Автор: Камбефор А.
Теги: строительство инженерных сооружений геология механика грунтов инъектирование грунтов
Год: 1971
Текст
ИНЪЕКЦИЯ
ГОУНТОВ
А. КАМБЕФОР
инъкция
ГРУНТОВ
Энергия
1971
УДК 624 152 612 3 627.81
Книга освещает теорию и практику применения ме*
тода инъекции для уплотнения и упрочнения оснований
сооружений. Рассматриваются общие положения мето-
да, теория и принципы ведения инъекционных работ
в грунтах, свойства среды, подвергающейся инъекции,
свойства грунтов, приобретаемые после проведения
инъекции, техника ведения инъекционных работ,разлнч-
ного назначения и в различных природных условиях,
методы проверки результатов инъекции, свойства инъек-
ционных растворов и методы их подбора.
Книга предназначается для широкого круга иижене-
ров-гидротехников.
>2-11
ЙР70
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКОВ
Книга известного специалиста в области механики
грунтов, исследования и укрепления оснований проф.
А. Камбефора посвящена описанию метода инъекции,
нашедшего широкое применение в гидротехническом,
транспортном, шахтном, промышленном и гражданском
строительстве для укрепления и противофильтрационно-
го уплотнения грунтов.
Еще недавно при строительстве больших плотин ме-
тод инъекции использовали лишь для улучшения скаль-
ных оснований; теперь он успешно применяется при
создании глубоких противофильтрационных завес в не-
связных грунтах (крупнейшая в мире завеса такого
типа выполнена в основании Асуанской плотины на
р. Ниле).
В книге убедительно показано, что эффективная и
экономичная инъекция в несвязных грунтах при боль-
ших объемах возможна лишь при использовании целой
гаммы растворов разного типа, для изготовления кото-
рых применяются различные материалы: цемент, глина,
бентонит, силикат и т. п. Поэтому автор и говорит о
инъекции в целом, а не об отдельных ее видах — цемен-
тации, глинизации, силикатизации, битумизации, смоли-
зации, которые часто рассматривают в литературе и нор-
мативных документах отдельно.
В СССР метод инъекции успешно используется в
различных областях строительства. Большие работы
по созданию противофильтрационных завес, укреплению
оснований плотин, омоноличиванию бетонных сооруже-
ний, образованию и усилению обделок туннелей и т. п.
выполнены на строительствах Красноярской, Братской,
Асуанской, Днепровской и других ГЭС и ведутся на
строительствах Ингурской, Чарвакской, Токтогульской,
Нурекской, Чиркейской ГЭС. С помощью инъекции бы-
ли укреплены основания многих зданий и исторических
памятников: ряда сооружений Московского Кремля,
Одесского оперного театра, Ленинградского театра име-
ни Кирова и других сооружений.
Большое внимание уделяется научно-исследователь-
ским работам, выполняемым в МГУ имени М. В. Ломо-
носова, ПИИ оснований и подземных сооружений,
ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева, Гидроспецпроекте и дру-
гих организациях. Этим вопросам посвящены книги
А. Н. Адамовича и Д. В. Колтунова, Э. Э. Алласа и
3
A. H. Мещерякова, Б. А. Ржаницына, Н. Г. Трупака,
Б. П. Шрейбера и других авторов.
Перевод книги А. Камбефора «Инъекция грунтов»,
написанной на основе большого личного опыта автора,
одного из ведущих специалистов фирмы Солетанш, по-
служит ценным дополнением к имеющейся литературе
и позволит советским специалистам ознакомиться с со-
стоянием вопроса за рубежом, лучше понять сущность
и возможности метода инъекции.
Первый том книги, предлагаемый вниманию читате-
лей, состоит из четырех частей. В первой части приво-
дятся общие сведения о инъектируемых средах и различ-
ных видах растворов для инъекции, необходимые для
понимания последующих частей книги.
Во второй части излагаются основные теоретические
положения и принципы инъекции. Приводимые сведения
помогают понять главные факторы, определяющие про-
цесс инъекции. Описываются результаты лабораторных
и полевых исследований метода инъекции, а также ха-
рактеристики грунтов, которые достигаются после их об-
работки инъекцией. Подчеркивается необходимость вни-
мательного изучения природных условий и обязательной
проверки экспериментальных и теоретических результа-
тов практикой. Третья часть содержит данные о произ-
водстве инъекционных работ в различных грунтах для
создания противофильтрационных завес или повышения
их несущей способности.
Указывается влияние разнообразия характеристик
грунтов на технологию работ, которую приходится уточ-
нять в каждом конкретном случае для достижения необ-
ходимых результатов с минимальными затратами.
В четвертой части рассматриваются многочисленные
виды растворов, которые применяются для инъекции.
Некоторые из них мало известны советским специали-
стам. Большое разнообразие растворов расширяет об-
ласть применения метода инъекции и позволяет при пра-
вильном выборе их в соответствии с грунтовыми услови-
ями решать сложные инженерные задачи.
Перевод первого тома книги выполнен с небольшими
сокращениями. Использованы ранее сделанные в Ин-
формэнерго переводы отдельных глав. Большая помощь
при переводе книги оказана была А. Н. Мещеряковым, а
при подготовке ее к печати Н. Г Бойковой, которым
выражается искренняя признательность.
ВВЕДЕНИЕ
Инъекция грунтов —в настоящее время обшепрв-
знанный строительный метод — начал применяться во
Франции в начале XIX в. Изобрел его в 1802 г, Бериньи
(Berigny), успешно инъектировавший цементные раство-
ры, при необходимости с пуццолановыми добавками1.
Передовым инженерам, впервые применявшим инфек-
цию, было трудно добиться признания этого прогрессив-
ного направления, хотя они пытались заполнять только
крупные пустоты, инъектируя растворы под действием
силы тяжести. Что сказали бы их противники о давлени-
ях в 100 кгс/сж2, часто применяемых теперь в граждан-
ском строительстве, и давлениях 300 или 400 кгс!см2.
используемых при строительстве некоторых шахт?-*
Растворы и методы ведения работ постепенно улуч-
шались, однако признание инъекция находит только в
1920—1930 гг., в период широкого развития плотино-
строения. Инъекция оказалась наиболее экономичным
способом борьбы с фильтрацией под плотинами. Вспо-
миная этот период, нельзя не упомянуть имя проф. Лю-
жона (Lugeon), который сумел установить для инъек-
ции скальных пород ряд правил, применяемых и в на-
стоящее время.
Профессор Люжон не прибегал обычно к спорным
математическим обоснованиям, часто противоречащим
очевидным фактам, и доверял лишь результатам опыта.
Иными словами, он считал инъекцию искусством.
Для инъекции песчано-гравийных пород в течение
многих лет применялся лишь метод Джустена (Joosten),
заключающийся в последовательном нагнетании в грунт
силиката натрия и реактива, вызывающего образование
геля. Этот метод обеспечивает и водонепроницаемость, и
прочность грунтов, однако из-за высокой стоимости он
не получил распространения. Кроме того, метод непри-
меним в мелкозернистых песках.
Некоторое распространение получили гели силиката
с замедленным схватыванием и битумные эмульсии, од-
нако стоимость и этих методов оставалась высокой.
В 1938 г. А. Майером (А. Мауег) были предложены
специально обработанные глинистые растворы, а не-
сколькими годами позднее появились глино-цементные
1 R. G 1 о s s о р, The invention and development of injection
process, Geotechnique, sept. 1960 —dec 1961.
5
растворы н инъекция аллювиальных пород стала отно-
сительно дешевым методом Однако только теперь, т. е.
более 20 лет спустя, благодаря исследованиям гидравли-
ческих разрывов пластов в нефтяных скважинах научи-
лись относительно правильно вести работы.
В последние годы начали использовать органические
смолы во время инъекции столь же жидкие, как вода,
но после полимеризации превращающие грунт в бетон
относительно высокой прочности; из-за высокой стоимо-
сти они имеют ограниченное применение и используются
только в необходимых случаях.
Инъекция скальных пород — относительно простая
операция, инъекция аллювия значительно сложнее. Во
время производства работ для получения удовлетвори-
тельного результата требуется своевременная замена
раствора в соответствии с характером грунтов, так как
даже весьма полные изыскательские работы не дают та-
ких точных сведений о грунтах, какие дают наблюдения
во время инъекции в многочисленные скважины.
Очень трудно узнать, каким образом распространяет-
ся раствор в грунте. Вскрытие котлованов в заинъекти-
рованных массивах показывает лишь результат инъек-
ции. Лабораторные исследования не могут полностью от-
ражать действительности, поскольку невозможно создать
модель, обладающую всеми свойствами естественных
грунтов. Поэтому возникает много гипотез, не всегда
соответствующих фактам.
Для понимания проблемы и выработки заключения,
согласующегося с наблюдениями при производстве ра-
бот, следует учитывать: структуру грунтов всегда более
или менее неоднородных; свойства растворов, которые
могут быть совершенно различными; законы движения
жидкостей или суспензий в пустотах неопределенной
геометрической формы, расположенных в упругой среде.
Учитывая эти факторы, в последние годы удалось до-
биться с помощью инъекции хороших результатов.
Предлагаемая книга не имеет целью дать теорию
инъекции; в ней обобщается как можно более последо-
вательно ряд фактов или наблюдений, частично извест-
ных инженерам, для которых инъекция не является про-
фессией. Поскольку целью этой работы является не обу-
чение инъекции, а объяснение основ дела, мы надеемся,
что питатель поймет, почему некоторые частные стороны
инъекционных работ остались в тени.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Глава первая
ИНЪЕКТИРУЕМЫЕ СРЕДЫ
Инъекция предназначена для обеспечения водонепроницаемости
или укрепления твердых пористых и водопроницаемых грех тре-
щиноватой скалы, песка, гравия и нарушенной каменной и бетоезой
кладки. Пустоты среды заполняются жидким продуктом (достио-
ром), который с течением времени более или менее твердеет. Рас-
твор под давлением подают в скважины, пересекающие пустоты,
подлежащие инъекции.
Явно видимые пустоты, как, например, широкие трещины, могут
быть заинъектированы без устройства скважин. Для этого доста-
точно ввести туда трубу, по которой подается раствор, и не доиус-
тить вытекания его на поверхность. Эти потери раствора, которые
могут происходить даже тогда, когда инъекция производится через
скважины, называются выходами. Выходы на поверхность сажают
качество работ.
Растворы и методы инъекции назначают в зависимости от фор-
мы заполняемых пустот; последние подразделяются на две катего-
рии: трещины и пустоты. Различие их состоит в том, что трещина
имеет почти равномерное раскрытие, а пустоты весьма неравномер-
ны: крупные пустоты могут чередоваться с мелкими.
КАМЕННАЯ И БЕТОННАЯ КЛАДКА
В поврежденной, но не трещиноватой кладке встречаются оба
вида пустот: в кавернозном бетоне — пустоты, при нарушенных
швах — трещины.
Кладка инъектируется так же, как и грунты. Однако инъекция
ее гораздо сложнее, так как из-за небольшой толщины конструкции
нельзя применять высокие давления, которые могут разрушить
сооружение пли вызвать выходы раствора на поверхность.
Восстановление нарушенных швов, когда от разложенного кла-
дочного раствора остался песок, так же сложно, как я \ крепление
мелкозернистого песка. Для этого пригодны только дорогостоящие
химические продукты. Но если вяжущее кладочного раствора пол-
ностью не удалено, то инъекция невозможна.
Таким образом, при ремонте кладок применяются почта вое
виды инъекции и нужно быть опытным специалистом, чтобы судить
о возможности эффективной обработки.
7
ЗАКАРСТОВАННАЯ СКАЛА
Карст, как правило, встречается в известняках, в которых под-
земные воды могут создавать путем растворения горных пород зна-
чительные пустоты, соединенные проходами.
Если карст доступен, то следует закрыть бетоном видимые
проходы. Когда это невозможно, производят инъекцию, которая в
этом случае является скорее заполнением, чем собственно инъек-
цией.
Трудность обработки этих пород заключается в том, что карсто-
вые пустоты обычно не очень многочислены, часто изолированы,
прихотливо направлены и незаметны с поверхности, имеют большие
размеры и часто омываются подземными водами. Для того чтобы
сделать закарстованные породы водонепроницаемыми, недостаточно
устройства и инъекции одного ряда скважин (как для нормально
трещиноватой скалы). Кроме того, чтобы избежать чрезмерного
распространения или размыва раствора ^подземными водами, необ-
ходимо инъектировать целую гамму растворов. В каждом случае
цементация карста имеет свои особенности, поэтому нельзя сфор-
мулировать для этих работ единые правила.
На строительстве плотины Шармин (Charmine), например
(Riviere — Lescail, 1955), оказалась достаточной, чтобы почти совсем
устранить фильтрацию, инъекция только одной скважины. Однако
потребовалось около 20 000 ж3 различных материалов, включая
2630 м3 гравийных и 540 т компонентного раствора.
ТРЕЩИНОВАТАЯ СКАЛА
Трещиноватая скала характеризуется таким обилием трещин, что
скважина, пройденная в любом месте, может поглотить относитель-
но большое количество раствора. Независимо от количества и вели-
чин трещин для выбора метода инъекции следует учитывать каче-
ство собственно скалы. Пористые трещиноватые скальные породы
обрабатываются иначе, чем плотная скала.
Так, пористую породу характеризует микропроницаемость, ко-
торая может вызвать обезвоживание проходящего по трещинам
раствора. При этом быстро изменяются свойства раствора и инъек-
ция оказывается неудовлетворительной.
В отличие от микропроницаемости выделяют макропроницае-
мость, которой соответствует движение раствора по трещинам.
Для выбора метода инъекции и типа раствора необходимо уточ-
нить степень трещиноватости скалы и возможность движения воды.
Разведка шахтами, штольнями, траншеями дает хорошие результа-
ты, но требует больших затрат средств и времени и не позволяет
легко провести гидравлические испытания. В дополнение к горным
выработкам проходят также разведочные скважины, в которых
обычно производят гидравлические опробования по методу
Люжона.
Испытания по методу Люжона
Эти испытания (рис. 1-1) подробно описаны (Lugeon, 1933;
Gignoux — Barbiet, 1955; Cambefort, 1955). В результате испытаний
определяется величина водопоглощения, выраженная в единице из-
мерения — люжон.
8
1 аюжон равен водопоглощению 1 л1яия мя 1 л алиям скмжЯ'
ны при давлении 10 кгс/сл&, выдержанном в течение 10 мам 'ясны
гуемый интервал скважины около 5 я)1.
При величинах водопоглогнен ия ниже I дюяима нгьешм бес
полезна. Это критерий Люжона для плотин высотой более 30 ж.
Для меньшей высоты можно принимать предел 3 латхона. Не сле-
дует забывать, что до начала гидравлического «пробоааяая входы а
трещины, пересекаемые скважиной, кольматвроваиы буровым >»-
мом (Camber ort, 1955); поэтому опробуемые интервалы яе доазкаы
быть длинными (например, 10 ж); нельзя также мтслггь воде-
поглощение для зоны по разности
результатов двух испытаний,
включающих эту зону.
Измерения, проводящиеся
при возрастающих и понижаю-
щихся давлениях, редко дают
одинаковые результаты. На рис.
1-2 приведены различные формы
кривых, полученных при испыта-
ниях в старой кладке Асуанской
плотины. Эти же и некоторые
другие формы кривых можно
встретить и в скальных породах.
