Способ укрепления вертикальных откосов

§ 3. Упрочнение пород

Наибольшее распространение среди методов упрочнения полу­чила цементация. Область ее применения — массив, обладающий удельным водопоглощением.не менее 0,01 л/мин, сложенный поро­дами от сильнотрещиноватых скальных до крупнозернистых пес­ков и галечников.

Наилучший эффект цементации достигается в трещинова­тых породах (песчаниках, глинистых и песчанистых сланцах, из­вестняках, гранитах, гранито-гнейсах, габбро, аргиллитах, алевро­литах и т. д.) при отсутствии в трещинах глинистого заполнения.

Цементация в гидротехническом строительстве применяется не только для создания гидроизоляционных завес в основаниях пло­ тин, но и как метод укрепления породного массива. Посредством _t цементации достигается прочное сопряжение тела плотины с бере­ гом реки и образование надежного упора до заполнения верхнего бьефа. Кроме того, достигается устойчивость откосов над пло­ тиной.

В горном деле цементация издавна известна в основном как средство тампонажа водоносных трещиноватых пород при проходке подземных выработок. В условиях открытых горных работ цемен­тация применяется для упрочнения трещиноватых массивов скаль­ных и полускальных пород, а также для устройства противо-фильтрационных завес.

В зависимости от размеров укрепляемых участков бортов карьеров цементация может быть поверхностной и глубинной. Поверхностная, или, как ее принято называть в гидростроитель­стве, перфораторная, цементация предназначается для укрепления слоя пород до 7 м от поверхности. Основными растворопроводя-щими каналами служат скважины перфораторного бурения; давле­ние нагнетания не превышает при этом 10 кгс/см 2 .

Глубинная цементация применяется для упрочнения больших объемов трещиноватого массива. Цементный раствор подается под большим давлением (15—40 и более кгс/см 2 ) через скважины, пройденные с помощью буровых станков (выбор способа бурения практически не ограничивается).

Цементация ослабленных участков борта отличается от цемен­тации в гидростроительстве как по своему назначению, так и по условиям выполнения. Эти отличия сводятся к следующему:

При цементации участка борта для повышения его устойчи­вости следует избегать образования гидроизоляционной завесы. Необходимо принимать меры для того, чтобы за сцементированным участком не создавались условия для роста гидростатического на­пора подземных вод. В противном случае на укрепленный участок со стороны массива будет действовать гидростатическое давление, что, естественно, снизит эффект укрепления.

Участок борта в предельном положении, подлежащий укреп­лению, не испытывает обычно никаких нагрузок, кроме собствен­ного веса пород. Это также отличает назначение цементации на карьерах от укрепления примыканий в створе плотины. Для усло­вий карьера достаточно инъецированием укрепляющих растворов обеспечить устойчивость откоса в пределах ослабленного участка под углом, равным углу откоса смежных участков борта, не подле­жащих укреплению. Для этой цели не требуется того качества цементации, какое регламентировано в гидротехническом строи­тельстве. Достаточно частичного заполнения трещин цементом для увеличения сцепления по контактам блоков.

Эти особенности укрепительной цементации на карьерах позво­ляют упростить ее технологию по сравнению с общепринятыми техническими условиями и нормами.

Нагнетание цементного раствора производится через веер сква­жин диаметром 50—200 мм, пробуренных с верхней площадки уступа или же с поверхности откоса (рис. 11.12). После нагнетания цементного раствора в скважины вводится металлическая арма­тура. Это усиливает эффект укрепления.

Силикатизация повышает прочность и водонепроницае­мость укрепляемых рыхлых пород.

Принцип силикатизации заключается в том, что при обработке песчаных пород силикатным раствором они приобретают повышен­ную механическую прочность, водонепроницаемость и водо­устойчивость.

Применяют двухрастворную и однорастворную силикатизацию.

Двухрастворная силикатизация применяется для упрочнения крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации 2—80 м/сут. Она заключается в последовательном нагнетании растворов силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция.

Рис. 11.12. Схемы расположения цементаци­онных скважин: / — зона цементации

Для упрочнения мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5—5,0 м/сут, а также лёссовых пород с коэффициен­том фильтрации 0,1—2,0 м/сут применяется однорастворная сили­катизация, заключающаяся в одновременном нагнетании в породы растворов жидкого стекла и фосфорной кислоты или растворов жидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Эффективность упрочнения пород способом силикатизации обу­словлена рН грунтовых вод. При двухрастворной силикатизации грунтовые воды должны иметь рН менее 9, а при однораствор-

За последние годы в Советском Союзе и за рубежом разрабо­тан способ укрепления пород электросиликатизацией, основанный на одновременном воздействии на породы силикатизации и электро­химической обработки (электроосмоса). Многие исследователи полагают, что электросиликатизация даст хорошие результаты при укреплении обводненных глинистых пород.

