Кольматация грунтов

На использовании механической и физической поглотительной способности грунтов основан метод понижения их водопроницаемости, известный под названием кольматации грунтов. Способ кольматации состоит в нагнетании под давлением в породу через систему скважин глинистого раствора удельным весом 1,2-1,4. С целью отжима воды из раствора и ускорения и ускорения оседания глинистых частиц к раствору прибавляют коагуляторы и увеличивают давление при нагнетании. При повышении давления до 30 кг/см2 и более вода отжимается от глинистого раствора, происходит опресовка глинистого материала в трещинах и пустотах. Кольматация без использования цемента не повышает механическую прочность грунта, а только изменяет проницаемость пород. Процесс кольматации широко протекает в природе и легко может быть воспроизведен человеком, когда возникает необходимость уменьшения фильтрационной способности грунтов, в которых создаются гидротехнические сооружения. При помощи глинистых растворов могут быть закольматированы галечниковые, песчаные и супесчаные грунты, имеющие значительную водопроницаемость.

Кольматация песков представляет собой совокупность физического и механического поглощения глинистых частиц, выражающегося в адсорбционном взаимодействии глинистых и песчаных частиц, коагуляции и структурообразовании самих глинистых частиц и в «застревании» частиц и агрегатов в порах песка.

При кольматации песков следует учитывать их состав и состав кольматирующих глинистых растворов -- главного фактора, определяющего результаты кольматации. Пески различного гранулометрического состава кольматируются глинистыми растворами определенного состава и концентрации.

Крупнозернистые пески могут быть закольматированы растворами, приготовленными из глин и суглинков при сравнительно высоких концентрациях суспензий (1,5--3%). Эти пески не задерживают тонкие глинистые частицы, поэтому для их кольматации следует употреблять суглинки и агрегированные глины, особенно полиминерального полидисперсного состава. При кольматации сильно фильтрующих грубо- и крупнозернистых песков высокодисперсной глиной в глинистый раствор необходимо добавлять более грубые гранулометрические разности (пылеватые и тонкопесчаные фракции). Кольматацию можно проводить в два этапа. Сначала крупные пески следует закольматировать тонкопесчаным и пылеватым материалом, а образующийся грунт закольматировать глиной.

Кольматации мелкозернистых песков возможна только диспергированными устойчивыми растворами, содержащими преимущественно частицы <0,005 мм, свободно проникающие в песок на достаточную глубину. Для кольматации этих песков необходимо проводить специальную обработку глин с целью разрушения микроагрегатов глинистых грунтов, а в некоторых случаях -- обработку самого песка веществами, ослабляющими его адсорбционную способность.

Эффективность кольматации -- глубина закольматированного слоя и уменьшение коэффициента фильтрации -- определяется минералогическим составом глин-кольматантов, который характеризует их дисперсность и адсорбционную способность по отношению к песчаным зернам и, следовательно, способность глинистых частиц проникать в толщу песка и поглощаться песком. Увеличение дисперсности глин способствует проникновению частиц на большую глубину, рост адсорбционной способности приводит к большому снижению коэффициента фильтрации.

Надо иметь в виду, что при кольматации песков могут быть и неудачи. Иногда глинистые частицы не проникают с током воды в толщу песка, а накапливаются на его поверхности. Образуется своеобразный глинистый экран, благодаря которому и происходит уменьшение водопроницаемости. При нарушении глинистого экрана фильтрация воды возобновляется с прежней силой. Поэтому такой метод уменьшения фильтрационной способности грунтов является ненадежным. Образование глинистого слоя на поверхности песка говорит о том, что процесс кольматации идет неправильно, что не учтены какие-то факторы, мешающие частицам проникнуть с током воды в глубь песка. К числу таких факторов относится засоленность воды или самого песка, присутствие обменного Ca, вызывающего агрегацию глинистых частиц и др. В том случае, когда неблагоприятные факторы устранены, процесс кольматации протекает нормально, глинистые частицы с током воды поступают в поры песка, задерживаются в них благодаря физической и механической поглотительной способности и коренным образом изменяют свойства самого песка.