Наиболее часто встречаются кри-
вые / и 3. Одна из них соответ-
ствует ламинарному течению, дру-
гая — турбулентному. Можно по-
лагать, что эта разница связана с
различным раскрытием трещин: ла-
минарное течение соответствует
тонким трещинам, турбулентное —
крупным. Дальше мы увидим, что
эти явления значительно сложнее.
Рис. 1-1. Принцкпвалъвая схе-
ма проведения опыта по мето-
ду Люжова.
1 — манометр; ? — раехоэсмер:
3 — насос; 4 — сброс: 5 — захнь-
вотированная часть екважжньЕ
f — тампон.
Такое различие в течениях может быть отмечено только в том слу-
чае, если правильно внесены поправки на потерю напора в трубо-
проводе; в противном случае все графики будут подобны кривой £
Если при испытаниях не было достигнуто давление 10 кгс ся*,
критерий Люжона можно принять только с поправкой, например
0,1 л/мин]я при давлении 1 кгс]см* или с экстраполяцией до дав-
ления 10 кгс]см* по полученному графику.
Гидравлические опробования всегда производятся до инъекции
зоны. Если бы по результатам многочисленных опробований можно
было выявить зависимость между подо поглощением и поглощением
цемента, то это позволило бы значительно упростить разведку, по-
скольку гидравлические опробования указали бы одновременно со-
стояние трещиноватости скалы и количество цемента, необходимое
для обеспечения ее непроницаемоеги. Однако все предпринимаемые
в этом направлении попытки привели к установлению только весьма
приблизительных зависимостей. Исследование гидравлического про-
цесса инъекции, приводимое ниже, показывает, что такое соогнове-
1 В СССР определяется удельное водопоглощенпе. которое
показывает величину поглощения воды в л/жин иа 1 я длины
опробуемого интервала скважины при напоре 1 я. (Примем,
п е р е в.)
9
ние можно установить только в том случае, когда все трещины
имеют одинаковое раскрытие. Поэтому естественно, что, несмотря
на многочисленные наблюдения, проводящиеся на строительных пло-
щадках, такая зависимость не мэжет быть установлена.
Рис. 1-2. Различные графики результатов испытании
по методу Люжона.
1 — ламинарный режим; 1а — ламинарный режим,
кольматация при высоком давлении; 1Ь — ламинарный
режим, размыв при высоком давлении; 2 — кольмата-
ция при низком давлении; 2а — кольматация при низ-
ком, а затем высоком давлении; 2b — кольматация при
низкем давлении, затем размыв при высоком давле-
нии; 3 — турбулентный режим; 4 — прогрессирующий
размыв; 5 — различные формы: последовательно коль-
матация и размыв.
НЕСВЯЗНЫЕ ГРУНТЫ
Несвязные грунты могут быть представлены песчано-гравийным
или крупнообломочным материалом, а также дезинтегрированным
бетоном или остатками разложившегося кладочного раствора. Все эти
материалы характеризуются значительной пористостью (около 20 —
35%), в то время как в скальных сильно трещиноватых породах
объем пустот составляет около 3%. Пустоты распределены весьма
неравномерно и имеют сложные формы.
Разжижение растворов во время инъекции или неполная про-
питка всех пор раствором может объясняться только морфологией
пор. В настоящее время ее можно определить лишь в лаборатории
пропиткой ртутью под давлением сильно нарушенных образцов.
10
Чтобы составить представление о размерах наиболее ммогочме
ленных пор, определяют водопроницаемость грунта. Водолроаимае-
мость определяется нагнетанием воды в фильтрующие колодмы1
или — еще проще — испытанием по методу Лефраика (Lefranc).
Испытания по методу Лефранка
Испытания заключаются в нагнетании либо откачке воды
(рис. 1-3). Испытания просты по принципу
претация результатов часто сложна
(Bauzil, 1952; Cambefort, 1955).
В отличие от нагнетаний воды в
фильтрующий колодец, которые дают
среднюю величину водопроницаемости,
испытания по методу Лефранка дают ве-
личину локальной водопроницаемости,
скажем, для уточнения водопроницаемо-
сти сферического объема диаметром око
ло 50 см, если испытание пооводилоср
с помощью скважины диаметром 100 мм.
Столь незначительный радиус действия
позволяет как бы прослушивать грунты
шаг за шагом и изучать, таким образом,
неоднородность пласта. К сожалению,
при изысканиях экономика не позволяет
выполнять достаточное количество гид-
равлических опробований для более точ-
ного определения этой неоднородности.
Однако для проведения инъекции эти
опыты весьма важны, так как дру-
гие методы исследования пока отсут-
ствуют.
и исполнению. so иггер-
Рнс. 1-3. Схема гидрав-
лических опробовании по
методу Лефранка.
I — насос; 2 — резурвуар;
3 — скважина; 4 — долото;
5 — ПОЛОСТЬ.
НЕОДНОРОДНОСТЬ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГРУНТОВ
Внимательное изучение стенок котлованов в аллювиальных
грунтах показывает, что речные отложения всегда неоднородны. Это
можно наблюдать в отложениях всех малых н крупных рек Фран-
ции, а также в долинах рек Нила и Инда (рнс. 1-4 и 1-5). Неодно-
родность аллювиальных отложений проявляется в чередовании
слоев с явно различным гранулометрическим составом. Так. в доли-
не р. Роны у Доизера встречаются слои различной мощности, со-
стоящие из песка с'частицами менее 1 мм и гравия с частицами
более 5 мм.
Структура гравия, не содержащего песка, может быть названа
открытой, чтобы подчеркнуть значение размеров пустот (Cambefort.
1951).
1 Фильтрующий колодец — скважина, шурф или колодец
с фильтром, установленным на некоторую глубину. (Примем,
п е р е в.)
П
Иногда встречаются отложения гравия, все пустоты которых за-
мыты мелкозернистым песком. Подобные слон обнаружены в долине
Рейна. Но они всегда сопровождаются более или менее мощными
Рис. 1-4. Переслаивание аллювиальных отложе-
ний с очень крупными и мелкими фракциями.
Рис. 1-5. Аллювий с от-
крытой структурой.
Вверху — тонкий слой с
закрытой структурой.
слоями гравия, в которых пустоты оста-
ются открытыми. Через эти слои и про-
исходит фильтрация воды. Часто это
подтверждается наличием черных или
желтых отложений на гравии: черный
цвет вызван окисью марганца, желтый—
окисями железа. Как правило, такие
отложения различного гранулометриче-
ского состава образуют линзы различ-
ных размеров, которые трудно различи-
мы вследствие осыпей стенок котлована.
Их наличие объясняет различную по ве-
личине вертикальную водопроницае-
мость, всегда меньшую, чем горизон-
тальная. Небольшая мощность -слоев
гравия, по которым легко происходит го-
ризонтальная фильтрация, позволяет по-
нять, почему так трудно или почти не-
возможно измерять вертикальную и го-
ризонтальную проницаемости простыми
методами, подобными, например, испы-
таниям по Лефранку.
Нарушенный образец, взятый на от-
косе или из скважины большого диа-
метра, состоит из грунта различных слоев и его гранулометриче-
ский состав не характерен для отложений. Однако по кривой гра-
нулометрического состава и результатам гидравлических опробова-
ний можно определить структуру аллювиальных грунтов.
12
Поскольку песчано-гравелистые отложения подчиняются зако-
нам случайности, анализ гранулометрического состава дает ин-
тегральную кривую процентного содержания фракций р, удовлетво-
ряющую уравнению
Z
^-'dz,
— <м
гдр Z — линейная функция диаметра частиц D.
Если принять, что частицы отложились в пропорциональной за-
висимости от диаметра D, то для построения кривой гранулометри-
ческого состава следует пользоваться тем же уравнением, во ври
Z = a log it 4- b,
где о и о — постоянные величины.
Это закон пропорциональности Жибра (Gibra).
Таким образом, достаточно построить кривую гранулометриче-
ского состава на гаусс-логарифмической диаграмме, для того чтобы
получить точки на прямой, ес-
ли предыдущий закон верен.
Нам удалось отобрать в
ронских аллювиальных грунтах
образец песка и образец гравия
из переслаивающихся пластов.
Их гранулометрия вполне со-
ответствовала закону пропор-
циональности, если учесть, что
ограниченный объем образца
ограничивает размер гальки
(рис. 1-6). Также были ото-
браны образцы в скажинах
большого диаметра (560 мм).
Поскольку разведочные
скважины располагались в зо-
не радиусом в несколько кило-
метров, нет ничего удивитель-
ного в том, что действительные
Рис. 1-6. Гранулометрический со-
став аллювиальных грунтов
р. Роны.
1 — гравий; 2 — песок.
кривые гранулометрического со-
става и воссозданные по образцам совпадают не совсем точно
(рис. 1-7).
Эта особенность учитывается при определении водопроницае-
мости пластов по гранулометрической кривой. Лучшим из приме-
няемых для этого уравнений является формула Козени (A. G. Lou-
don, 1953)
. 1,5-10* л’
(1 —п)« ’
где k — коэффициент фильтрации, см[сек; S — удельная поверхность
грунта, см2/см\ f — коэффициент, равный 1 для шарообразных,
1,1 для округлых и 1,25 для частиц средней угловатости; п —по-
ристость.
Величины f и п следует оценивать приблизительно. Допустимая
при этом ошибка не имеет большого значения, поскольку здесь
13
определяется лишь порядок величины. Если расчетная водопрони-
цаемость имеет тот же порядок величин, что и получаемая в ре-
зультате гидравлических опробований (одного опробования недоста-
точно), можно считать, что пласт однороден и что действительный
гранулометрический состав совпадает с полученной кривой i рану-
лометрического состава.
Рис. 1-7. Действительный гранулометриче-
ский состав и кривые, восстановленные по
отдельным элементам, показанным на
рис. 1-6-
10050 20 10 5 2 1 0’5 0,20,10,05
Рис. 1-8. Разложение кривых гра-
нулометрического состава аллюви-
альных грунтов р. Роны на про-
стые элементы.
Однако, как правило, замеренная проницаемость бывает больше
расчетной. Из этого можно заключить, что отложение неоднородно
и включает открытые структуры. Для продолжения исследования
необходимо воспользоваться законом пропорциональности и попы-
таться найти составные элементы смеси. Когда на гранулометриче-
14
ской уриной есть ступень, это сделать очень просто (рмс, 1-8). Не-
сколько сложнее это выполни гь, если ступени нет (ркс.141). Иногда
приходится разлагать кривую иа три элемента.
В какой-i о мере мы доказали пригодность этого метода от яро-
тивногд: не добились правильного разложения обратна, отобранного
в конусе выноса небольшого притока р. Дюране, гранулометриче-
ский состав которого был, на первый взгляд, подобен грануломет-
рическому составу речного аллювия.
Рис. 1-9. Разложение кривой грану-
лометрического состава аллювиаль-
ных грунтов р. Арк на простые эле-
менты.
Проходка шурфа, произведенная впоследствии в этом месте, не
выявила открытой структуры грунта.
Формула Козени (Kozeny) определяет проницаемость каждого
элемента. Достаточно поэтому сравнить эти величины с горизон-
тальной проницаемостью, полученной при испытанья в фильтрую-
щем колодце, чтобы приблизительно определить процент каждого
из составляющих. Но подобное исследование длительно и сложно,
поэтому чаще предпочитают непосредственно исследовать однород-
ность аллювия.
Наиболее простой метод заключается в том, что разведочная
скважина оборудуется фильтром по всей длине. Откачка или нагне-
тание воды в эту скважину вызывает в различных слоях грунта
движение воды, тем значительнее, чем выше их проницаемость.
Поэтому достаточно измерить изменения расхода или скорости воды
в трубе, чтобы выявить более или менее проницаемые горизонты.
Эти данные можно получить, перемещая вертушку по всей
длине скважины. Сравнение результатов измерений при нагнетании
или откачке с пулевым пли постоянным расходом позволяет нахо-
дить различные горизонты и даже дать порядок величин их про-
ницаемости (рис. 1-10).
15
Скорость, слс/сел
70 60 50 30 20 Ю 0 Ю 20 30 90 50 60 70 80 90100
Рис. 1-10. Оценка водопроницаемости различных слоев
песка и неоднородного гравия измерением скорости в
фильтре скважины (материалы фирмы Солснтанш).
Такое исследование позволяет установить состав растворов в
соответствии с действительной проницаемостью слоев и определить
примерный объем инъекции, определяя, таким образом, одновре-
менно качество и экономичность работ. Однако для этого необходи-
мо провести очень углубленные изыскания, что на практике делается
весьма редко.
ГЛУБИНА РАЗВЕДКИ
Глубина, на которую необходимо проводить разведку, зависит
от многих факторов: характера сооружения и грунта, цели работ
(обеспечение водонепроницаемости или укрепление грунтов).
Характер сооружения может определять необходимость полной
или частичной обработки грунта. Если, например, требуется создать
зуб под плотиной, для которой величина утечек не имеет значения,
глубина определяется только условиями устойчивости. Если, наобо-
рот, требуется сократить утечки до минимума, следует предвари-
16
гелЦю исследовать всю поверхность, подлежащую уялг/тяемяю.
В этом случае глубина разведки не может быть определена гарамее,
Она Зависит от характера пород.
Изыскания при сооружении
противофильтрационных завес
При создании противофильтрационных завес в скалышх поро-
дах принято основываться на критерии Люжоиа. Хотя эта вели-
чина и может дискутироваться, однако принцип критерия должен
быть сохранен: поскольку требуется определить возможзость фяльг-
рации, необходим критерий, который был бы с нею связав.
Рис. 1-11. Противофильтрационная завеса плотины Гувер.
Глубина первоначальной завесы задана априори и лишь
затем увеличена в соответствии с качеством скалы.
1 — граница первоначальной завесы; 2 — туниелж.
Неучет этого критерия иногда вызывает необходимость дополни-
тельных работ. Так, глубина инъекции под плотиной Гувер в США
(A. W. Simonds, 1951) сначала была выбрана по статистическим
данным. После заполнения водохранилища потери воды были столь
велики, что потребовалось углубить противофильтрашюнную завесу
по всему фронту (рис. 1-11). Для определения глубины повторной
инъекции основным критерием считали качество кернов, извлекае-
мых из скважин. Из-за неопределенности этого критерия глубина
скважин оказалась весьма различной. Вполне возможно, что приня-
тие критерия Люжона позволило бы сократить объем работ.
Иногда гидравлические опробования показывают снижение во-
допроницаемости на некоторой глубине, а затем увеличение ее ниже.
В этом случае следует определить протяженность менее проницае-
мого слоя и, предположив, что завеса окончится в нем. рассчитать
возможный расход фильтрации. Этот расчет не является точным, но
он определяет порядок величин, которым, как правило, можно удов-
летвориться.
При таком подходе завесы редко оказываются симметричными
(рис. 1-12). Их параметры определяются качеством скалы.
17
Изыскания в аллювиальных грунтах проводятся несколько ина-
че, так как заранее известно, что аллювий проницаем по всей тол-
ще. Необходимо систематическое бурение и гидравлическое опробо-
вание на всю глубину отложений, кроме тех случаев, когда встре-
чаются исключительно мощные отложения, более 100 м.
Рис. 1-12. Протнвофнльтрацпонная завеса плотины Ка-
стильон на р. Вердон.