Опытное и теоретическое изучение электроосмоса, проведенное А. В. Нетушилом, Б. А. Ржаницыным, Г. М. Ломизе, Л. И. Курден-. ковым и другими исследователями, позволило сделать вывод о тех­нической возможности использования указанного явления для

изменения режима фильтрации воды в малопроницаемых песчаных и глинистых породах и частичного уплотнения их путем физико-химических процессов, протекающих в породах при пропускании через них постоянного электрического тока.

Дальнейшим усовершенствованием электроосмотического воз­действия на водоносные породы явился электрохимический способ укрепления, основанный на одновременном воздействии на породы постоянного электрического тока и различных добавок, вызываю­щих химические реакции, вследствие которых происходит упроч­нение пород. При электрохимическом способе упрочнение горных пород происходит под воздействием следующих процессов:

электроосмоса, в результате которого происходит перемеще­ние воды от положительного электрода к отрицательному; при этом вода от отрицательного электрода откачивается насосами;

реакций обмена, при которых в поглощающем комплексе пород натрий и калий замещаются водородом, алюминием или железом; коагуляция коллоидной фракции уплотняет породы;

3) структурообразования, являющегося результатом выпаде­ ния гидратов окиси металлов (алюминия, железа) и кальция в порах и трещинах пород. В результате этого происходит цемента­ ция последних.

Все эти процессы происходят одновременно и во взаимосвязи между собой.

Проф. Г. М. Ломизе и А. В. Нетушил разработали классифика­цию характерных геологических и гидрогеологических условий, в которых целесообразно применять электроосмотическое водо-понижение. Данную классификацию указанные авторы выразили в виде трех основных схем геологических условий:

Массив состоит из однородной толщи глинистых пород или же ряда глинистых слоев с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут и менее при условии, что породы находятся в пластичном или теку­чем состоянии.

Толща пород представлена в виде двух горизонтов, верхним из которых являются глинистые с небольшим коэффициентом фильтрации, а нижним — песчаные или песчано-гравелистые породы.

Массив пород состоит из большого числа чередующихся мало­проницаемых глинистых и песчаных слоев с различным грануло­метрическим составом, причем коэффициент фильтрации глинистых пород не превышает 0,1 м/сут, а также когда в песчаных породах, в виде линз больших размеров, встречаются глинистые породы.

Отечественный и зарубежный опыт применения электрохими­ческого способа укрепления пород показывает, что кроме пониже­ния уровня грунтовых вод и уплотнения пород этот способ придает породам водоустойчивость и повышает их механическую прочность. Электроосмос и электрохимическое укрепление в определенных условиях могут найти применение для борьбы с оползневыми яв­лениями на карьерах.

Особый интерес как укрепляющие растворы представляют раз­личные виды синтетических смол (смолизация).

Работы по изысканию способов укрепления горных пород с по­мощью синтетических смол широко ведутся как за рубежом, так и в Советском Союзе. Испытываются эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, карбамидные, мочевино-формальдегидные и меламино-мочевино-формальдегидные смолы.

В условиях открытых горных работ наиболее целесообразно применение эпоксидных и карбамидных смол. Это сравнительно недорогие и недефицитные материалы, обладающие при затверде­вании высокими физико-механическими характеристиками.

Применение способа смолизации для укрепления мелкотрещи­новатых скальных, полускальных и песчаных пород позволяет улуч­шить их физико-механические свойства. Предел прочности укреп­ленных пород на сжатие повышается до 50 кгс/см 2 в зависимости от концентрации смолы, отвердителей и их объемного соотноше­ния в растворе, пылеватые породы становятся водонепроницае­мыми. Укрепление возможно в сложных гидрогеологических усло­виях, в которых другие способы неприменимы или дают неудовле­творительные результаты.

Основным преимуществом укрепляющих растворов является их повышенная проникающая способность. Растворы на основе акрил-амида обладают вязкостью, мало отличающейся от вязкости воды. В горной промышленности США широко применяется тампонаж-ный материал АМ9, а в Японии разработан подобный же мате­риал сумисойл. В отечественной практике для укрепления песча­ных оснований в промышленном строительстве используется кар-бамидная смола крепитель М. Разработано несколько рецептов-растворов на основе мочевино-формальдегидных смол типа МФ-17 и др.