Стоимость работ по кольматации ниже, чем работ по цементации; кроме того, кольматация не ограничивается распространением агрессивных подземных вод, обычно она применяется в тех случаях, когда большой расход цемента экономически невыгоден. Применение кольматации дает хорошие результаты при тампонировании больших трещин и пустот, при наличии глинистого или другого рыхлого заполнителя в выветрелых породах. Она применяется для тампонирования сильно фильтрующих трещиноватых, кавернозных и закарстованных скальных пород и гравийно-галечниковых отложений.

Для кольматации можно использовать не все виды глинистых пород. Жирные высокопластичные тонкодисперсные гидрофильные глины монтмориллонитового состава плохо отдают воду, а иногда обладают тиксотропными свойствами. Для кольматации наиболее подходят тощие глины или суглинки каолинитового или гидрослюдистого состава. Состав и свойства глинистого раствора можно регулировать. В случае применения тощин глин с этой целью вводят диспергаторы (соду, сернистый натрий и др.). В случае жирных глин используют коагуляторы (СаС12, Са(ОН)2 и др.).

Коагуляция глинистых частиц происходит постепенно от самых тонкодисперсных частиц к более крупнодисперсным с образованием все более и более крупных агрегатов и доходит почти до полной коагуляции коллоидно-активных частиц. При этом наблюдается довольно четко выраженная ступенчатость коагуляции, при которой малые дозы электролита, вызывая коагуляцию только самых мелких частиц, приводят к увеличению более крупных частиц; большие дозы электролита приводят к коагуляции частиц среднего размера в еще более крупные частицы, и только значительные дозы вызывают коагуляцию крупных частиц. В грунте вначале образуются микроагрегаты, которые в дальнейшем коагулируют с более крупными частицами, образуя мезоагрегаты, коагуляция последних приводит к образованию макроагрегатов.

Вероятно, одновременно с этим происходит коагуляция тонкодисперсных частиц с крупнодисперсными, однако роль этого рода агрегации в общем процессе коагуляции незначительна. Дозы электролита, вызывающие коагуляцию этих грунтов, очень близки и составляют 50--400 мг/л, в то время как коагуляция огланлинского бентонита происходит при значительно больших (70--4000 мг/л) концентрациях электролита. Здесь сказывается особенность минерального и гранулометрического составов частиц. Коагуляция дисперсных частиц полиминеральных глинистых грунтов вызывается добавлением различного количества электролита. При введении небольшого количества электролита коагулируют частицы коалинитовой группы, а при увеличении концентрации -- группы гидрослюд и, наконец, монтмориллонитовой группы. Коагуляция полидисперсных материалов происходит главным образом за счет слипания частиц меньших размеров с частицами больших размеров и что она наступает сразу при переходе через определенный предел.

Регулирование достигается также специальным подбором песчано-глинистых смесей с различной концентрацией коллоидов. Технология кольматации и состав оборудования во многом сходны с цементацией.

В последнее время глинистые растворы все чаще стали заменять смешанными глинисто-цементными, глинисто-известковыми и другими комбинированными растворами. Глинисто-цементные растворы имеют ряд преимуществ перед глинистыми. Они не расслаиваются, более однородны, дают высокий выход камня, не размываются водой. Наряду с приданием породе водонепроницаемости глинистоцементные растворы прочнее, чем глина, связывают агрегаты и блоки породы, создавая монолитность массива.

Для глинисто-цементных растворов используют и высокопластичные разности глин (бентонитовые и монтмориллонитовые). Глинисто-цементные растворы применяются для создания противофильтрационных завес, водонепроницаемых стенок, для усиления оснований зданий и сооружений, для заполнения стыков между зданиями и сооружениями и стенками котлованов, для тампонирования пустот за обделкой тоннелей и в других случаях, когда большой расход цемента экономически невыгоден.

Кольматация дает наилучшие результаты при тампонировании безводных трещиноватых и кавернозных пород, обладающих удельным водопоглощением от 0,1 до 100 л/мин. Применение глинисто-цементного раствора позволяет тампонировать также обводненные трещиноватые, кавернозные скальные и гравелисто-щебенистые породы и галечниковые отложения с коэффициентом фильтрации свыше 100 м/сут.