Такие точечные опробования или опытные откачки из фильт-
рующих колодцев иногда бывают недостаточны. Они не всегда ясно
показывают неоднородность аллювия, которую необходимо учиты-
вать для составления проекта экономичной обработки. Так, на
строительстве плотины Эшель Д’Аннибал на р. Изер (Ract —
Рис. 1-13. Плотина Эшель д’Аннибал.
Глубина завес под перемычками выбрана с учетом неоднородности
аллювия.
1 — верховая перемычка; 2 — плотина; 3 — низовая перемычка; 4 —
свайная завеса; 5 — инъекционные скважины.
Madoux — Basset — Cambefort, 1955) изыскания были дополнены
измерением пьезометрических уровней в зависимости от глубины и
измерениями удельного сопротивления и температуры воды.
Обработка результатов всех измерений позволила принять ре-
шение о создании зуба глубиной 10 под верховой перемычкой и
глубиной 14 м под низовой перемычкой (рис. 1-13); при этом общая
18
мощность аллювий составила 60 м, а водопроницаемость доетмгла
местами 2-10 м/сек. Приток в котлован составил 60 л/сек врачей
большая часть воды поступала со скальных склонов. Этот результат
не мог бы быть получен без учета неоднородности аллювия/
В некоторых случаях аллювий располагается над сальдо тре-
щиноватой скалой. Следовательно, разведка должна быть apoo^wa
также и в скале и иротивофильтрационная завеса должка быть за-
глублена в скальные породы.
Изыскания для укрепительной инъекции
Укрепление сильно разрушенной скалы или несвязного грунта
легко осуществляется инъекцией. Инъекция, однако* не может быть
использована для увеличения прочности глин или илов, яоскашу
их проницаемость настолько мала, что не позволяет ввести какой
бы то ни было раствор.
Не существует никаких точных правил для определегая объема,
который необходимо укрепить. Его тем не менее можно определить,
применяя формулы Буссинеска, которые дают распределение напря-
жений в полубесконечном массиве с поверхности.
Начиная с некоторой глубины, напряжения увеличиваются мало
и необходимость в укреплении отпадает. Именно эта глубина долж-
на учитываться при разведке. Она может быть различной для раз-
ных частей сооружения.
Подобный метод не может быть вполне точным, поскольку не
всегда имеется полубесконечный массив. Кроме того, когда необхо-
димо укрепление, рискованно предполагать, что среда однородна в
изотропна, как принято Буссинеском. Однако этот метод доказал
свою состоятельность, так как именно он позволил ограничить кон-
солидацию правобережного примыкания арочной плотины Кас-
тильон, в котором имелись пустоты и открытые трещины шириной
в несколько метров. Несвязные грунты, как правило, могут служить
прекрасным основанием сооружения; их укрепление производится
не для восприятия нагрузок от сооружения, а для облегчения произ-
водства работ, например, при выемке котлована.
Такая консолидация бывает целесообразной, если это единст-
венно возможное или наиболее дешевое по сравнению с другими
решение. Объем работ в этом случае хорошо известен и необходимы
лишь ограниченные изыскания.
Глава вторая
РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ РАСТВОРОВ
Растворы, применяемые для устройства протнвофильтрацион-
иых завес, а также для укрепительной инъекции, могут быть отне-
сены к трем основным видам: жидкости, нестабильные суспензии,
стабильные суспензии.
Жидкости приготовляют из химических продуктов, например
более или менее разбавленного силиката натрия и реагентов, либо
из синтетических смол, а также из чистых органических вяжущих.
19
Нестабильные суспензии — водные суспензии цемента или ка-
менной муки. Они бывают однородными только при перемешивании.
Как только перемешивание прекращается, начинается седимен-
тация.
Стабильные суспензии получают растворением в воде, например,
глины или в различных сочетаниях глины, цемента и песка. Ста-
бильность достигается либо соответствующим подбором состава,
либо перемешиванием или обработкой, при которой обычно в раствор
вводится небольшое количество химических продуктов. Стабильность
таких растворов довольно относительна. Она считается удовлетво-
рительной, если раствор не имеет седиментации во время инъекции,
т. е. в течение нескольких часов.
В дальнейшем будут приведены свойства многочисленных рас-
творов, применяемых для инъекции. Но для правильного ведения
инъекционных работ недостаточно только уметь приготавливать
растворы. Необходимо еще уметь выбрать раствор в соответствии
с характером грунта, требуемым результатом обработки и. учетом
экономичности работ.
Напомним, что жидкости и нестабильные суспензии используют-
ся уже давно. Напротив, стабильные суспензии были разработаны
в 1935 г. для инъекции аллювиальных грунтов. Они оказались более
экономичными, чем дорогостоящие жидкие растворы.
ЖИДКИЕ РАСТВОРЫ
Несмотря на то, что в действительности все растворы являются
жидкостями, это определение сохраняется за растворами, не содер-
жащими частиц, которые легко могут быть измерены, как бы малы
они ни были.
Так, раствор бентонита в воде, частицы которого имеют размер
около 1 мк, не относится к жидким растворам. Напротив, силикат
натрия считается жидким раствором, хотя он содержит коллоидаль-
ные мицеллы, размерами которых нельзя пренебречь, но которые не
поддаются измерениям. Однако эти размеры, несомненно, много
меньше размеров частиц бентонита.
Жидкие растворы могут проникать/ во все пустоты, в которые
может проникнуть вода, но для того чтобы это практически произо-
шло, необходимо, чтобы проницаемость инъектируемой среды не
была слишком малой, т. е. даже если раствор так же жидок, как
вода, среда не должна иметь слишком малые пустоты. Это харак-
терно для глин и илов, которые практически не поддаются инъекции.
Напротив, если инъектируемая среда имеет пустоты достаточ-
ных рамеров, чтобы ее водопроницаемостью нельзя было пренебречь,
но раствор слишком вязок, то инъекция также невозможна. Этот
случай важен при инъекции мелкозернистых песков, поскольку
жидкие, мало вязкие растворы стоят весьма дорого.
НЕСТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
Для того чтобы оценить достоинства и недостатки нестабильных
растворов, предположим, что нам надо инъектировать аллювий
весьма нестабильным раствором обыкновенного цемента.
Песок и гравий состоят из частиц разных размеров; наиболее
крупные частицы цемента имеют диаметр около 0,1 мм. Даже пред-
положив, что все частицы цемента не связаны между собой (что
20
Далеко не соответствует действительности), для инъекции необхо-
димо, чтобы они смогли проникнуть в пустоты между частицами
песка. Это условие обязательно, но, как мы увидим, оно недоста-
точно.
Размер пустот аллювиального скелета неизвестен. Более того,
он непостоянен. Есть крупные и мелкие пустоты. Можно заняться
математическим анализом для определения этих размеров, но мно-
гочисленные экспериментальные исследования состава фильтров по-
казали, что цемент не может проникать в песок, в котором самые
крупные частицы имеют размер около 1 мм, а средний размер пус-
тот можно считать равным 0,1 мм. Следовательно, нельзя считать,
что частицы цемента совершенно не связаны между собой.
Направление
инъекции,
Ннъехтиру-
емые*
частицы
Рис. 2-1. Образова-
ние свода на входе
в пору несвязного
грунта.
Поступление
раствора
Рис. 2-2. Седиментация
нестабильного раствора
при входе в несвязный
грунт.
1 — частицы песка; 2 —
отложения цемента.
В лабораторных условиях следует взять песок с размером час-
тиц от 2 до 3 мм, для того чтобы добиться проникания цемента в
пустоты. Цементная суспензия состоит, таким образом, из агрегатов
различной величины, более или менее деформируемых, но не из изо-
лированных частиц.
Опыт показывает, кроме того, что если цемент и проходит в пе-
сок, то всегда очень неглубоко: не более нескольких сантиметров.
Путем применения сильно разжиженных растворов, например
*/ю, удается улучшить проникаемость. Вода, таким образом, облег-
чает продвижение частиц или агрегатов цемента друг за другом.
Возможность образования на входе в поры сводов, которые пре-
пятствуют инъекции, значительно сокращается (A. Machis, 1946;
М. Papadakis, 1959).
Другое косвенное доказательство образования таких сводов
получено было при инъекции аэрированных растворов. Они пред-
ставляют собой пену плотностью 0,15, в которой газ находится в
форме микропузырьков. Как будет видно в дальнейшем, аэрирован-
ный цементный раствор проникает в более мелкий песок, чем обыч-
ный, даже разбавленный цементный раствор. Это происходит за счет
большой деформируемости пузырьков, сравнимых по размерам с
частицами цемента. Когда на входе в пору образуется свод из час-
тиц цемента и пузырьков воздуха, он неустойчив (рис. 2-1), а под
воздействием инъекции разрушается и раствор проникает дальше. Та-
ким образом, для проведения инъекции недостаточно, чтобы размер
частиц суспензии был меньше минимальных пустот песка. Кроме
того, следует еще предупредить образование агрегатов из частиц
21
цемента, размеры которых неизвестны, но, безусловно, слишком ве-
лики по сравнению с частицами. Следует, наконец, предупредить
образование сводов.
Все это объясняет, почему критерии для фильтров, приведен-
ные выше, неприменимы непосредственно к инъекции.
Но и это не все. Следует удовлетворить еще одно условие.
Оно относится к характеру раствора. Цементные растворы являются
неустойчивыми суспензиями. Частицы цемента находятся во взве-
шенном состоянии только во время перемешивания. Как только
прекращается перемешивание, частицы оседают. То же происходит
и в потоке. В трубопроводе,
Рис. 2-3. Песок и гравий, заинъ-
ектированные цементным раство-
ром.
Заметна цементная рубашка, об-
разовавшаяся на поверхности
скважины. Размеры блока пока-
зывают радиус действия инъекции.
например, как показали опыты,
при движении со скоростью ни-
же определенной величины, ча-
стицы оседают и забивают
вскоре весь трубопровод. Этот
результат подтверждается опы-
том инъекционных работ, при
которых для подачи раствора
используют трубы диаметром
около 1 дюйма.
Именно это явление седи-
ментации позволяет произво-
дить инъекцию трещин в скаль-
ных породах. Оно же препят-
ствует инъекции даже тех пес-
ков, наименьшие пустоты кото-
рых пропускают частицы цемен-
та. И вот почему: как только
раствор проникает через не-
большой проход и достигает
более крупного, его скорость
снижается. Если это снижение
таково, что вызывает осажде-
ние цемента, крупная пустота
частично заполняется цемен-
том или полностью закупори-
вается (рис. 2-2). Эти отложе-
ния перемещаются вниз по течению под воздействием давления
потока и перекрывают расположенные далее небольшие проходы.
Инъекция прекращается (рис. 2-3). Для того чтобы отложения
цемента могли проходить дальше, не вызывая закупорки последую-
щих пустот, необходимо, чтобы их размеры были достаточно
велики для прохода отложений без образования сводов. Это пред-
полагает наличие скелета большого размера, точнее, частиц с ми-
нимальным размером порядка 5—10 мм (возможно, и крупнее).
В этих условиях инъекция может быть эффективной.
Итак, несмотря на то, что частицы или агрегаты цемента могут
проходить в пустоты крупнозернистых песков, цементные суспензии
можно принять только для инъекции мелкого гравия (Wells, 1950).
СТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
Явлений, описанных выше, можно избежать лишь при использо-
вании растворов, в которых во время инъекции не происходит се-
диментации и состав которых препятствует образованию сводов в
22
порах среды. Последнее условие запрещает использование суспен-
зий с большим содержанием цемента, например с соотношением
Д/В = 1 2/ь которые не седиментируют, но закрывают мелкие поры,
как и разбавленные суспензии.
Только суспензии глины вследствие тонкости их часпш и кол-
лоидных свойств обеспечивают раствору стабильность и могут
успешно применяться. При условии что аллювий не слишком мел-
кий, можно добавлять в такие растворы небольшое количество це-
мента, для того чтобы схватывание цемента через определенный
Рис. 2-4. Аккумуляция раствора во-
круг галечника.
промежуток времени упрочило их структуру. Иногда такие суспен-
зии содержат только тиксотропную глину, которая густеет после
инъекции, когда прекращается движение. Эти стабильные растворы
представляют собой вязкие жидкости с небольшой структурной
прочностью *. При их инъекции не всегда пропитываются все поры
грунта. Тщательный анализ заинъектированного аллювия показы-
вает, что раствор проходит преимущественно по контакту с круп-
ными частицами, заключенными среди частиц гораздо меньших
размеров (рис. 2-4). Создается впечатление, что каждый крупный
камень служит источником раствора для инъекции окружающего
грунта. Это происходит вследствие создаваемого им эффекта стен-
ки 2. Около камня образуются более крупные пустоты, чем около
мелких частиц, и раствор здесь легче проходит. Кроме того, несом-
ненно, что наслоение мелких частиц более сжимаемо, чем крупные
фракции. Поэтому достаточно раствору (вследствие эффекта стенки)
1 См. примечание на стр. 179.
2 См. гл. 3. (П р и м е ч. пере в.)
23
начать окружать камни, чтобы под действием давления первона-
чальный проход расширился.
Аналогичное явление обнаруживается в месте контакта с любой
погруженной в грунт стенкой: шпунтом, сваями или каменной
кладкой.
Стабильные растворы, даже содержащие цемент, схватываются
очень медленно, например через 24 или 48 ч. Поэтому схватывание
не может остановить инъекцию. Если не ограничивать систематиче-
ски количество раствора, можно инъектировать почти бесконечно.
Это явление присуще стабильным растворам, и его следует всегда
учитывать при инъекции любых пород.
Разделение фаз
Другое характерное для глино-цементных или бентонито-цемент-
ных растворов явление — разделение фаз. Раствор при инъекции
расслаивается. Частицы цемента группируются с одной стороны,
частицы глины — с другой. И конечный продукт не имеет ничего
общего с тем, который был приготовлен.
Когда такой раствор используется только для противофильтра-
ционной инъекции, это явление не опасно. Все пустоты хорошо за-
полняются, и хотя глина менее прочна, чем цемент, последний, рас-
полагаясь по закону случайностей, препятствует вытеснению глины
гидростатическим давлением. Но если производится укрепительная
инъекция, разделение фаз может вызвать ряд затруднений.
К счастью, это довольно редкое явление, что и является причиной
его недостаточной изученности. Можно тем не менее предположить,
что оно может возникнуть лишь при большой разнице в грануло-
метрическом составе фаз, как, например, при цементе и бентоните.
Несколько опытов с центрифугированием прекрасно это подтверди-
ли. Но они не объяснили, как происходило разделение фаз в грун-
те, где седиментация крупных частиц, образование сводов и фильт-
рация раствора происходят одновременно.
ПРЕДЕЛЫ ИНЪЕКТИРУЕМОСТИ
Для того чтобы инъекция стала возможной, как это было пока-
зано выше, требуется существование некоторого соотношения между
размерами частиц раствора и инъектируемой среды. Это соотноше-
ние соответствует полному пропитыванию среды. Это — идеальный
случай. Такое пропитывание иногда удается получить, но при инъек-
ции аллювия оно совсем не обязательно. Мы уточним это в даль-
нейшем.
Тем не менее интересно узнать,, при каких условиях обеспечи-
вается такая пропитка.
Многие экспериментаторы пытались определить их путем ис-
следования проникания растворов в структуры с различным грану-
лометрическим составом, помещенные в жесткие трубы, как при
фильтрационных опытах. Почти единодушно они избрали критерием
гранулометрический состав инъектируемой среды и раствора. Но,
действуя таким образом, они забыли о том, что порода с данным
гранулометрическим составом может иметь пустоты больших или
меньших размеров в зависимости от уплотнения. Такой критерий
поэтому неверен, и естественно,Г"что все эти экспериментаторы не
пришли к единому мнению.