Синтетические смолы упрочняют тонкозернистые обводненные пески и мелкотрещиноватые горные породы, а также возводят непроницаемые противофильтрационные завесы. Исследователь­ские работы в этой области ведутся в ИГД им. А. А. Скочинского. Наряду с опытами по упрочнению пород при проходке горных выработок, был укреплен участок песчаного уступа на буроуголь-ном разрезе Александрийского комбината.

Термический способ укрепления горных пород приме­няется для: а) укрепления просадочных глинистых и лёссовых пород оснований при строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений; б) ликвидации аварийного состояния зданий и сооружений в результате неравномерных осадок; в) борьбы с оползневыми явлениями при строительстве каналов, дорог, гидро­станций, карьеров и т. д.

Институтом ЮжНИИ разработано два способа производства термического укрепления пород.

Первый способ заключается в нагнетании под давлением в по­роды через жароупорные трубы и скважины горячего воздуха,

предварительно нагретого до температуры 600—800° в экономай­зерах. Нагретый воздух компрессором нагнетается по термоизоля­ционному трубопроводу и через герметический-затвор в скважину. Горячий воздух, проникая через трещины и поры в породе, обжи­гает их, создавая вокруг скважины укрепленную зону в виде цилиндра диаметром 2—3 м.

Сущность второго способа заключается в термической или тер­мохимической обработке пород горячими газообразными продук­тами горения, обогащаемыми при необходимости химическими добавками. В этом случае горючее (жидкое или газообразное) с помощью насосной установки подается к форсунке, установлен­ной в затворе скважины. Одновременно с подачей горючего, ком­прессором к форсунке подается сжатый воздух, необходимый для увеличения степени проникновения горючих газов в породы.

При работах по укреплению пород в скважине избыточное дав­ление должно быть в пределах 0,25—0,5 кгс/см 2 для- усиления ин­фильтрации раскаленных газов в породы, что достигается путем нагнетания в скважину холодного воздуха под давлением. Для поддержания избыточного давления устье скважины тщательно герметизируют и уменьшают газопроницаемость верхней зоны пород.

При термическом способе укрепления слабых пород скважины могут располагаться вертикально, горизонтально, наклонно или комбинированно, что определяется конкретными условиями укреп­ляемого участка и характером залегания пород. Для термического укрепления применяются скважины диаметром 150—220 мм. Рас­стояние между ними устанавливается в зависимости от конфигу­рации и размеров участка. Опытными работами установлено, что расстояние между скважинами можно принимать около 2—2,5 м, ибо практика укрепления неустойчивых лёссовых и глинистых по­род показала, что радиус укрепления одной скважины состав­ляет 1—1,5 м.

Интересен способ укрепления откосов пород, способных уплот­няться (глины, суглинки, лёссы), путем уплотнения взрывом, раз­рабатываемый институтом ВИОГЁМ. Опытные работы были выполнены на Михайловском карьере КМА [9]. Для укрепления участка уступа бурится ряд скважин на расстоянии 2—-3 м друг от друга и производится прострелка каждой скважины неболь­шими камуфлетными взрывами. При взрывании образуется котел, а породы в зоне, прилегающей к стенкам скважины, уплотняются, что повышает их механическую прочность и устойчивость. Для более полного и эффективного использования скважин в последние после взрыва опускают металлическую арматуру (например, рельсы и другой прокат черных металлов) и заполняют скважины бетоном (рис. 11.13).

В результате вокруг каждой скважины образуется зона уплот­ненных пород, что при правильном выборе расстояния между сква-

жинами в ряду позволит избежать «обтекания» упрочненных зон породой и обеспечит устойчивость откоса.

Данный метод требует дополнительной проверки в производст­венных условиях, однако уже сейчас есть основания считать, что его внедрение в определенных горно-геологических условиях может оказаться весьма эффективным.

Рис. 11.13. Полости, образован- Рис. 11.14. Схема расположе­ ние камуфлетными взрывами, ния скважин для разрушения заполненные бетоном (по дан- слабого слоя и перемешивания ным П. А. Власова): пород:

/ — скважины: 2 — заполненные бе- / — слабый прослой; 2 —скважины;

тоном полости 3 — зона разрушенных пород

Известен и другой вариант использования энергии взрыва. Если имеется контакт слабых и крепких пород, сцепление и трение по которому незначительны, при увлажнении таких контактов часто возникают покровные оползни. Стабилизировать такой оползень можно путем разрушения взрывом и перемешивания пород, зале­гающих в ослабленной зоне. Этим способом ликвидирован опол­зень на Златоуст-Беловском карьере [29]. Эффект укрепления мож­но повысить путем нагнетания укрепляющих растворов в раздроб­ленную зону (рис. 11.14).