5. 4. Оценка устойчивости закрепленных грунтов в условиях техногенного обводнения

Среди современных приемов управления качеством геологической среды, защиты или предупреждения техногенных поражений отдельных ее участков выделяются физико-химические методы технической мелиорации грунтов. Их использование обеспечивает высокий уровень преобразования грунтов и значительное улучшение их физико-механических свойств. Для повышения устойчивости сооружений, предотвращения неравномерных осадок, ликвидации просадочных свойств лессовых грунтов и повышения их несущей способности достаточно известным является метод силикатизации.

В последнее время для большинства промышленно-урбанизированных территорий наблюдается проявление и активизация процесса техногенного обводнения. В условиях подтопления изменяются физико-механические свойства природных и техногенных грунтов.

Исследования проводились на четырех лессовых грунтах, отобранных в г. Алма-Ата. Грунт №1 – средний лессовидный суглинок характеризуется высокой емкостью поглощения в щелочной среде – 27,3 мг-экв. на 100 г грунта, содержанием карбонатов - 13,2%, содержанием водорастворимых солей - 0,854%. Грунт №2 – средний лессовидный суглинок, содержание карбонатов - 14%, плотный остаток - 0,383%, емкость поглощения в щелочной среде – 17,0 мг-экв. Грунт №3 – средний лессовидный суглинок отличается повышенным значением сухого остатка – 1,142%, высокой емкостью поглощения – 23,0 мг-экв., содержанием 13% карбонатов. Грунт №4 – тяжелый лессовидный суглинок характеризуется низким значением сухого остатка – 0,083%, повышенным содержанием карбонатов – 22%, величиной емкости поглощения в щелочной среде равной 19,0 мг-экв. на 100 г грунта. Из грунтов готовились образцы нарушенного сложения по общепринятой методике. Образцы закреплялись (методом капиллярного пропитывания) раствором силиката натрия плотностью 1,13 г/см³ и персульфатсиликатным раствором плотностью 1,135 г/см³ с силикатным модулем 2,87 и 3,76 соответственно. Перед началом испытаний образцы выдерживались в течение 3 суток в воздушно-влажной среде, а затем помещались в воду на длительные сроки. Устойчивость силикатированных грунтов определялась в более жестких условиях по сравнению с природными. Объем контактирующего раствора превышал объем образцов в 3-3,5 раза. Основными критериями оценки устойчивости закрепленных образцов в водонасыщенных условиях являлась прочность на сжатие и количество выщелачивающихся компонентов – щелочи и кремниевой кислоты.

Исследования показали, что при хранении образцов в воде в течение длительного времени в контактирующий раствор выщелачиваются не вступившие в реакцию щелочь (Na₂O) и кремниевая кислота (SiO₂). В результате выноса щелочи контактирующий раствор приобретает щелочную реакцию. Следовательно, образцы подвергаются более жесткому испытанию в условиях, способствующих деполимеризации геля кремниевой кислоты.

Сопоставление результатов закрепления грунтов раствором силиката натрия показало, что относительно большей прочностью и количеством выщелачивающихся щелочи и кремниевой кислоты (на всех сроках испытания) отличаются грунты № 1 и 3. Их прочность, после хранения в щелочных условиях (pH=9,7-10) в течение 360 сут, достигала 0,18 МПа и 0,38 МПа, а количество поступивших в контактирующий раствор щелочи и кремниевой кислоты составляло 0,08-0,09 г и 0,12-0,18 г соответственно. Степень полимеризации кремниевой кислоты составляет 57-66%. Образцы, приготовленные из грунта №2, уже через 90 сут полностью теряют прочность и разрушаются. Снижение прочности сопровождается повышением содержания ионов Na₂O и SiO₂ в контактирующем растворе_, что свидетельствует о протекающих процессах деполимеризации геля кремневой кислоты. Для всех исследованных грунтов, закрепленных некоагулирующим раствором силиката натрия, отмечается потеря прочности на 50-75%, а снижение степени полимеризации кремниевой кислоты составляет 25-40%.

Грунты, закрепленные персульфатсиликатным раствором, характеризуются повышенными значениями прочности - 0,40 МПа, минимальным содержанием воднорастворимых Na₂O и SiO₂ в образцах - 0,11 и 0,13 г на 100 грунта, высокими значениями степени полимеризации кремневой кислоты - 80-85 %. При длительном хранении закрепленных образцов в воде, в контактирующий раствор выносится небольшое количество щелочи – 0,03–0,05 г и кремниевой кислоты - 0,04-0,09 г на 100 мл раствора. Присутствие щелочей в таких концентрациях создает слабощелочную реакцию среды, и значение pH контактирующего с грунтами раствора не превышает 8,2-8,7. Применение коагулирующего раствора для закрепления грунтов обеспечивает их устойчивость в агрессивных средах. В большинстве случаев потеря прочности образцов в условиях обводнения не превышает 30%, а степень полимеризации кремниевой кислоты снижается на 15-20%. Прочность лессовидных суглинков с низкой физико-химической активностью (грунты №2 и 4), закрепленных коагулирующим раствором, в 3-12 раз превышает прочность грунтов, закрепленных силикатом натрия. В то же время для физико-химически активных грунтов (грунты № 1 и 2) прочность закрепленных образцов только в 1,5-2 раза выше по сравнению с обычной однорастворной силикатизацией.

Через 12 месяцев после инъецирования, установлено, что в массиве, закрепленном силикатом натрия, проявляется некоторое снижение показателей физико-механических свойств. Прочность на сжатие уменьшается на 0,2 МПа, а модуль компрессионной деформации – в 2 раза по сравнению с такими показателями образцов, выдержанных в течение месяца после закрепления. Определено, что через год после закрепления гель кремнекислоты проявляет склонность к деполимеризации. Содержание водорастворимой щелочи в образцах возрастает в 2 раза, а степень полимеризации уменьшается на 17 %. В массивах, закрепленных персульфатсиликатным раствором, прочность снижается на 0,05-0,1 МПа. Содержание щелочи и водорастворимой кремниевой кислоты в грунте составляет около 0,05 %. Степень ее полимеризации снижается на 4-5 %.

Проведенные в натурных условиях исследования показали высокую эффективность метода силикатизации и устойчивость закрепленных грунтов во времени. Закрепленные силикатными растворами грунты отличаются достаточно высокой прочностью и устойчивостью в условиях техногенного обводнения. Эффективность используемых растворов определяется составом и физико-химической активностью грунтов.