24
Кроме того, как мы увидим дальше, эти исследования плохи
тем, что они не учитывают естественную упругость ииъектируемого
массива. Тем не менее они дают представление о возможностях
каждой категории растворов. Результаты опытов приведены на
рис. 2-5.
Рис. 2-5. Пределы проницаемости растворов,
установленные на основе гранулометрии грунта.
1 — цемент; 2 — глино-цемент; 3 — глина; 4 — гель
Джустена; 5 — силикатный гель; 6 — эмульсия би-
тума и смолы.
Интересно отметить, что, кроме жидких, в полном смысле этого
слова растворов, таких, например, как чистые смолы, не более вяз-
кие, чем вода, и проникающие, как вода, инъекцию наиболее мелких
грунтов обеспечивают не чисто коллоидные растворы (гели силика-
25
та), а битумо-смоляные эмульсии. Большая проникаемость таких
растворов обеспечивается, вероятно, за счет небольшой величины
вязкости и ее постоянства до схватывания, в то время как в сили-
катных растворах вязкость, вначале менее высокая, начинает воз-
растать с момента введения реагента. Очень малый размер капель
битума, их упругость и постоянство вязкости делают эти растворы
подобными настоящей жидкости, инъектируемой при постоянном
давлении до момента схватывания.
Если требуется найти более логичный критерий, чем тот, кото-
рый основан на гранулометрии, следует попытаться рассчитать раз-
мер пустот скелета и сравнить его с размером частиц раствора.
Пусть имеется совокупность частиц с удельной поверхностью S и
пористостью п. Эта пористость одинакова для любой плоскости, пе-
ресекающей массив. Для такой плоскости гидравлический радиус
сечения потока составит
Зп
Г “2(1 — n)S'
Такой скелет может быть инъектируемым для частиц диамет-
ром d, если d Аг, где А — постоянная меньше 1.
Исключив величину г с помощью уравнения Козени для коэф-
фициента фильтрации k среды:
а = в_______-_____
S’(l —n)s
где В — постоянная, получим:
Если величина п для песка и гравия изменяется незначительно,
го корень квадратный из нее изменяется еще меньше. Тогда воз-
можно первое приближение:
d<C /I,
где С — постоянная.
Другими словами, на логарифмическом графике зависимости
d = f(k) предел проникания выражается прямой с наклоном V2.
Опыт подтверждает эту точку зрения настолько, что для данного
раствора можно принять диаметр частиц или агрегатов равным d
(рис. 2-6).
Преимущество, которое дает выбор коэффициента фильтрации
для определения предела проникаемости, очевидно. Практически
невозможно сравнивать даже близкие кривые гранулометрического
состава, в то время как коэффициенты фильтрации сравнивать очень
легко. Кроме того, водопроницаемость может быть измерена на
месте, в то время как гранулометрия совершенно не учитывает
плотность среды. Несмотря на свою неточность, этот критерий яв-
ляется наилучшим.
Предел проникаемости должен рассматриваться, однако, как
лабораторный курьез. Опыт показывает, что в действительности про-
ницаемость грунта на месте выше величин, получаемых в лабора-
торных условиях. Очевидно, это происходит за счет деформации
26
грунта. Кроме того, нет необходимости полностью пропитывать все
горизонты грунта для устройства противофильтраовонмой завесы.
Именно эти два расхождения с теорией позволили значительно про-
двинуться в области инъекции аллювиальных грунтов за последние
Рис. 2-6. Пределы проникаемости рас-
творов, установленные на основе во-
допроницаемости грунтов.
1 — органические смолы (предел, со-
ответствующий нормальным условиям
инъекции); 3 — гель сильно раство-
ренного силиката (предел, получен-
ный по нарастанию вязкости) и эмуль-
сии битума; 3 — полутвердый гель
силиката натрия — лигнохромы; 4 —
твердый гель силиката натрия — Дефло-
кулированный бентонит; 5 — глино-це-
мент; 6 — цемент.
годы. Лабораторными исследованиями просто пытались объяснить
успешное проведение работ, и можно только сожалеть о их несо-
вершенстве. Они определяют предел, который только практика мо-
жет истолковать правильно.
| ЧАСТЬ ВТОРАЯ
| ТЕОРИЯ И ПРИНЦИПЫ ИНЪЕКЦИИ
Глава третья
ТЕЧЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНЪЕКЦИИ.
СЫПУЧИЕ СРЕДЫ
О КОЭФФИЦИЕНТЕ ФИЛЬТРАЦИИ
В тонкой трещине с постоянным раскрытием и аллю-
вии (чистом песке или песчано-гравелистом грунте) те-
чение жидкости бывает обычно ламинарным. Ее расход
обусловлен коэффициентом фильтрации.
Рассматривая движение воды, пользуются тем, что ее
вязкость почти не меняется при колебаниях температу-
ры, и учитывают это в коэффициенте фильтрации, кото-
рый превосходно определяет гидравлические характери-
стики среды. Он имеет размерность скорости и обычно
обозначается буквой k. Это коэффициент Дарси. Строго
говоря, коэффициент имеет смысл только для жидкости
с постоянной температурой, а следовательно, и с постоян-
ной вязкостью. Это расход жидкости через единицу се-
чения при гидравлическом градиенте, равном 1. Иссле-
дование влияния вязкости показывает, что каждая жид-
кость при движении придает различный коэффициент
фильтрации одной и той же среде. Как и расход, ко-
эффициент fc* изменяется в обратной зависимости от ве-
личины вязкости жидкости.
* Для того чтобы освободиться от такого влияния вязкости,
нефтяники ввели коэффициенты проницаемости среды, измеряемые
в дарси и пермах.
Для воды при 20° С они имеют следующие значения:
100 дарси = 10~* 8 м/сек = 10-в перм.
В дарси давление — в атмосферах и вязкость — в сантипуазах.
Это единица американского происхождения. Перм — единица фран-
цузского происхождения в системе CGS: давление — в барах, вяз-
кость — в пуазах.
Интересно отметить, что среда с проницаемостью, равной
28
Следовательно, если ko — коэффициент фильтрации
при вязкости воды vo, то коэффициент фильтрации k при
вязкости жидкости v будет определяться зависимостью
k
X ~ V'
Если известен коэффициент фильтрации даивой
среды для воды, а его относительно легко определить,
можно рассчитать коэффициент фильтрации ее k для
другой жидкости, вязкость которой известна.
Последнее условие почти невозможно выполнить для
инъекционных растворов. Они являются более или менее
Срезывающие усилия, дин/сл^г
Рис. 3-1. Исследование вязкости бентонитового
геля на ротационном вискозиметре.
коллоидными суспензиями, вязкость которых изменяется
с изменением градиента скорости потока и зависит от
возраста. На рис. 3-1 приведен пример таких изменений.
Вначале раствор ведет себя, как ньютоновская жид-
кость, вязкость которой постоянна. Но по мере старения
он быстро теряет это свойство и приближается к бинга-
мовой жидкости. Поэтому опасно говорить о величине
вязкости раствора. Однако предположим, что вязкость
1 дарси (10-Б м/сек), представляет собой предел ннъектируемостк.
Только смолы, столь же жидкие, как и вода, могут быть использо-
ваны для ее инъекции в настоящем смысле этого слова, т е. для
пропитки.
известна, когда определен только порядок ее величины.
Это поможет уточнить ход явлении, происходящих в
процессе инъекции.
ИНЪЕКЦИЯ В ВОДОПРОНИЦАЕМУЮ ОДНОРОДНУЮ
И ИЗОТРОПНУЮ СРЕДУ
Если в однородной и изотропной среде с коэффициен-
том фильтрации k создают полость, заполняемую раство-
ром при давлении Ро> в породе возникает радиальное
течение (рис. 3-2).
При установшемся движении имеем:
Р° Р~ Ck ’
где р — давление в полости до инъекции; Q — расход
инъекции; у — удельный вес раствора; k0 — коэффициент
Рис. 3-2. Радиаль-
ный лоток при
инъекции.
Рис. 3-3. Давления при инъекции в зависимости
от проницаемости среды.
Радиальный поток с расходом Q=0,5 л/сек.
фильтрации среды для воды; vq —вязкость воды; v —
вязкость раствора; С — коэффициент, зависящий от фор-
мы инъектируемой полости; для сферы радиусом г0
С = 4лг0.
Таким образом, инъекционное давление пропорцио-
нально расходу, удельному весу раствора, его вязкости
и обратно пропорционально водопроницаемости породы.
30
Определим порядок величины Р» -р Предположим,
что инъектируемая полость имеет сферическую форму
радиусом 10 см. Расходы инъекции бывают от 03 до
1,0 л)сек; примем Q = 0,5 л/сек.
Изменения давления в зависимости от проницаемости
при инъекции воды (yv/v© = 1 т/м3) и вязкого раствора
(yv/vo= 100 т/м3) показаны на рис. 3-3.
Интересно отметить, что для
инъекции этого раствора в грунт
с проницаемостью от 10 до 100
дарси (от Ю-4 до 10"3 м/сек)
давление изменяется от 4 до 40
кгс/см2. Эти повышенные давле-
ния могут нарушить грунт. Кро-
ме того, они очень быстро возра-
стают при увеличении вязкости
раствора.
Определим теперь продолжи-
тельность инъекции, т. е. время /,
Рис. 3-4. Ход инъежша
во времени.
Радиальный поток с рас-
ходом я=-
-•А
которое необходимо для того, что-
бы раствор прошел расстояние R.
Если п — пористость грунта, то
имеем:
Q = «4№-^-,
откуда
4,n(««-rg)
1 ~ 3Q
Как и следовало ожидать, проницаемость не участ-
вует в полученном результате.
Предположив, что n = 0,3; Q =0,5 л/сек и г© — вели-
чина незначительная по сравнению с R> можно построить
кривую, показанную на рис. 3-4.
Это весьма поучительный результат. Можно увидеть,
что примерно через 1 ч после начала инъекции R =
= 1,10 м. Поскольку вязкость раствора увеличивается
с течением времени и схватывание его может произойти
менее чем через 1 ч, пропитывание грунта за пределами
небольшого объема вокруг полости может потребовать
высоких давлений. Могут возникнуть разрывы грунта и
выходы раствора на поверхность. Мощность насоса мо-
жет оказаться недостаточной. При инъекции однородных
аллювиальных грунтов следует существенно сблизить
31
инъекционные скважины, если -требуется пропитать все
поры грунта. Далее будет ясно, что это условие,
к счастью, не строго обязательно при устройстве проти-
вофильтрационных завес, но необходимо при укреплении
грунтов.
ИНЪЕКЦИЯ В НЕОДНОРОДНУЮ ВОДОПРОНИЦАЕМУЮ
СРЕДУ
Однородные и изотропные среды являются исключи-
тельными явлениями природы, чаще всего встречаются
неоднородные слоистые грунты (Cambefort, 1951). Из-
Рис. 3-5. Проникание
очень жидкого рас-
твора (АМ-9) в слои
песка различного гра-
вестно, что аллювиальные грунты
состоят из напластований слоев пес-
ка й гравия весьма различной про-
ницаемости. Толщина этих слоев
может колебаться от нескольких
миллиметров до нескольких деци-
метров.
Если инъектируемая полость, на-
пример участок скважины, пересека-
ет много слоев, раствор проникает
сначала в сильно проницаемые слои,
а другие слои служат при этом во-
доупорами. Затем все происходит в
обратном порядке. После инъекции
сильно проницаемые слои становят-
ся водонепроницаемыми по отноше-
нию к другим и раствор инъектирует
нулометрического со- тогда менее проницаемые слои,
става. В обоих случаях происходит гори-
зонтальное движение (рис. 3-5). По-
этому можно применить уравнение Дюпюи:
— р
mA,
(2)
где е — мощность слоя, принимаемая постоянной; г0 —
радиус скважины; R — радиус влияния, или, точнее, по-
стоянная интегрирования, которую можно представить
как расстояние, при котором давление равно р.
Этот радиус влияния рассчитать невозможно. Он не
бывает слишком большим (не более нескольких мет-
ров); так как он находится под знаком логарифма, из-
менение его величины не имеет большого значения. -
32
Единственное отличие этого уравнения от предыду-
щего появление в знаменателе мощности е слоя. Оче-
видно, что расход пропорционален мощности ияъекти-
руемого слоя.
Определим порядок величины Pq~P при переменной
проницаемости и R = 2 м; г0 = 0,1 м; Q = 0,5 л!сек.
Рис. 3-6. Давление инъекции в зависимости
от проницаемости среды.
Горизонтальная фильтрация Я=2 ж; г»= 0,1 ж;
0=0,5 л/сек.
Результат представлен на рис. 3-6 для:
—— = 1 т/м* (вода при е = 1 ж);
= 100 т/м* (раствор ют же, что и прежде,
при е = 1 м);
— _ 5Q0 т/м* (тот же растгор при ^«0,20 м).
Для инъекции такого раствора в грунт проницае-
мостью от 10 до 100 дарси (Ю-4—10-3 м/сек) давление
должно быть от 2 до 24 кгс/см2 при мощности слоя 1 м
и от 12 до 120 кгс/см2, если мощность всего 0.20 м.
Здесь ясно сказывается значение мощности слоя.
Инъекция сильно проницаемого слоя может потребовать
применения высоких давлений, если мощность его незна-
чительна, например несколько сантиметров, как это час-
то бывает. Поскольку невозможно изменить мощность
33
<лоев, снизить давления можно только уменьшением
вязкости раствора или расхода инъекции. Последнее ре-
шение, к сожалению, обходится слишком дорого, а сни-
жение вязкости может производиться лишь в определен-
ных пределах. Поэтому иногда следует допускать высо-
кие давления инъекции.
Продолжительность инъекции определяется так же,
как и для инъекции однородных грунтов.
Имеем:
что дает:
ппе (R2 - г20)
Q
Пренебрегая величи-
ной Го и приняв п = 0,3:
R = 2 м; Q = 0,5 л/сек, по-
лучим продолжительности
инъекции, приведенные на
Рис. 3-7. Ход инъекции во време-
ни. Плоское течение. Q = 0,5 л!сек\
п=0,3.
рис. 3-7 при е=1 м и е=0,20 м. Они много меньше,
чем в случае инъекции однородных грунтов, особенно
при незначительной мощности слоев.
РАЗЖИЖЕНИЕ РАСТВОРОВ ПРИ СМЕШИВАНИИ С ВОДОЙ
Предыдущие рассуждения предполагали, что раствор
вытесняет грунтовую воду, не смешиваясь с нею, т. е.
что раствор не обладает способностью смешиваться с во-
дой. Это условие может быть удовлетворено только в
очень редких случаях, исследование которых предпола-
гает учет поверхностных натяжений, возникающих на
контакте вода — раствор — грунт. Здесь этот вопрос не
рассматривается.
При обычных смешивающихся с водою растворах
такой контактной поверхности не существует. Опыт по-
казывает, что раствор не тотчас заполняет все поры.
Очевидно, он течет по основным проходам вокруг круп-
ных частиц, что дает ему возможность разжижаться.
