Курбанмагомедов А.К. Научно-философские аспекты строительного материаловедения // Системные техно-логии. 2016. № 1 (18). С. 39-54.
4. Курбанмагомедов К.Д., Магдиев А.М., Мутаев М.А. Оценка технологической надежности для анализа состояния производственных систем // Системные технологии. 2018. № 3 (28). С. 87-92
5. Аргал Э.С. Современные технологии и проблемы инъекционного закрепления грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2020. № 3. С. 12-18.
6. Kahung Yu, Eddie Chiman Hui. Housing construction and uncertain-ties in a high-rise city. Habitat International, Volume 78, August 2018, Pages 51-67. DOI: 10.1016/j.habitatint.2018.05.011.
7. Усов Б.А., Окольникова Г.Э. Материаловедение и строительные материалы // Системные технологии. 2015. № 4 (17). С. 46-52.
8. Топчий Д.В., Юргайтис А.Ю., Чернигов В.С., Кочурина Е.О. Проведение тензометрического мониторинга за техническим и напряженно-деформированным состоянием подземной части зданий и сооружений в рамках научно-технического сопровождения строительства уникальных объектов // Системные технологии. 2018. № 3 (28). С. 140-148.
9. Аргал Э.С., Королев В.М., Смирнов О.Е., Ашихмен В.А. Некоторые особенности технологии закрепления грунтов «манжетной» инъекцией с использованием микроцемента // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2008. № 1. С. 25-28.
10. Муртазаев С.А.Ю., Нахаев М.Р., Аласханов А.Х. Инъекционное закрепление просадочных грунтов композиционными составами с тонко-дисперсными наполнителями природного и техногенного происхождения(монография)// ФГБОУ ВО «Грозненский государственный нефтяной уни-верситет имени академика М.Д. Миллионщикова», ФГБОУ ВО «Чеченский государственный университет», ФГБУН Комплексный научно-исследовательский институт имени Х.И. Ибрагимова Российской академии наук Академия наук Чеченской Республики. Махачкала, 2017.
11. Харун М.И., Коротеев Д.Д., Окольникова Г.Э. Модифицированный грунт для строительства гражданских сооружений // Системные технологии, 2017. № 2 (23). С. 56-61.
12. Баженова О.Ю., Баженова С.И., Баженов М.И. Исследование некоторых свойств цементов с тонкодисперсной добавкой // Молодой ученый. 2013. № 10. С. 96-97.
13. Kozlova I.V., Bespalov A.E., Zemskova O.V. Modified composition for fixing sandy soils // Materials Science Forum. 2020. Т. 992 MSF. С. 143-148.
14. Fatiha Bouchelaghem. Multi-scale modelling of the permeability evolution of fine sands during cement suspension grouting with filtration// Computers and Geotechnics, Volume 36, Issue 6, July 2009, Pages 1058-1071. DOI: 10.1016/j.compgeo.2009.03.016.
15. F. Bouchelaghem, A. Benhamida, H. Dumontet. Mechanical damage behaviour of an injected sand by periodic homogenization method// Computational Materials Science, Volume 38, Issue 3, January 2007, Pages 473-481. DOI: 10.1016/j.commatsci.2005.12.044.
16. Нахаев М.Р., Муртазаев С.А.Ю., Абуханов А.З., Касумов М.М. Инъекционное закрепление структурно-неустойчивых грунтов специальными составами // В сборнике: Актуальные проблемы совре-
и
Z н
Û -I м
D
CÛ
m ш ш
и *
ш <
< . ■ ■
00 И
0 12 Ï &
< i
у S
« 8
= I § §
1 =
о 1 2s
£ I
. ю
< га
менной строительной науки и образования. Материалы всероссийской научно-практической конференции. 2017. С. 105-109.
17. Самарин Е.Н., Попова А.М., Чернов М.С. Закрепление песчаных грунтов раствором коллоидного кремнезема // Геотехника. 2015. № 5. С. 32-39.
18. Самарин Е.Н., Родькина И.А., Кравченко Н.С. Токсичность инъекционных материалов, используемых при мелиорации грунтов // Экология и промышленность России. 2018. Т. 22. № 10. С. 66-71.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Исрафилов К.А., Харченко И.Я., Алексеев В.А. стабилизация проницаемых грунтов модифицированными инъекционными суспен-зиями на основе коллоидного кремнезёма. — Системные технологии. — 2021. — № 40. — С. 21—26.
STABILIZATION OF PERMEABLE SOILS WITH MODIFIED IN-EQUATION SUS-PENSIONS BASED ON COLLOIDAL SILICA
Israfilov К.А., Kharchenko I.Ya., Alekseev У.А.
National Research Moscow State University of Civil Engineering (NRU MGSU), Moscow
Abstract.
Soil consolidation is an important stage in geotechnical work, in underground construction and development of underground space. Consolidation and strength gain in the volume of the treated soil is most effectively achieved by injection methods, which allow fixing a wide range of soils with a variety of characteristics. However, the issues of the effectiveness of the technology, the optimal selection and consumption of injection mixtures for the tasks set require a comprehensive study. The conducted experimental studies allowed us to fix a number of basic technological techniques for high-quality performance of work. For the parameters of the fixed soil, the possibilities of colloidal mineral compositions were studied, taking into account the dosage of the components of the mineral injection mixture with the assigned technological parameters.
Key words.
Fine binder, colloidal particle, injection, soil strengthening, soil-concrete, mi-crocement, micro-filler, impregnation injection.
Date of receipt in edition: 19.07.21 Date o f acceptance for printing: 22.07.21
