ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ И ЛЁССОВЫХ ГРУНТОВ

МОСКВА СТРОЯИЗДАТ 1973

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение .................... 3

1.    Общие положения................. 5

2.    Материалы................... 6

3.    Изыскательские работы.............. 7

4.    Лабораторные исследования грунтов и материалов ....    9

5.    Состав проекта.................. 9

Основные указания по проектированию ........ Ю

6.    Оборудование................. 13

7.    Производство работ............... 19

Погружение и извлечение инъекторов......... 19

Нагнетание реагентов............... 20

Вспомогательные работы.............. 21

8.    Техника безопасности............... 21

9.    Контроль качества и документация.......... 23

Приложения 1—7................. 25

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРУНТОВ И МАТЕРИАЛОВ

Для установления возможности закрепления и определения необходимых для проектирования данных в лабораторных условиях проводятся следующие испытания:

4.1.    Определение водопроницаемости песка, лёсса и закрепленного грунта (см.прил. 1).

4.2.    Определение гранулометрического состава по ГОСТ 12536-67.

4.3.    Определение пористости.

4.4.    Определение pH грунта и грунтовой воды.

4.5.    Определение карбонатов (см. прил. 2).

4.6.    Определение модуля раствора силиката натрия (см. прил. 3).

4.7.    Испытание грунтов на закрепляемость (см. прил. 4).

5. СОСТАВ ПРОЕКТА

5.1. Проект производства работ по закреплению грунтов составляется на основании следующих материалов: инженерно-геологических исследований строительной площадки;

технических данных о зданиях и сооружениях, о расположении подземных коммуникаций (водопровод, канализация, кабельная сеть, газопроводы и др.);

результатов лабораторных и опытно-производственных работ по закреплению грунтов.

5.2. Проект газовой силикатизации грунтов должен содержать:

план расположения инъекторов; разрезы по отдельным сечениям с указанием направления забивки инъекторов, глубин их погружения, количества заходок и расположения их по глубине;

данные об объеме работ по закреплению грунтов и о контрольных выработках;

данные о количестве химических реагентов на одну заходку и на весь закрепляемый массиъ; указания по режиму нагнетания;

требования к силикатизированному грунту — прочность, монолитность, водоустойчивость, водонепроницаемость, непросадочность; схему организации работ (порядок нагнетания реа-

гентов, количество одновременно работающих инъекто-ров, перечень и характеристика оборудования, указания по монтажу, а также потребность в рабочей силе и основных материалах);

пояснительную записку, содержащую указания по технологии производства работ и контролю качества закрепления;

смету, калькуляцию и единичные расценки; календарный план.

Основные указания по проектированию

5.3. Радиус закрепления грунта от одного инъектора назначается в зависимости от коэффициента фильтрации по табл. 3.

Таблица 3

Грунты	Коэффициент фильтрации в м/сут	Радиус закрепле-рия в м
Средние и мелкие пески	20—5	1—0,8
	5—1	0,8—0,5
	1—0,5	0.5—0,3
Лёссовые грунты	2—1	1,0—0,9
	1—0,5	0,9—0,6
	0,5—0,1	0,6—0,3

5.4.    Для сплошного закрепления массива грунта инъ-екторы располагаются в шахматном порядке. Расстояние между рядами инъекторов d определяется по формуле

d = 1,5г,    (2)

а расстояние между инъекторами в ряду по формуле

d—\ ,73г,    (3)

где г—радиус закрепления от одного инъектора.

5.5.    Глубина, объем и конфигурация закрепления назначаются на основании оценки инженерно-геологических условий площадки, величин и характера нагрузки.

5.6.    Для предотвращения выбивания раствора с поверхности оставляется защитный слой грунта толщиной не менее 1,5 м.

5.7.    Нагнетание реагентов в грунт производится за-

ходками. Величина одной заходки равна длине перфорированной части инъектора плюс 0,5 радиуса закрепления.

5.8.    В однородных по водопроницаемости грунтах нагнетание производится заходками сверху вниз. Если коэффициент фильтрации с глубиной увеличивается, то закрепление производится снизу вверх.