Так, если инъектировать силикатный раствор в ци-
линдр, заполненный водонасыщепиым песком, то в мо-
мент, когда объем заинъектированиого раствора равен
объему пор, на выходе собирается сильно растворенный
гель вместо чистой воды (рис. 3-8)
34
Рис. 3-8. Разжижение силикат-
ного раствора, инъектированно-
го в цилиндр, заполненный во-
донасыщенным песком.
При инъекции определялось содер-
жание силиката в фильтрате.
V_
Разж = —--------разжижение
Трасте
раствора на выход? из цилиндра =
объем воды
— объем раствора
^эаин заинъектированный объем
V'nop объем пор '
Приходится инъектировать значительно больший
объем раствора по сравнению с объемом пор, для того
чтобы компенсировать разжижение раствора (Stefan,
1963).
Это явление легко объясняется извилистостью струек
раствора, который течет между частицами, постепенно
вовлекая грунтовые воды,
которые за пределами этих
струек остаются неподвиж-
ными. Поскольку обычно
разжижение раствора сопро-
вождается увеличением сро-
ка схватывания и уменьше-
нием прочности конечного
продукта, по периферии за-
инъектированного объема
существует переходная зона,
обработанная хуже. В то же
время разжижение раствора
в толще грунта ведет к уве-
личению затронутого инъек-
цией объема. Это явление,
четко выявляемое в лабора-
тории, менее заметно в дей-
ствительности. Тем не менее
именно оно придает мелко-
зернистым пескам отличный
вид, хотя заметно, что они
не охвачены инъекцией, а
просто обжаты под ее воз-
действием. Оно объясняет
также, почему химический
состав грунтовой воды мо-
жет влиять на поведение
раствора. Так, например, си-
ликагели со временем схва-
тывания от 30 мин до 1 ч могут схватиться в течение
нескольких минут, если грунтовая вода достаточно ми-
нерализована.
ИНЪЕКЦИЯ ВБЛИЗИ НЕПРОНИЦАЕМОЙ СТЕНКИ
Опыт многих строек показывает, что инъекция, про-
изводимая через скважину, расположенную в нескольких
метрах от непроницаемой шпунтовой или бетонной стен-
35
км. вызывает выходы раствора на поверхность вблизи
этой стенки.
Это удивительное на первый взгляд явление легко
объяснимо.
Рассмотрим однородный грунт проницаемостью k, пе-
ресеченный двумя скважинами, расстояние между кото-
рыми 2L и через которые производится инъекция при
одинаковом давлении и с одинаковым расходом Q
(рис. 3-9).
Рис. 3-9. Инъекция вбли-
зи стенки.
Линии тока при отсут-
ствии выходов на по-
верхность вдоль стенки.
МепрвмЩаейая
"*^4 стенка.
Рис. 3-10. Инъекция
вблизи стенки. Линии
тока, питающие выхо-
ды вдоль стенки.
В точке А1, расстояние от которой до скважины соот-
ветственно равно х и у, давление Р будет выражено
уравнением
Р — Р= In - , (3)
г у Ху
где р— давление на расстоянии R.
По соображениям симметрии средняя линия сегмента
длиной 2L, соединяющая обе скважины, является линией
тока. Поэтому можно, не нарушая потока, заменить эту
линию непроницаемой стенкой. После этого можно ис-
ключить из рассмотрения одну из скважин без измене-
ния потока от другой. Таким образом, можно получить
поток, соответствующий инъекции вблизи непроницае-
мой стенки.
Рассмотрим теперь линию тока, проходящую по стен-
ке. Давление потока, возникающее за счет жидкой
струйки, параллельной стенке, и гидростатический напор
этой струйки определяется как
Рт-р- ОтГ_|п-^_.
т к nk9v9e L
Таким образом, на контакте со стенкой имеются гид-
ростатическое давление, не равное нулю, и давление по-
тока, которые оказывают воздействие на аллювий парал-
лельно стенке. Это объясняет все. Гидростатическое
давление опирает стенку на аллювий, расположенный за
нею, и отодвигает его в результате сжатия. Аллювий,
расположенный перед стенкой, не подвержен этим пере-
мещениям, так как давление потока поддерживает его
параллельно стенке. Появляется свободный проход и
возникает выход раствора на поверхность.
С этого момента течение полностью изменяется. Оно
соответствует случаю, когда фиктивная скважина погло-
щает расход, равный Q (рис. 3-10), и описывается урав-
нением
хТьДСдТфе Л,
где р — давление, вызывающее выход на поверхность.
Другими словами, достаточно возникновения подоб-
ного выхода на поверхность, чтобы он впоследствии по-
стоянно поддерживался, пока инъекция продолжается.
Следует отметить, что это явление может произойти
еще до того, как раствор достигнет стенки. Оно возни-
кает в начале инъекции в результате движения вытес-
няемых раствором грунтовых вод. Однако вода не дости-
гает поверхности грунта и отмечаются только выходы
раствора. Для возникновения этого явления достаточно
наличия нескольких сильно проницаемых горизонтов
Ясно, что серьезная инъекция в таких условиях невоз-
можна.
Для борьбы с этими осложнениями можно прекра-
щать инъекцию при появлении выходов на поверхность,
дожидаться схватывания раствора и инъектировать
вновь. Но при каждой повторной инъекции выходы по-
вторяются до тех пор, пока аллювий, находящийся поза-
ди стенки, не перестанет сжиматься. А это может про-
должаться довольно долго.
Единственно правильным решением будет восстанов-
ление схемы первоначального течения (см. рис. 3-9). т. е.
инъекция одновременно двух скважин, расположенных
по разные стороны непроницаемого экрана. В этом слу-
чае стенка не должна смещаться и выходов на поверх-
ность не произойдет. Недостатком этого метода является
необходимость инъекции грунта, который в этом не нуж-
дается.
Можно также рассмотреть возможность нагнетания в
эту дополнительную скважину воды. Но вследствие
усложнения работ такое нагнетание, если его делать
высококачественно, будет не менее дорогим, чем инъек-
ция раствора.
Глава четвертая
ТЕЧЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНЪЕКЦИИ (окончание).
ТРЕЩИНЫ
ИНЪЕКЦИЯ НЕНЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ В ТРЕЩИНУ
Инъекция жидкости в трещину, имеющую постоян-
ное раскрытие, соответствует плоскому течению. Для
упрощения математического анализа можно предполо-
жить, что вязкость жидкости или раствора непостоянна.
Можно, в частности, принять, что
где G — сдвигающее усилие раствора, действующее на
элемент плоскости, параллельной границе потока; V —
соответствующая составляющая скорости; v — коэффи-
циент пропорциональности, который учитывает коэффи-
циент вязкости ньютоновской жидкости, при которой
а = 1.
Это уравнение выбрано, поскольку оно позволяет
вести сравнительно простые расчеты, что практически
невозможно, если пользоваться законом Бингама, кото-
рому отвечают почти все стабильные растворы. Приве-
денные ниже результаты, полученные Ж- Брийаном
(J. Brillant), являются поэтому лишь первым прибли-
жением.
Если Ро — давление в скважине радиусом г0, пересе-
кающей трещину шириной е; р — давление на расстоянии
М
ft, то при ламинарном течении с расходом Q имеем:
Р - п — - — L122W 2 -г
ио~Р“ 1—V* ‘-Т-)\Т) х
X(«'—rn+4-47S-^r(|-/r). И
где у — удельный вес раствора.
Это уравнение является обобщенным уравнением
Бекера (W. J. Baker), которое приведено ниже. Первый
член соответствует потерям напора за счет трения, вто-
рой член — изменениям кинетической энергии при ра-
диальном течении; этот член изменяется в довольно
малых пределах, если а изменяется от нуля до бесконеч-
ности. Им можно пренебречь.
Это-уравнение, выведенное для установившегося те-
чения, показывает, что для данных конкретных условий
(/?, го и е известны) давление инъекции зависит только
от расхода Q, закона изменения вязкости раствора (v и
а) и его удельного веса.
Иными словами, при инъекции стабильного раствора,
вязкость которого не зависит от времени, давление
инъекции находится в прямой зависимости от расхода.
Если расход постоянен, давление постоянно. Из этого
следует весьма важное положение: объем инъектируемо-
го стабильного раствора не может лимитироваться по-
вышением давления нагнетания. Поэтому его следует
систематически ограничивать.
Этот вывод справедлив как для инъекции трещины,
так и для инъекции аллювия.
В действительности даже при сохранении постоянно-
го расхода давление может слегка увеличиваться. Это
происходит, с одной стороны, за счет увеличения /?. а о
другой — за счет повышения вязкости с течением време-
ни. Однако этого увеличения давления никогда не бывает
достаточно для достижения давления отказа, возникаю-
щего при инъекции нестабильных растворов. Если необ-
ходимо получить такое давление отказа, следует приме-
нять быстро схватывающиеся растворы, у которых одно-
временно повышаются вязкость и структурная прочность.
Но эти растворы следует применять с большой осто-
рожностью.
39
ИНЪЕКЦИЯ НЬЮТОНОВСКОЙ ЖИДКОСТИ В ТРЕЩИНУ
Достаточно принять а = 1 в формуле (5) и устранить
неопределенность, чтобы получить уравнение ламинар-
ного течения ньютоновской жидкости в трещине
(W. J. Baker, 1955):
° Р не1 r0 2( gne3 ( г2 Я1 ] * ' '
Отбросив последний член и приняв k = уе2/12, полу-
чим формулу Дюпюи (k — коэффициент фильтрации
трещины). Этот более простой по сравнению с предыду-
щим случай позволяет рассчитать потери напора при
турбулентном течении между окружностями радиусами
fti и R2:
Л-р!-о.оч5^.(Й--4,) +
1
4--TQL I.
Рис. 4-1. Течение воды в
единичной трещине. Испы-
тание по методу Люжона
(R = 10 .«).
I — скважина О 50 мм; 2 —
скважина 0 100 дон (1 тре-
щина 0,2 мле); 3 — скважина
О 100 мм (трещина 0,2 зим,
раскрытая давлением); 4 —
скважина 0 50 мм (1 тре-
щина 0,5 лик); 5 — скважи-
на 0 100 леи.
Р)
Бекер считает, что переход
от ламинарного течения к тур-
булентному происходит при
числе Рейнольдса Vey/gv (где
V — средняя скорость) в пре-
делах от 2 000 до 4 000. Для
случая радиального течения
(Re = Qy/2jtgvR) можно отме-
тить, что для данной жидкости
и данного расхода переход от
одного режима к другому за-
висит только от числа Рей-
нольдса. Поэтому раскрытие
трещин не оказывает влияния
на повышение турбулентности,
разумеется, если расход и
свойства жидкости остаются
без изменений.
Критическому числу Рей-
нольдса 2 900 соответствует
расход воды 1 л/сек при нор-
мальной температуре и /?=5 см, т. е. течение в трещи-
не, имеющей некоторую ширину, пересеченной скважи-
ной диаметром 100 мм, будет ламинарным только при
расходах менее 1 л/сек.
40
С помощью приведенных уравнений (6) и (7) можно
рассчитать потери напоров при различных режимах.
В качестве примера на рис. 4-1 приведен результат та-
кого расчета для трещины с раскрытиями 0,2 и ОД мм,
пересеченной скважиной диаметром 50 или 100 мм. При
этом принято, что на расстоянии 10 м от оси скважины
давление равно нулю. Эта диаграмма показывает взаи-
мосвязь турбулентности, диаметра скважины и раскры-
тия трещины. Несомненно, что последняя величина имеет
преобладающее значение. Таким образом, при наличии
одной трещины результат испытаний по методу Люжона
зависит в значительной степени от режима течения и
диаметра скважины. Попытки уточнить результаты йзме-
рений оказываются бесполезными и, напротив, порядок
полученных величин хорошо характеризует раскрытие
трещин. Именно в этом и заключается смысл такого
испытания.
Влияние давления на раскрытие трещин
Рассмотрим одну или две трещины, пересеченные
опытной скважиной (рис. 4-2). Под действием давления
потока пространства а и b будут сжиматься. Такое сжа-
тие вызовет увеличение раскрытия трещин. Точный рас-
чет здесь невозможен, но можно попытаться определить
порядок величин. С учетом принимаемых допущений
величиной сжатия на участке Ь, мощность которого не
превышает нескольких метров, можно пренебречь.
Сжатие на участке а можно определить по уравне-
нию Буссинеска для осадкн-JF диска радиусом г, нагру-
женного силой F. Если Е— коэффициент упругости
среды и 1/т — коэффициент Пуассона, то
откуда при т = 2, обозначив через р давление на еди-
ницу поверхности, получим:
Г = 1,5^ (S)
Произведем, применив уравнение (6), расчет общего
усилия F, приложенного к каждой поверхности трещин.
Вычисления показывают, что для трещины с раскрытием
41
0.5 мм при расходе 1 л/сек величиной второго члена
хможно пренебречь.
Тогда получим:
р __ vR'P,
где Ро — давление в скважине; R— радиус влияния.
Расчет для г0 = 5 см и R = 10 или 100 м показывает,
что можно рассчитать F, предположив, что давление Ро
распространяется на площадь радиусом, равным у3 или
‘Д радиуса влияния.
Рис. 4-2. Теоретические трещины,
пересеченные опытной скважиной.
Следовательно, для определения осадки полупрост-
ранства а достаточно принять в уравнении (8) давление,
равное давлению инъекции, и радиус, равный ’/3 или
радиуса влияния.
Итак, раскрытие трещин меняется с изменением дав-
ления потока, а приведенный ранее способ позволяет
учесть это весьма приближенно. При такой точности и
для упрощения расчета можно также пользоваться тем,
что потери напора от изменения кинетической энергии
пренебрежимо малы по сравнению с потерями напора
на трение.
Для примера приведем расчет для трещины в скаль-
ной породе с коэффициентом упругости 400 000 кгс/см2 с
начальным раскрытием 0,2 мм. Результат приведен на
рис. 4-1. При давлении 6,7 кгс/см2 трещина открывается
па 0,1 мм. Нет ничего удивительного в том, что потери
напора будут полностью отличаться от рассчитанных в
предположении, что скала совершенно жестка. Две ли-
нии этого графика имеют противоположную кривизну.
Поэтому можно считать, что открытие трещин под дей-
ствием давления может привести к спрямлению кривых
42
При испытаниях. Ламинарное течение представляется
значительно более длительным, чем в действительности.
Это раскрытие трещин, весьма затрудняющее иитерпрв-
тацию испытаний по Люжону, исключительно благо-
приятно для инъекции скальных пород. Можно сказать,
что именно благодаря ему водонепроницаемость скаль-
ных пород может быть обеспечена инъекцией простой
цементной суспензии. К этому вопросу мы еще вер-
немся. ।
Влияние количества и величины раскрытия трещин
Практически невозможно учесть все возможные слу-
чаи течения для точного определения влияния числа н
величины раскрытия трещин. Однако об этом можно со-
ставить представление, предположив, что течение лами-
нарное, скала жесткая и потери напора на трение преоб-
ладают. При этом потери напора будут обратно пропор-
циональны кубу раскрытия трещин е.
Если скважина пересекает п трещин с раскрытиями
е0, еь ..., вп, результат гидравлического опробования
будет тот же, что и при одной трещине с раскрытием е
при
е3 = eg + е? + + е3.
Но задача еще слишком сложна, чтобы ее можно бы-
ло решить. Однако, предположив, что все трещины
имеют одинаковое раскрытие, простым изменением их
количества можно получить данные, приведенные в
табл. 4-1 (г0 = 5 см; R = 10 м). При составлении табли-
цы были выбраны две разные длины зон инъекции для
демонстрации их влияния.