В неоднородных грунтах с частой слоистостью (в песках), отличающихся по водопроницаемости более чем на один порядок, нагнетание реагентов производят раздельно по слоям; слой грунта с большей водопроницаемостью закрепляется в первую очередь.

5.9.    Перерыв во времени между нагнетанием углекислого газа для предварительной активизации грунта и силикатного раствора должен быть не более 30 мин.

5.10.    Перерывы во времени между нагнетанием силикатного раствора и углекислого газа не должны превышать значений, указанных в табл. 4.

Таблица 4

Грунт Скорость грунтовых вод в м/сут Перерыв в часах Пески 0-0,5 0,5—5 1 0,5 Лёссы - 0,5

5.11.    Количество силикатного раствора рабочей концентрации Q_p, необходимое для закрепления грунта через одну заходку, определяется по формуле

Q_p = лгНпа,    (4)

где Q_p — объем силикатного раствора рабочей концентрации в л; г — радиус закрепления в м\

I — длина заходки в м; п — пористость грунта в %;

а — коэффициент, равный для песка 7, для плывунов 8, для лёссов 6.

5.12.    Количество концентрированного силикатного раствора Q_K, необходимое для закрепления грунта через заходку, определяется по формуле ¹

Q_K - пгЧАт,    (5)

где А—расход концентрированного силикатного раствора на 1 м³ грунта в л приводится в (прил. 7) в зависимости от вида и пористости закрепляемого грунта и плотности рабочего раствора;

т — коэффициент, (см³)-¹.

5.13.    Количество углекислого газа Б в (кг), необходимое для предварительной активизации грунта, рассчитывается по формуле (6), для отверждения силикатного раствора в порах грунтов — по формуле (7)

Б = Vncp;    (6)

Б = VnBp,    (7)

где V — объем закрепляемого грунта в м³; п—пористость грунта в %;

р — плотность углекислого газа, равная 1,98 кг/м³; с— коэффициент, равный 0,025;

Б—коэффициент, равный для песка 0,08, для плывунов 0,1, для лёсса 0,04.

5.14.    Давление при нагнетании раствора силиката натрия должно быть менее предельного, при котором могут возникнуть разрывы закрепляемого пласта и прорывы раствора за пределы закрепляемого контура.

ления нагнетания раствора указаны в табл. 5.	силиката натрия по глубине Таблица 5
Глубина от поверхности в м	Максимальное давление в атм
2—4	3—5
4—10	5—7

В песчаных грунтах ориентировочные величины дав-

В лёссах величина давления нагнетания жидкого стекла не должна превышать 5 атм.

5.15. Давление при нагнетании газа для активизации песка должно быть не более 1,5—2,0 атм, а при закачке газа для отверждения силикатного раствора — не более

12

величины давления при нагнетании силикатного раствора.

5.16.    Нагнетание углекислого газа в лёссовые грунты производится под давлением, не превышающим давление при нагнетании силикатного раствора, и не должно быть выше 2 атм.

5.17.    Прочность закрепленного грунта назначается при проектировании, причем она должна быть не выше величин, указанных в табл. 6.

Таблица 6

Коэффициент фильтрации в м/сут	Предел прочности при сжатии через одни сутки в кгс/см*
Средние и мелкие пески:
20-5	8-12
5—0,5	12—15
Лёссовые грунты:
>0,1	8—12

6. ОБОРУДОВАНИЕ

6.1. Для газовой силикатизации грунтов используются:

инъекторы;

пневматические молотки и бетоноломы для забивки инъекторов;

гидравлические домкраты грузоподъемностью 5—Ют или шарнирный станок конструкции А. Г. Медведева грузоподъемностью 10 т (см. рис. 5) для извлечения инъекторов из грунта;

шнековый станок БСН-241 для бурения скважин; насосы и пневматические установки для нагнетания раствора в грунт;

баллоны с сжатым углекислым газом, снабженные редукторами;

рычажные весы для контроля за расходом потребляемого углекислого газа.

шланги, соединительные части, краны; контрольно-измерительная аппаратура (манометры, термометры, ареометры);

емкости для приготовления и хранения растворов; компрессор производительностью не менее 1 м³/мин и давлением 5—6 атм.