Т а б л и ц а 4-1
Волопогло- щение, люжон Длина зоны, м Раскрытие трещин, мм
1 трещина 10 трещин 100 трещин
6 0,484 0,225 0,106
1С0 3 0,385 0,178 0,(83
10 6 0,225 0,106 0.С48
3 0,178 0,083 0.(38
1 6 0,1(6 0,048 0,022
3 0,083 0,038 0,018
43
Имея небольшую точность, несмотря на обилие де-
сятичных знаков, эти результаты весьма наглядны. Они
показывают, что очень высокая водопроницаемость
100 люжон может возникнуть за счет сотни трещин рас-
крытием около 0,1 мм. Эти трещины не> инъектируются
цементным раствором без принятия соответствующих
мер, но их и не предпринимают, потому что проницае-
мость велика. В этом случае сталкиваются с высокой
проницаемостью и практически нулевым поглощением.
Напротив, можно получить водопроницаемость 1 лю-
жон при единственной трещине с раскрытием 0,1 мм.
Проницаемость весьма слаба, принимают все известные
меры, □ инъекция возможна. Поглощение может ока-
заться заметным. Поэтому представляется ошибочным
пытаться связать поглощение воды и цемента. Для ка-
кого-либо конкретного места такая корреляция возмож-
на, поскольку раскрытие трещин может зависеть от
определенных геологических условий. Однако использо-
вание полученной зависимости для других объектов ри-
скованно, так как оно может привести к результатам,
не соответствующим действительности. Такие результа-
ты подтверждают необходимость инъекции разведочных
скважин. Благодаря этой инъекции можно определить
вид раствора и технологию, наиболее подходящие для
данного грунта. Следует указать все же, что опыт про-
ведения работ позволяет почти всегда отказаться от этой
инъекции. Ее применяют в особых случаях.
Наконец, полученные результаты подтверждают так-
же необходимость контрольных скважин после инъекции.
Никогда нельзя быть уверенным в том, что, несмотря на
тщательное выполнение работ, не осталось каких-либо
участков с тонкой трещиноватостью, которые не подда-
ются обычной инъекции. Такие скважины следует инъек-
тировать особо проникающим раствором.
ИНЪЕКЦИЯ НЕСТАБИЛЬНОГО РАСТВОРА В ТРЕЩИНУ
Именно инъекция суспензий цемента в воде привела
к развитию инъекции. Эти суспензии, цементно-водное
отношение которых может изменяться от ‘/lio ДО 1»
в основном нестабильны. Успех их применения при там-
понировании трещин подтверждается постоянно. Однако
никакой теории, объясняющей причину получения удов-
летворительных результатов, не существует.
44
Долгое время предполагали, «по та мгюиирова ине Тре-
щин при инъекции происходит за счет образования це-
ментной пробки, которая утолщается в верховую сторо-
ну; избыточная вода раствора при этом фильтруется че-
рез пробку. Достаточно устроить на кцице инъехцяоиього
трубопровода клапан и отрегулировать его таким об-
разом, чтобы началось образование пробки, как можно
заметить, что расход практически снижается до нуля, как
только пробка достигает 15—20 см длины, т. е. в тече-
ние нескольких секунд. Эту длину легко измерить при
открытии клапана для извлечения пробки. Поэтому от
такого объяснения следует окончательно отказаться.
Впрочем, эта теория противоречит экспериментальным
законам, определяющим соотношение между расходом и
давлением инъекции, и не согласуется с соображениями
о раскрытии,трещин под действием давления.
В свете многочисленных лабораторных исследова-
ний, проводившихся, впрочем, для других целей, и зс-
ходя из некоторых приведенных выше указаний, попы-
таемся понять, что же происходит в данном случае.
Начнем с напоминания, что взвесь песка и гравия в
воде может перемещаться по трубопроводу, если ско-
рость течения достаточна. Это тот же принцип, что и
у землесоса. Ниже некоторой скорости, называемой кри-
тической, частицы взвеси оседают и трубопровод закупо-
ривается.
Представляется, что для суспензии с гранулометри-
ческим составом, сходным с гранулометрией цемента,
критическая скорость отложения будет тем выше, чем
больше концентрация суспензии. Этот результат хорошо
известен любому специалисту по инъекции. Если рас-
твор слишком густой, он плохо поглощается грунтом.
Чтобы обеспечить водонепроницаемость, при этом при-
ходится чрезмерно сближать скважины. Если, напротив,
раствор слишком разбавлен, никогда не удается полу-
чить отказ. Ниже мы увидим, каким образом практика
помогла разрешить эту дилемму.
Другой результат, о котором следует напомнить, при-
надлежит Юльстрому (Hjulstrom). Его опыты показали,
что частицы диаметром 0,05 мм, весьма близкие по раз-
меру к крупным частицам цемента, осаждаются при ско-
рости движения около 3—4 с.и/сек, в то время как не-
обходимо иметь скорость 20—30 см/сек, чтобы осадок
вновь превратить в суспензию.
43
И, наконец, известно по интерпретации испытаний
методом Люжона, что трещина может раскрываться под
действием давления инъекции.
На основании этих данных покажем, что обеспечение
водонепроницаемости при инъекции нестабильного рас-
твора достигается за
Рис. 4-3. Инъекция тре-
щины нестабильным рас-
твором.
счет гидравлического замыва.
Рассмотрим трещину по-
1 — отложение цемента в
низовом направлении;
2 — отложение цемента
при окончании нараста-
ния в низовую сторону;
3 — отложение цемента
при нарастании в верхо-
вую сторону.
стоянкой толщины, пересечен-
ную скважиной диаметром 2 г0
(рис. 4-3). Вначале в трещине
возникает плоское течение,
удовлетворяющее в первом
приближении уравнению (6).
Известно, что при расходе
1 л/сек, (максимальный расход
при обычной инъекции) тече-
ние воды становится ламинар-
ным в нескольких сантиметрах
от оси скважины, какова бы
ни была величина раскрытия
трещины. При таком течении
давление быстро уменьшается
с увеличением расстояния от
скважины, а средняя скорость
снижается еще быстрее. Ско-
рости в сечении распределяют-
ся по параболическому закону.
На контакте со стенкой
скорость равна нулю. Частицы
суспензии могут, следователь-
но, легко откладываться. Од-
нако частицы у верхней стен-
ки трещины, которые уже не
увлекаются потоком, падают в
зону, где скорость течения мо-
жет вновь их подхватить. Толь-
ко частицы вблизи нижней
стенки могут откладываться и
уменьшать тем самым раскры-
тие трещины.
Это явление представляется второстепенным, так как
на некотором расстоянии максимальная скорость тече-
ния уже недостаточна для того, чтобы поддерживать ча-
стицы во взвешенном состоянии. Образуется осадок. По
46
мере его образования сечение уменьшается я скорость
раствора увеличивается. Но поскольку по Юльстрему
скорость эрозии много выше скорости осаждения, оса-
док остается на месте. За осадком скорость резко свн-
жается и вновь образуется осадок. В этой фазе инъек-
ции отложение растет в направлении течения.
Если течение имеет цилиндрическую форму, высота
осадка увеличивается постепенно по мере удаления от
скважины; при плоском течении эта высота сохраняет-
ся. В обоих случаях сечение потока постоянно и оно
распространяется на все большую и большую длину
Именно сечение определяет характер течения. Давление
перед пробкой увеличивается по мере распространения
осадка вглубь. Начиная с некоторой величины, увеличе-
ние потери напора ведет к снижению расхода инъекци-
онного насоса, и скорость раствора перед пробкой умень-
шается. Такое снижение скорости сопровождается седи-
ментацией частиц цемента. Тогда пробка растет в верхо-
вую сторону. Скорость эрозии не может быть получена,
и трещина заполняется до самой скважины. Такое за-
полнение несовершенно. Всегда существует небольшой
зазор, по которому течет раствор. Но под действием дав-
ления инъекции раскрытие трещины увеличивается. Как
будет видно дальше, при обычных давлениях инъекции
увеличение раскрытия около нескольких миллиметров
легко достигается при любом начальном раскрытии тре-
щины. Когда инъекция прекращается, трещина стремит-
ся принять первоначальное положение. Обе стенки сжи-
мают отложения цемента, и трещина тампонируется пол-
ностью. Этот анализ позволяет понять, как путем обыч-
ной инъекции можно придать преднапряжение скальной
породе. Следует инъектировать при достаточно высоком
давлении, чтобы трещины вполне раскрылись. Отложе-
ния цемента помешают нм принять первоначальное рас-
крытие и вследствие этого скала окажется в преднапря-
женном состоянии, как если бы ее сжали клиньями.
Понятно также, почему инъекция, оконченная при
некотором давлении отказа, может быть возобновлена
при более высоком давлении. Давление еще больше рас-
крывает трещину, и происходит новое отложение
цемента.
Если инъектируемая среда имеет небольшой коэф-
фициент упругости, как, например, некоторые глинистые
скальные породы, раскрытие трещины под действием
V
г
давления очень велико. Тогда можно возобновить инъек-
цию при давлении, весьма близком к давлению, при
котором произошел отказ, и инъектировать еще значи-
тельный объем цемента. Если такая трещина будет впо-
следствии вскрыта при выемке котлована, то можно
будет проследить различные фазы инъекции. Может по-
казаться, что после заполнения трещины цемент дал та-
кую усадку, которая позволила снова инъектировать об-
разовавшуюся при этом пустоту, в то время как в дей-
ствительности произошло просто сжатие грунта (рис. 4-4).
Рис. 4-4. Образец глино-цементного раствора, из-
влеченный из трещины. Можно насчитать семь
последовательных фаз инъекции.
До сих пор предполагалось, что отложения цемента
остаются на месте. Это возможно, несмотря на высокое
давление, действующее с верховой стороны, поскольку
стенки трещины никогда не бывают совершенно глад-
кими. Всегда имеются неровности и даже сужения, за
которыми могут следовать расширения. Тем не менее
при инъекции иногда отмечается резкое падение давле-
ния. Это бывает вызвано тем, что отложения цемента
вытесняются в низовую сторону, из-за того что стенки
трещины очень гладки или из-за образования отложений
в сужении, впоследствии расширившемся при увеличе-
нии давления. Это явление названо «раскупориванием».
Раньше инъекция объяснялась именно им.
45
Глава пятая
ДАВЛЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ
ИНЪЕКЦИЯ ОТДЕЛЬНОЙ ТРЕЩИНЫ
Давление подъема. Противодавление
Сила, стремящаяся раскрыть трещину, может быть
определена, если предположить, что давление, измерен-
ное в скважине, распространяется в зоне с радиусом,
в 3—4 раза меньшим радиуса действия инъекции, что
справедливо при наличии движения в трещине. За ис-
ключением редких случаев, это всегда имеет место при
инъекции раствора.
Если инъектируемая трещина расположена не слиш-
ком глубоко и параллельна поверхности грунта, можно
при увеличении давления поднять породу. Рассчитаем
это предельное давление, исходя из предположения, что
приподнимается грунт с удельным весом 2 г/см* в
объеме усеченного конуса, половина угла вершины кото-
рого 30° При расположении трещины на глубине 10 м
и радиусе действия инъекции 4 м давление равно
16 кгс/см2. Эта цифра показывает лишь порядок вели-
чин. Однако она вполне согласуется с практикой. Если
порода нарушена трещинами неполностью, эту величину
без риска можно увеличить. На глубине 20 м при тех
же условиях давление равно 70 кгс/см2. Косвенное под-
тверждение этого расчета, дающего высокие давления
отказа, было получено при выравнивании бетонных плит,
служащих покрытием дорог и авиационных взлетных по-
лос. Для того чтобы плита приподнялась, требуется
давление 4 кгс/см2. Поскольку она не очень тяжелая,
надо, чтобы давление, оказываемое раствором, было
равно или близко к расчетному.
Несмотря на неточность, продолжим анализ и опре-
делим порядок величины раскрытия трещины в процес-
се инъекции. Для отдельной трещины достаточно приме-
нить уравнение Буссциеска, приведенное выше.
Сделаем два расчета при г = 4 м (это довольно не-
большая величина).
В скале с Е = 200 000 кгс/см2, что для трещиноватой
породы является значительной величиной, давление
50 кгс/см2 открывает трещину на 2,5 .м.м.
В массиве с Е = 2 000 кгс/см2 (глина или песок) дав-
ление 10 кгс/см2 открывает трещину на 5 см. Вероятно.
49
что с этого момента г не остается равным 4 м. Если оно
достигает, например, 10 раскрытие составит 12,5 см.
В этом и заключается объяснение явления, называе-
мого противодавлением. Противодавление проявляется в
том, что при прекращении инъекции стрелка манометра
не возвращается в нулевое положение.
Если открыть сбросной клапан, то из скважины бу-
дет изливаться раствор. Он просто скопился в трещине,
которая расширилась при инъекции. Как только инъек-
ция прекращается, раствор выталкивается наружу за
счет упругости грунта или действия веса пород. Если
раствор твердеет в процессе инъекции, противодавления
не возникает. Трещина остается заполненной раствором
и сохраняет раскрытие, возникшее при инъекции.
Сильная сжимаемость глин, приводящая к большому
раскрытию трещин или разрывам при инъекции, обес-
печивает большой радиус действия. В определенных гео-
логических условиях это может иметь серьезные послед-
ствия.
Так, в закарстованных породах с пустотами боль-
ших размеров, заполненными глиной и расположенными
на незначительной глубине, инъекция может вызвать
опасные подъемы грунта даже при давлении в несколь-
ко килограмм-сил на квадратный сантиметр, в то время
как при отсутствии пустот можно было бы без риска
применять очень высокие давления.
Автор наблюдал подобный случай при инъекции на
глубине около 10 м при давлении около 5 кгс!см2.
В кладке образовалась тонкая трещина. Как только она
была замечена, инъекцию прекратили. Однако трещина,
продолжая раскрываться, достигла примерно 10 мм, а
затем вновь уменьшилась. Глина сыграла здесь роль
аккумулятора давления, который действовал после пре-
кращения инъекции до тех пор, пока раствор не ушел
через выходы на поверхность. Инъекция в близлежащем
районе при давлении до 30 кгс)см2 подобных явлений
не вызывала.
Этот пример весьма поучителен, поскольку он пре-
красно демонстрирует, что ограничение давлений не
всегда обеспечивает безопасность. Для этого необходи-
мы соответствующие геологические условия, что бывает
редко. Ограничение инъекционных давлений небольшой
величиной может помешать правильной обработке грун-
та, поскольку увеличение числа скважин не будет столь
/|<с эффективным, как использование высоких Давлений
инъекции.
Это утверждение — результат многочисленных на-
блюдений. При цементации стволов шахт неудачи при-
вели к необходимости увеличения давлений. После этого
результаты стали удовлетворительными (A. Fransois,
1923; F. Arguillere, 1927; Н. Van Massenhove, 1930).
Работы по восстановлению стволов шахт, разрушен-
ных в конце первой мировой войны, продемонстрировали
возможность применения повышенных давлений, кото-
рые не решались использовать в гражданском строи-
тельстве. Так, при инъекции ствола шахты Lens, раз-
рушенное крепление которой в зоне водоносных слоев
состояло из дубовых брусьев толщиной 12—20 см, при-
менялись давления до 40 кгс!см2. Скважины распола-
гались вокруг ствола по двум концентрическим окруж-
ностям на расстояниях 4 и 6,5 м от крепи. При инъек-
ции против нарушенной обделки приходилось ограничи-
вать потери раствора. К моменту начала осушения ство-
ла притока из грунта не было (A. Fransois, 1923).