13

6.2. Для газовой силикатизации грунтов могут быть использованы инъекторы различных типов и конструкций:

а)

		1
50 л		50 %	SOI

Резиновое кольцо / толщиной 1,5 '2,0

4№Ш

Ниппель N1    Наконеяни к    N2

Pise. 1. Инъектор

а — с резиновыми клапанами в отверстиях; б —с резиновыми кольцами в па^ах

и

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ И ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1973

Рекомендации по газовой силикатизации песчаных и лёссовых грунтов. М., Стройиздат, 1973.

32 с. (Науч.-исслед. ин-т оснований и подземных сооружений Госстроя СССР).

В Рекомендациях изложен способ газовой силикатизации для закрепления песчаных и лёссовых грунтов. В результате газовой силикатизации грунт приобретает достаточно высокую прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость. Способ газовой силикатизации предназначается для усиления грунтов основания, для проходки горных выработок в песчаных грунтах и создания протнво-фильтрационных завес в аллювиальных отложениях.

«Рекомендации по газовой силикатизации песчаных и лёссовых грунтов» разработаны НИИ основании и подземных сооружений Госстроя СССР (д-р техн. наук В. Е. Соколович, ст. науч. сотр.

М. Н. Ибрагимов и мл. науч. сотр. И. Б. Вебер).

В разработке способа газовой силикатизации лёссовых грунтов принимали участие аспиранты В. А. Губкин и А. И. Халикулов.

Замечания и предложения направлять по адресу: Москва, 109389, 2-я Институтская ул., 6, НИИ оснований и подземных сооружений, лаборатория закрепления грунтов.

Табл. 7

(О Стройиздат, 1973

0324-563

•р - Инструкт.-нормат.,    1 вып. — 18-73

047(01)-73

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИ Я ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЯ И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЯ ГОССТРОЯ СССР РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГАЗОВОЙ СИЛИКАТИЗАЦИИ ПЕСЧАНЫХ И ЛЕССОВЫХ ГРУНТОВ

Редактор издательства Е. А. Мельникова Технический редактор Т. В. Кузнецова Корректор Е. Н. Кудрявцева

Сдано в набор 18/V 1973 г.    Подписано    к    печати    27/VII    1973 г. Т-09553

Формат 84ХЮ8¹/«- Ьумага типографская St 2. 1,68 уел. печ. л. (уч.-изд. 1,75 л.) Тираж 12 000 экз. Изд. St XI1-4182. Зак. St 438. Цена 9 коп.

Стройиздат 103777. Москва. Кузнецкий мост. 9

Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающий объем работ по химическому закреплению слабых песчаных и просадочных лёссовых грунтов сопряжен с необходимостью изыскания и разработки новых, более совершенных и экономичных способов закрепления.

В результате проведенных исследований в НИИ оснований и подземных сооружений Госстроя СССР в течение 1968—1971 гг. были разработаны новые глубинные способы химического закрепления песчаных и лёссовых грунтов с помощью газовой силикатизации.

Способ газовой силикатизации обеспечивает быстрое и эффективное закрепление грунтов при меньшем расходе раствора силиката натрия по сравнению с обычной силикатизацией.

В мировой практике были известны способы химического закрепления грунтов, в которых введенный в поры грунта раствор силиката натрия отверждался последующим нагнетанием углекислого газа.

В отличие от известных способов закрепления грунтов растворами силиката натрия с последующим отверждением их углекислым газом настоящий способ газовой силикатизации разрабатывался в направлении повышения его эффективности за счет активизации закрепляемого грунта обработкой его углекислым газом. Способ газовой силикатизации впервые применен также для закрепления лёссовых грунтов.

Предлагаемый способ газовой силикатизации состоит в том, что в грунт, подлежащий закреплению, через забитые в него инъекторы или пробуренные и специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для предварительной активизации грунта, затем нагнетается раствор силиката натрия и, наконец, вторично углекислый газ для отверждения раствора силиката натрия. Грунты приобретают прочность, водоустойчивость и водонепроницаемость.

3

В процессе предварительной активизации карбонатных песков и карбонатных лёссовых грунтов углекислым газом на поверхности карбонатных частиц образуется слой бикарбоната кальция, который частично отверждает раствор силиката натрия.

Окончательное отверждение раствора силиката натрия осуществляется при повторном нагнетании углекислого газа. Прочность закрепления карбонатных песков при предварительной их обработке углекислым газом повышается на 30—50%.

При предварительной обработке углекислым газом бескарбонатных песчаных грунтов достигается подкисление пленочной или норовой воды, что также способствует более полному отверждению раствора силиката натрия. В этом случае прочность закрепления песка повышается на 20—25%.

При предварительной активизации закрепляемых грунтов происходит замещение воздуха на углекислый газ в трехфазной системе грунта. Это обстоятельство обеспечивает более равномерное распределение в грунтах нагнетаемого раствора и его проникание в поры микроагрегатов лёссовых грунтов за счет вакуумирования, возникающего вследствие активного поглощения раствором силиката натрия угольной кислоты.

Процесс самовакуумирования приводит к образованию системы пленок, замыкающих поровое пространство закрепляемого грунта, вследствие чего при неполном заполнении пор грунта обеспечивается высокая водонепроницаемость.

При обычной силикатизации лёссовых грунтов активными компонентами, содержащимися в лёссе, отверждается около 30—50% введенного в грунт раствора силиката натрия.

Неотвержденный раствор силиката натрия может вымываться грунтовыми водами. По лабораторным данным, при полном выщелачивании свободного раствора силиката натрия из закрепленного грунта происходит ослабление цементирующего геля кремневой кислоты, вследствие чего прочность закрепления может снизиться до 30% первоначальной.

С помощью газовой силикатизации решается вопрос интенсификации процесса силикатизации лёссовых грунтов и улучшения технологии силикатизации за счет перемещения и более полного отверждения силикатного

раствора с достижением большего объема закрепления. Кроме того, как показали лабораторные и полевые исследования, способом газовой силикатизации с предварительной активизацией грунта можно закреплять лёссовые сильновлажные грунты, для которых обычная силикатизация не пригодна.

Важным преимуществом способа газовой силикатизации является отсутствие токсичных компонентов, что позволяет проводить работы в горных выработках и в закрытых помещениях.

Способ газовой силикатизации в 2—3 раза экономичнее способа смолизации, широко применяемого для закрепления грунтов, и успешно применялся для усиления слабых грунтов в основании существующих зданий и сооружений на ряде объектов.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Способ газовой силикатизации применяется:

для закрепления бескарбонатных и карбонатных песчаных грунтов с неограниченным содержанием карбонатов с различной степенью влажности O^G^l, с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут;

для закрепления лёссовых грунтов со степенью влажности не выше 0,75, с коэффициентом фильтрации не ниже 0,1 м/сут;

для закрепления загипсованных грунтов с неограниченным содержанием гипса, с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 20 м/сут.

1.2.    Способ газовой силикатизации применим для грунтов различного химико-минералогического состава, за исключением грунтов, насыщенных производственными щелочными сточными водами со значением рН>10.

1.3.    Способ газовой силикатизации грунтов может использоваться:

для повышения несущей способности слабых грунтов, залегающих в основании строящихся или существующих сооружений;

для проходки горных выработок;

для придания грунтам водонепроницаемости при создании противофильтрационных завес в основании гидротехнических сооружений.

5

Работы по закреплению грунтов способом газовой силикатизации производятся по проекту, составленному в соответствии с главой 5 настоящих Рекомендаций.

2. МАТЕРИАЛЫ

2.1.    При газовой силикатизации песков и лёссов применяются раствор силиката натрия (ЫагО nSiCb) определенного модуля и концентрации и углекислый газ в баллонах.

2.2.    Силикат натрия либо доставляется к месту работ в виде раствора плотностью 1,4—1,5 г/сж³, либо приготавливается на месте путем разварки силикат-глыбы в автоклавах или силикаторазварках.

2.3.    В зависимости от исходных материалов силикат натрия выпускается содовый и содово-сульфатный.

2.4.    Раствор силиката натрия — жидкое стекло должно отвечать требованиям ГОСТ 13078-67*. По физикохимическим показателям жидкое стекло должно соответствовать нормам, указанным в табл. 1.