F. Arguillere в 1927 г. уточнял: «Роль высоких дав-
лений при инъекции достаточно ясна и составляет физи-
ческую основу метода. Давления при инъекции дости-
гают 80 и 90 кгс!см2. Они облегчают удаление избыточ-
ной в момент схватывания раствора воды (остается
лишь вода, необходимая для кристаллизации) и способ-
ствуют исправлению ошибок в дозировке. Они увеличи-
вают сцепление осадка даже с загрязненными грунтами
и препятствуют схватыванию его в виде более или менее
загрязненной массы. Они расширяют слишком узкие
трещины, делают их проходимыми и способствуют уве-
личению проникания цементного молока. Они, наконец,
образуют в грунте новые разломы, соответствующие в
основном расположению диаклазов, покрытые тонкой во-
донепроницаемой пленкой, создавая анастомозирован-
ную сетку, через которую фильтрация воды будет огра-
ничена вследствие больших потерь напора...»
Профессор Люжон в книге «Плотины и геология*
(1933 г.) указывает:
...«Еще совсем недавно применялись пневмонагнета-
тели для раствора. Возможности их ограничены давле-
нием компрессоров, и нельзя было превысить предела
в 10 кгс/см2. Вместо этого метода стали использовать
насосы, которые обеспечивают непрерывную инъекцию
51
(что составляет основу метода) при высоком давлении
(а это главное), достигающем 50 кгс/см2 и более.
Только при инъекции верхних слоев скалы с горизон-
тальным напластованием не следует допускать столь
высоких давлении из опасения поднятия пластов, но для
любой другой скальной породы такой опасности нет...».
В дальнейшем будет показано, как в опытах Левека
(Р. Leveque), проводившихся при очень высоких давле-
ниях вблизи поверхности грунта в скале с почти гори-
зонтальной слоистостью, не удалось заинъектировать
даже плоскости напластования. Напротив, образовались
вертикальные разрывы.
Таким образом, даже столь логичные умозаключения
были опровергнуты фактами. Кажется, что каждая по-
рода представляет собой особый случай при инъекции.
Так, часто встречается трещиноватая скала, прони-
цаемость которой, измеренная при гидравлическом опро-
бовании под давлением 10 кгс/сл<2, составляет несколько
люжон. Инъекция нестабильного цементного раствора
при давлении 10—15 или 20 кгс/см2 приводит к немед-
ленному отказу, так как частицы цемента образуют
фильтр на входе в каждую трещину. Напротив, если
увеличить давление, поглощение цемента станет суще-
ственным. В этом случае часто говорят, что инъекция
разрывает грунт. Как правило, большие давления вызы-
вают только раскрытие тонких, ранее существовавших
трещин, что обеспечивает продвижение цемента.
Из этого можно сделать следующий вывод: тонкотре-
щиноватая скала может быть инъектирована при невы-
соких давлениях только при использовании цемента
мелкого помола, т. е. с большой удельной поверхностью
частиц. И, наоборот, с того момента, когда становится
возможным увеличить давление, можно использовать
любой цемент, поскольку трещины раскрываются и ста-
новятся проходимыми для частиц цемента.
Цементы с большой удельной поверхностью, необхо-
димые для инъекции при небольших давлениях, встре-
чаются редко. Поэтому естественно, что уже довольно
давно ведется инъекция при высоких давлениях и при
этом механические свойства грунта не ухудшаются и со-
оружения, находящиеся на поверхности, не поврежда-
ются. Но вопрос в том, как установить величину инъек-
ционного давления. При укрепительной инъекции это
ясно. Следует заканчивать обработку при наибольших
52
Допустимых давлениях При условии, что первая фаз*
инъекции будет временно прекращаться при появления
выходов на поверхность.
При проведении противофильт рационной ниъекцяп
возникает вопрос: следует ли любой ценой заполнять
цементом все трещины или, наоборот, не предприни-
мать ничего, считая, что наибольшая проницаемость,
определенная методом Люжона, вполне удовлетвори-
тельна?
Этот вопрос возникает в основном при работах во
обеспечению водонепроницаемости оснований плотин.
Обычно считают, что инъекция бесполезна, если испыта-
ния по Люжону, проведенные при максимальном давле-
нии, равном напору будущего водохранилища, показы-
вают слабую проницаемость.
Это свидетельствует о недооценке фильтрации. При
гидравлическом опробовании возникает радиальное те-
чение и максимальное давление, измеренное в скважине,
очень быстро уменьшается с увеличением расстояния от
нее. При эксплуатации же сооружения происходит пло-
ское течение, полностью отличающееся от течения при
гидравлических опробованиях и, безусловно, менее бла-
гоприятное. Не заинъектировав грунт, можно получить
фильтрационный расход, значительно, превышающий
предусмотренный.
Но, с другой стороны, инъекция подобной породы
при слишком высоких давлениях отказа может привести
к значительным поглощениям, достигающим, например,
нескольких тонн цемента на 1 м скважины. При устрой-
стве противофильтрационной завесы в этом нет необ-
ходимости. Во избежание этого следует, определив дав-
ление, которое позволяет вести инъекцию, принять дав-
ление отказа несколько большим, например на 5 кгс/см2
или меньше. Таким образом, можно обеспечить запол-
нение трещин, ограничивая поглощение. Это не позво-
ляет определить раз и навсегда давление отказа. Его
необходимо устанавливать для каждой инъекционной
зоны. Это затрудняет ведение работ, однако является
единственно верным способом.
В некоторых случаях этот способ может привести к
применению столь же высоких давлений, как. например,
при укрепительной инъекции. Это заставляет применять
измерительные приборы, реперы, индикаторы раскрытия
трещин, а также проводить испытания, предназначенные
53
ДЛя измерения давления, при котором раствор может
свободно проникать в трещины. Это единственный ме-
тод, обеспечивающий удовлетворительные результаты.
Инъекция стабильного раствора
Сжимаемость грунта под воздействием инъекции
объясняет, почему инъекция нестабильного раствора
обеспечивает хорошее заполнение трещин; она также
позволяет понять, почему невозможно добиться непро-
ницаемости трещиноватой скалы с помощью стабильно-
го раствора, не схватывающегося во время инъекции. *
При прекращении инъекции раскрытие трещины
вновь становится нормальным и раствор вытесняется с
обеих сторон. Поскольку глино-цементные растворы не-
стабильны в абсолютном смысле этого слова, до начала
схватывания происходит некоторое обезвоживание. Это-
го оказывается достаточно, чтобы водонепроницаемость
стала неполной.
Таким образом, инъекция стабильного раствора с
большим временем схватывания превращает сильно тре-
щиноватую скалу в мелкотрещиноватую. Для достиже-
ния полной непроницаемости необходимо затем инъек-
тировать через те же или соседние скважины суспензию
цемента, с которой не происходит описанного явления.
Необходимо, очевидно, чтобы ранее инъектированный
раствор схватился до начала новой инъекции.
Только в том случае, если инъекция стабильного рас-
твора вызывает непрерывное поднятие грунта, можно
обойтись без инъекции нестабильного раствора. Такое
поднятие груша можно объяснить только увеличением
раскрытия трещин, заполненных раствором, достаточно
прочным, чтобы поддерживать такое раскрытие. Пустот
здесь не остается. К сожалению, не всегда можно допу-
стить поднятие грунта на несколько сантиметров, и, кро-
ме того, оно не всегда возникает.
Поскольку седиментация раствора препятствует удо-
влетворительному заполнению трещин, для получения
хорошего результата достаточно было бы инъектиро-
вать неседиментирующий раствор. Так как такого рас-
твора нет, ограничиваются приготовлением растворов,
вспучивающихся перед схватыванием. Регулируют
вспучивание так, чтобы компенсировать седиментацию.
Это принцип препакт-раствора.
54
Теоретически решение весьма простое, К сожалению,
седиментация не так проста. Она относительно значи-
тельно больше для тонких слоев раствора, чем для тол-
стых. Это приводит к тому, что необходимая величина
вспучивания остается неизвестной. Но поскольку' вспучи-
вание почти всегда происходит до схватывания раство-
ра, без всяких опасений можно принять значительную
величину вспучивания.
С помощью таких растворов можно заинъектировать
трещиноватую скалу в один прием. Но вполне очевидно»
что если существуют одновременно тонкие и более рас-
крытые трещины, раствор будет преимущественно про-
ходить в последние. При систематически ограничивае-
мых количествах раствора тонкие трешины будут обра-
ботаны плохо. Именно поэтому следует инъектироватъ
сначала обычный глино-цементный раствор, а затем не-
стабильный раствор, как указано выше.
ИНЪЕКЦИЯ НЕСКОЛЬКИХ ТРЕЩИН
Влияние давления в случае инъекции отдельной тре-
щины относительно просто. Значительно сложнее дело
обстоит при инъекции нескольких трещин, пересеченных
инъектируемой зоной.
Напомним случай с большим количеством трещин,
имеющих одинаковое раскрытие. Инъекция в этом ма-
ловероятном случае будет аналогична инъекции сыпучих
грунтов. Но она осуществляется значительно легче, так
как трещины имеют постоянное раскрытие. Можно ис-
пользовать нестабильные растворы.
Чтобы понять, что происходит, когда трещины не-
одинаковы, рассмотрим весьма простую схему с рас-
положением всех трещин в параллельных плоскостях.
Например, имеется сочетание трещин, показанное
на рис. 5-1. Две трещины АА и ББ имеют большее рас-
крытие, чем остальные. Давление инъекции одинаково
на входе в каждую трещину. Это — давление, устано-
вившееся в скважине. Вначале раствор проникает во
все трещины. Очевидно, что в более раскрытых трещи-
нах АА и ББ он продвигается дальше, чем в осталь-
ных. Потери напора при течении в этих двух трещинах
меньше, или, что то же самое, давления здесь более
высокие. Вследствие этого происходит сильное сжатие
двух полупространств выше Д.4 и ниже ББ, которые
получают значительную осадку, порядок величин кото-
рой уже определен. Объем, заключенный между АА и
ББ. также сжимается. Но поскольку мощность его не-
большая, это сжатие относительно невелико.
Под действием сжатия тонкие трещины закрывают-
ся и практически инъектируются только широкие тре-
щины, такие, как АА и ББ. Но наступает момент, ког-
да в процессе инъекции эти трещины становятся рав-
ными остальным. Тогда одна или две другие трещины
раскрываются и в свою очередь инъектируются.
777777/7^^/77/7/7/.
Рис. 5-1. Инъекция не-
скольких параллельных
трещин.
Рнс. 5-2. Инъекция двух го-
ризонтальных трешин, сое-
диненных наклонными и
вертикальными трещинами.
Такое раскрытие может вызвать выдавливание рас-
твора, вначале заинъектированного в эти трещины. Это
приводит к падению давления в скважине. Трещины АА
и ББ, ранее широко раскрытые под действием давления
и частично заполненные отложениями цемента, закры-
ваются. Их стенки могут сомкнуться с отложениями
цемента. Это приводит к полному закрытию трещины и
даже к преднапряжеиию скалы. Таким образом, трещи-
ны последовательно закрываются — вначале более круп-
ные, затем более тонкие.
Понятно, что чем выше давление инъекции, тем лег-
че инъектировать тонкие трещины. Большие давления,
раскрывающие трещины, позволяют инъектировать да-
же те из них, которые в нормальном состоянии слиш-
ком тонки, чтобы пропустить частицы цемента. Это
очень важный момент, так как большое количество тон-
ких трещин приводит к такой же значительной филь-
трации воды, как и несколько отдельных более раскры-
тых трещин, легко ииъектируемых при низких дав-
лениях.
В этом заключается преимущество использования
наибольших возможных давлений. И вопреки часто
ожидаемому при этом соответствующему увеличению
расхода материалов этого не происходит, так как тон-
кие трещины имеют не слишком большой объем. Ниже
это будет показано на примере.
Теперь рассмотрим крайне упрощенный случай тре-
щин, соединяющих две горизонтальные трещины (рис.
5-2). По этим наклонным или вертикальным трещинам
происходят течения из зон высоких давлений к низким.
В случае, показанном на рисунке, если горизонтальные
трещины одинаковы, течение по АБ будет нисходящим,
по ВГ — восходящим, а по ЕД движения не будет.
Трещины АБ и ВГ могут быть, кроме того, более
или менее закрытыми под действием давления в гори-
зонтальных трещинах. Их уплотнения, следовательно,
или не происходит, или оно оказывается весьма плохим.
Это объясняет, почему целесообразно располагать
скважины так, чтобы они пересекали основную систему
трещин, и почему невозможно полностью' обеспечить
водонепроницаемость трещиноватой скалы, каково бы
ни было расстояние между скважинами и какими бы
малопроницаемыми ни были отложения цемента в тре-
щинах.
ДАВЛЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ И ОТКАЗА ДЛЯ НЕСТАБИЛЬНОГО
РАСТВОРА
Вернемся к случаю единичной трещины с раскрыти-
ем е- при расходе Q и давлении Р. Поскольку* неста-
бильный раствор является практически ньютоновской
жидкостью, течение в трещине в начале инъекции соот-
оетствует уравнению (6), которое в упрощенном виде
записывается так:
Р = ±£_|ПЛ.
г9
Поскольку R находится под знаком логарифма, его
изменения нс влияют существенно на давление. Следо-
вательно, можно считать, чго р пропорционально Q.
Таким образом, в начале инъекции давление зависит
только от расхода.
57
Так как инъекция нестабильного раствора представ-
ляет собой лишь гидравлический замыв, который начи-
нается, когда скорость течения достаточно мала, чтобы
могло происходить отложение цемента, представляется
целесообразным сохранять повышенную величину ско-
рости на возможно большем расстоянии от скважины.
Другими словами, следует вести инъекцию с большим
расходом. Первые отложения произойдут тогда далеко
от скважины и эффективность инъекции возрастет. Со-
ответствующее высокое давление может создавать за-
труднения лишь при инъекции поверхностных слоев.
Необходимо заметить, что давление также пропор-
ционально вязкости раствора. Инъекция тонких трещин,
требующая применения высоких давлений и растворов с
малой вязкостью, не должна, следовательно, произво-
диться растворами с большим содержанием цемента,
т. е. значительно более вязкими, чем растворы мало-
концентрированные.
В этом заключается теоретическое обоснование из-
вестной практики, которая утверждает, что концентра-
ция раствора должна быть определена по результату
предварительного гидравлического опробования, прове-
денного хотя бы по сокращенной программе. И это
справедливо независимо от того, что при применении
слишком густых растворов на входе в тонкие трещины
образуются пробки и снижается критическая скорость
седиментации.
Приведенная формула не дает представления о том,
что происходит после начальной стадии инъекции. Опи-
сание продолжения процесса, данное выше, придает ей
смысл. Однако можно считать, что по окончании инъек-
ции, когда трещина почти совсем заполнена цементом и
сверху существует лишь небольшой проход с раскрыти-
ем ео, эта же формула с хорошим приближением харак-
теризует течение.
Соответствующее давление называют давлением от-
каза.
Это — максимальное давление инъекции, как прави-
ло назначаемое априори, скорее по интуиции, чем по
техническим соображениям.