Нормы для силиката натрия
содовое		содово-сульфатное
Г устая жидкость желтого или серого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом 31-33		Густая жидкость от желтого до коричневого цвета без механических включений, видимых невооруженным глазом 28,5-29,5
0,25		0,4
0,2		0,25
0,06		0,4
10—12		10—11
2,65—3,4 1,36—1,5		2,65-3,4 1,43-1,5

Таблица 1

Показатели

Внешний вид

Содержание кремнезема в %

Содержание окиси железа и окиси алюминия в %, не более Содержание окиси кальция в %, не более Содержание серного ангидрида в пересчете на серу в %, не более Содержание окиси натрия в %

Силикатный модуль² Плотность в г/см³

2.5.    Для закрепления грунтов применяют растворы силиката натрия с силикатным модулем не ниже 2,65.

2.6.    Для закрепления песков методом газовой силикатизации в зависимости от их проницаемости рекомендуется применять растворы силиката натрия следующих концентраций (по плотности) (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициент фильтрации песка в м/сут	Плотность раствора силиката натрия {г/см') при модуле
	2,6-3	3,0—3,5
0.5—1	1,19	1,15
1—5	1,25	1,19
5—20	1,3	1,25

2.7.    При закреплении лёссовых грунтов методом газовой силикатизации в зависимости от требований к прочности, предъявляемых проектом, применяются растворы силиката натрия плотностью 1,09—1,15 г/см³.

2.8.    Количество исходного концентрированного раствора силиката натрия Qk, необходимое для приготовления заданного объема раствора рабочей концентрации, определяется по формуле

<•>

где Q —объем раствора силиката натрия рабочей концентрации в л;

6_К—плотность концентрированного раствора силиката натрия в кг/л; б_р — плотность раствора силиката натрия рабочей концентрации в кг/л.

После разведения жидкого стекла необходимо проверить его концентрацию ареометром.

2.9.    При разведении жидкого стекла в растворах образуется взвесь, поэтому перед нагнетанием в мелкие пески и лёссы рекомендуется раствор отстаивать до осаждения взвеси.

3. ИЗЫСКАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ

3.1. Изыскательские работы производятся для получения материалов об инженерно-геологическом строении и гидрогеологических условиях строительного участка.

7

необходимых для составления проекта закрепления грунтов. В состав изыскательских работ входят и опытные работы по закреплению грунтов.

3.2 Инженерно-геологические и гидрогеологические исследования производят бурением скважин или проходкой шурфов, с отбором проб в количестве 1—2 кг основных разновидностей грунта и грунтовой воды в объеме 0,5 л.

В песках отбирают образцы нарушенной структуры, в лёссах — ненарушенной структуры естественной влажности, для чего образцы-монолиты сразу же после отбора парафинируют и отправляют в лабораторию для испытаний.

3.3.    Количество скважин и шурфов и их расположение на площадке назначают в зависимости от сложности геологического строения и размеров сооружения. Расстояние между разведочными выработками должно быть не более 15м.

3.4.    На участках, представленных мелкими пылеватыми песками, производится пробная закачка воды через инъекторы, забитые в нескольких точках, для предварительной оценки водопроницаемости.

3.5.    Опытные работы по закреплению грунтов осуществляются путем нагнетания закрепляющих реагентов через инъекторы, забитые в двух-трех точках.

Через сутки после нагнетания производится проходка шурфа или бурение скважин и отбор закрепленного грунта. Отобранные образцы испытывают в лаборатории на прочность при сжатии и при необходимости определяют водопроницаемость.

Определение прочности при сжатии производится на гидравлическом прессе путем раздавливания образцов со скоростью загружения 0,1 кгс/см²-сек.

3.6.    Данные инженерно-геологического обследования и опытного закрепления грунтов должны содержать:

план площадки в масштабе 1 :200 с нанесенными контурами сооружения и точками разведочных выработок;

каталог выработок с указанием глубин;

чертежи колонок по отдельным выработкам;

инженерно-геологические продольные и поперечные профили в масштабе 1:100 (вертикальный) и 1:200 (горизонтальный) ;

таблицы и графики с результатами исследований грунтов и полевых испытаний на закрепляемость.

1

2

Силикатным модулем называется отношение числа грамм-молекул кремнезема (SiO_:) к числу грамм-молекул окиси натрия (Na₂0).