Не следует допускать, чтобы давление отказа было
слишком низким, иначе инъекция будет проведена пло-
хо. Действительно, в момент прекращения течения по-
рода не сможет сжать отложения цемента. Уточним это
58
положение. Остаточное раскрытие независимо от
размера трещины и пропорционально корню кубическому
из vQ/P. Оно зависит, следовательно, только от вели-
чины v, поскольку отношение P/Q практически поетояи-
но. Наоборот, увеличение раскрытия 2V трещины про-
порционально Р. Необходимое условие 2F>e<j будет
получено, следовательно, только при условии, если Р
превысит минимальную величину, зависящую от вязко-
сти раствора, упругости скалы и радиуса действия инъ-
екции.
Давление отказа зависит, таким образом, прежде
всего от условий инъекции. Тем не менее из этого
анализа следует, что необходимо принимать повышен-
ные давления отказа и достигать их при небольших
расходах и мало вязких растворах, что является про-
стым теоретическим подтверждением практики. Сниже-
ние величины расхода, однако, лимитируется опасно-
стью закупорки инъекционных магистралей, которая
сразу возникает при расходах порядка 0,05—0,07 л/сек.
Что касается концентрации раствора, то она зави-
сит в основном от экономических соображений. Однако
следует избегать слишком быстрого ее увеличения, что-
бы не пришлось устраивать дополнительные скважины.
Известно, что такие дополнительные скважины не раз-
решают проблемы. Если они и возместят в какой-то
мере недостаточность радиуса действия инъекции, то
не компенсируют недостаточное раскрытие трещин из-за
малых давлений. В этом и заключается причина то-
го, что поверхностные слои нельзя правильно заннъек-
тировать нестабильным раствором. Только вспучиваю-
щиеся растворы могут улучшить положение.
При укрепительной инъекции после достижения дав-
ления, близкого к давлению отказа, при растворе нор-
мальной концентрации, например состава 1:4 или 1:2,
целесообразно закончить инъекцию раствором с очень
малым количеством цемента 1 8 или 1 10. При этом
остаточное раскрытие е0 будет наименьшим и конечная
декомпрессия породы минимальной. Такая технология
рекомендована Люжоном (1933 г.).
Этот сложный процесс имеет смысл только в том
случае, когда работы ведутся при давлении, близком к
максимальному давлению насоса. В противном случае
достаточно значительно увеличить давление отказа,
чтобы прийти к тому же результату.
59
ВЛИЯНИЕ ДИАМЕТРА СКВАЖИН НА ДАВЛЕНИЕ ОТКАЗА
Некоторые наблюдения на строительствах показы-
вают, что при скважинах большого диаметра поглоще-
ние нестабильного раствора значительно выше, чем при
скважинах малого диаметра. Это объяснялось тем, что
число трещин, пересеченных скважиной, пропорциональ-
но ее поверхности.
Такое объяснение явно ошибочно. Если скважины
инъектировались при одинаковом давлении отказа, что
кес/сМ2
Рис. 5-3. Влияние диаметра
скважины на давление отказа
нестабильного раствора.
Pt — давление отказа при инъ-
екции скважины малого диа-
метра, дающее такое же рас-
пределение давления в тре-
щине, как и при инъекции
скважины большого диаметра
с давлением Ро; 1 — давление
в трещине при давлении отка-
за Ра в большой скважине и
Pt в малой; 2 — давление в тре-
щине при давлении отказа Ро
в малой скважине.
кажется естественным, дав-
ление на входе в трещины в
обоих случаях было одина-
ковым. Достаточно вспом-
нить уравнение, относящее-
ся к течению жидкости в
трещине, чтобы установить,
что на заданном расстоянии
от оси скважины давление
при инъекции через скважи-
ны большого диаметра бу-
дет выше, чем при инъекции
через скважины малого диа-
метра (рис. 5-3). Естествен-
но, что поглощение также
будет более высоким. Опыт,
следовательно, был неволь-
но подтасован. Для того
чтобы он был удовлетвори-
тельным, необходимо давле-
ние отказа устанавливать в
соответствии с диаметром
скважин.
Для уточнения этого положения предположим, что
в момент отказа раствор течет на расстояние до 10 м
по частично заинъектированным трещинам, раскрытие
которых ео в этот момент составляет всего 0,3 мм. При-
мем, что Q = 5 см3!сек (в действительности он соста-
вит Q/neo\ где п — число трещин; Q — общий расход).
Допустим также, что раствор — это простая суспензия
иемента в воде с соотношением ЩВ = }/2. Вязкость та-
кой жидкости около 3 спз. т. е. почти равна вязкости
воды.
Применение предыдущей формулы показывает, что
инъекция через скважину диаметром 40 мм дает в тре-
шине такое же распределение давлений, как я вря
инъекции через скважину диаметром !20 мм, при усло-
вии, что давление в скважине меньшего диаметра маме
на 12 кгс]см2 (рис. 5-3).
Эта разница в давлении (12 кгс/см2), естествен!»,
лишь характеризует порядок величии. Она тем не ме-
нее значительна и показывает, что, базируясь лян п
показаниях манометра, расположенного в устье сква-
жины, можно получить ошибочное представление о рас-
пределении давлений при течении в грунте. Она пока-
зывает, что при инъекции через скважины малого диа-
метра, которые следует применять для умеяъшепя
седиментации цемента в скважине, необходимо дости-
гать значительно более высокого давления, чем пре
инъекции через скважины большого диаметра. Погло-
щения и возможные нарушения структуры грунта не
будут при этом увеличиваться. В противном случае при-
дется сократить расстояние между скважинами. При
этом будут потеряны экономические и технические преи-
мущества, получаемые при бурении малым диаметром.
ДАВЛЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ И ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА
Боязнь высоких давлений оправдана только при
инъекции слоев, близких к сооружениям, и, как показа-
ли исследования разрывов, в случаях выполнения инъ-
екции с нарушением правил. Необходимо при этом
установить деформационные реперы для правильного
определения величины давления инъекции. Но, начиная
с глубины около 10 .ч, можно почти свободно приме-
нять желаемые инъекционные давления. Величина дав-
ления здесь ограничивается только свойствами грунта и
требуемым качеством обработки.
Приведем один из реальных примеров, который по-
казывает, что без деформации правильная инъекция не-
возможна. При инъекции в туннеле парижского метро-
политена было замечено значительное увеличение рас-
крытия старых трещин. Для предотвращения этого на
основных трещинах установили контакты, которые в
момент их раскрытия замыкали электрическую цепь
При этом зажигалась лампа и включалась сирена. Вна-
чале контакты были отрегулированы так. чтобы фикси-
ровать раскрытие трещин около 0.1 мм Невозможно
было вести инъекцию, поскольку сирена включалась
как только начинал работать инъекционный насос. Для
того чтобы можно было продолжать работы, пришлось
принять величину раскрытия трещин от 0,5 до 1,0 мм\
электрические контакты замыкались теперь только при
исключительных скачках давления, которые представ-
ляли опасность. Таким образом, удалось нормально ве-
сти инъекцию без каких-либо нарушений.'
Глава шестая
ДАВЛЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ (окончание).
РАЗРЫВЫ ГРУНТА
Исследование стенок шурфа, пройденного в заинъск-
тированном грунте, почти всегда показывает, что в ал-
лювии встречаются заинъектированные трещины, в то
время как аллювии обычно трещин не имеет. Такие за-
полненные раствором тре-
щины, не являющиеся ча-
стью естественной системы
трещин, значительно реже
бывают и в скальных поро-
дах (рис. 6-1).
Речь идет о разрывах
или рассечениях грунта, вы-
званных инъекцией. Все по-
добные разрывы пересекают
одну или несколько инъек-
ционных скважин. Их про-
тяженность может дости-
Рис. 6-1. Образец песчаника, гать десятка метров, иногда
Разрывы образовались в ре- и больше. Разрывы можно
зультате инъекции. представить в виде плоско-
стей, которые могут быть
вертикальными, горизонтальными или наклонными. В не-
которых скальных породах инъектируются только раз-
рывы, пересекающие тонкие трещины, которые остаются
незаинъектированными (A. Fransois, 1923; Н. Van Mas-
senhove, 1930).
Явление разрывов имеет весьма большое значение,
поскольку иногда эффективность противофильтрацион-
иой завесы, особенно в аллювии, зависит только от него.
62
Как и многие другие явления при инъекции, оно былд
отмечено и использовалось уже давно, но не получило
должных объяснений.
НАПРАВЛЕННОСТЬ РАЗРЫВОВ
М. К. Hubert и D. G. Wiilis (1957), проведя исследо-
вания гидравлических разрывов пластов в нефтяных
скважинах, показали, как образуются такие разрывы.
Результаты, полученные на многих нефтеносных ме^
сторождениях, и изучение напряжений, возникающих
на стенках скважины, пройденной в массиве, который
подвержен воздействию системы равномерных напряже-
ний (рис. 6-2), привели этих авторов к выводу, что раз-
Рис. 6-2. Напряжения вблизи скважины.
а — напряжение после выполнения скважины в массиве, где действу-
ют главные напряжения ол и б — напряжения, вызванные из-
быточным давлением, равным 1,6 а А в скважине; в — суммарные на-
пряжения.
рывы всегда образуютст перпендикулярно наименьшему
главному напряжению (рис. 6-3).
Для проверки этой гипотезы были проведены опыты
на желатиновых блоках, в которых создавали различ-
ные системы напряжений. Инъекция гипсового молока
через центральную скважину постоянно вызывала раз-
рывы, перпендикулярные наименьшему главному напря-
жению. Наблюдались даже трещины, перпендикуляр-
ные переслаивающимся блокам твердых и весьма мяг-
ких слоев желатины, в то время как ожидалось, что
образование разрывов будет происходить только в мяг-
ких слоях.
Опыты, следовательно, подтверждают предположе-
ние о направленности разрывов. Ниже приводится за-
63
Мечательный пример выполнения противофпльтрациои-
ной завесы под плотиной Бу-Ханифпя (Алжир), созда-
ние которой объясняется только этой теорией.
Если продолжать инъекцию вертикальных разрывов,
то происходит увеличение горизонтальных напряжений,
воздействующих на массив. Может случиться, что глав-
ное вертикальное напряжение, постоянное и равное весу
грунта, становится минимальным. Тогда появляются го-
ризонтальные разрывы, которые могут оказаться весьма
Рис. 6-3. Направления разрывов.
1 — разрыв; 2 — наименьшее главное напря-
жение.
опасными для сооружений, находящихся на поверхности
грунта.
Эти исследования показали, кроме того, что во вре-
мя разрыва давление не всегда достигало максимума,
снижаясь затем до постоянной величины. Значит, раз-
рывы образуются не только при таком режиме давле-
ний. Очень часто поэтому невозможно определить их
появление.
РАЗРЫВЫ ПРИ ОТСУТСТВИИ НАПРЯЖЕНИЙ ОРОГЕНЕЗА
Если в скальном массиве отсутствуют напряжения
орогенеза, например вследствие близости поверхности,
то изложенные выше условия больше не действуют. То
же относится и к аллювию. Для определения возмож-
ности образования разрывов следует рассматривать на-
пряжения, возникающие при выполнении скважин. Были
проведены расчеты (Cambefort, 1955) радиальных и
тангенциальных напряжений па стенках вертикальной
скважины, пересекающей несвязный горизонт с углом
64
внутреннего трения ф либо пластичный горизонт с вели-
чиной сцепления С.
В последнем случае глинистого слоя под действием
собственного веса массива с удельным весом возни-
кают следующие главные напряжения:
+ 'Р i
°»=ТгрА. |
где Го —радиус скважины; и —радиус зоны разуплотне-
ния; 1/т— коэффициент Пуассона.
Давление Ро, установившееся в скважинах, вызыва-
ет напряжения радиального сжатия и тангенциального
растяжения, равные Ро, и нулевое вертикальное напря-
жение. Радиальное напряжение не влияет на образова-
ние разрыва, и учитывать надо только тангенциальное
напряжение. Следовательно, давление разрыва
Радиус скважины, водопроницаемость породы и ха-
рактер раствора влияния на давление разрыва не ока-
зывают.
Возьмем, например, угр = 1 т/л3; h = 10 м; т=2\ С =
== 10 тс!м2\ тогда Ро= 20 тс/м2. Эта величина является
весьма грубым приближением и она много ниже дей-
ствительной. Однако видно, что разрыв связных грун-
тов происходит при очень малых давлениях инъекции.
Поэтому можно предположить, что имеют дело с тре-
щиноватыми породами, в то время как в действительно-
сти это не так.
В несвязных горизонтах главные напряжения, вы-
званные действием собственного веса пород, на стенке
скважины имеют следующие значения:
о. »-----г (1 — ьш ф);
r m — 1 v т/
•Тгр Л
+s,n<?);
V- ТгрЛ-
где угр— удельный вес грунта; \/т — коэффициент Пу-
ассона.
65
Жидкость с давлением Ро в скважине вызывает в
массиве радиальное течение, при котором давление ста-
новится равным нулю на расстоянии Р от скважины.
Это течение сопровождается давлением потока, являю-
щимся инерционной силой, действующей в направлении
течения. Благодаря ей в невесомом однородном и изо-
тропном массиве появляются главные напряжения1:
На стенке скважины, следовательно,
°г = 0;
Разрыв произойдет, когда напряжения будут выше
или равны напряжениям, вызванным собственным ве-
сом грунта. Давление разрыва определяется из урав-
нения
m п Trp^ ч
----г (1 + sin ф),
т — 1 0 т — 1 ' 1 т/
или
т — 1 Trff1-
1 G. Sauvage de Saint Marc, M. Bouvard, Ma Min-
Yuan, Pressions interstitielles dans les galeries en charge (Поро-
вые давления в напорных туннелях), La Houille Blanche, mars —
avril, 1960. Приведенные здесь уравнения соответствуют случаю,
когда коэффициент гидравлической пористости, учитываемый
в этом исследовании, равен 1.
66
При нормальных величинах т и ср первое уравнение
обычно дает минимальные величины Ро. Первичные
разрывы поэтому всегда происходят в радиальных
плоскостях, проходящих через скважины (рис. 6-4).
Этот теоретический вывод подтверждается при инъ-
екции не только аллювиальных грунтов (рис. 6-5), но
также и мягких скальных пород (см. рис. 6-1).
Так, в 1954 г. Левек (Leveque) заинъектировал на
глубине несколько метров песчанистый мергель при дав-
лении 100 кгс!см2 без поднятия грунта, но с разрывами
почти по вертикальным плоскостям.
Рис. 6-4. Пер-
вичные разры-
вы по верти-
кальным пло-
скостям.
1 — разрыв; z —
вес грунта; 3 —
наименьшее
главное напря-
жение.
Рис. 6-5. Вертикальные радиаль-
ные разрывы, проходящие через
скважину.
Для конкретизации рассуждений примем т = 3; <р =
= 37°; уГр = 1,1 г/м3; h= Ю м. Получим: Ро = 5,3 кгс/см2.
Это теоретическое давление, вызывающее разрывы.
Оно приблизительно составляет от ’/з до V2 давления,
измеренного на месте при разрывах в аллювиальных
породах. Это вполне нормально, поскольку инъекция
производится в одной точке, в то время как вся сфера
грунта способна оказывать сопротивление. Таким обра-
зом, ясно видна приближенность расчетов.
Следует отметить, что давление разрыва зависит
лишь от механических свойств среды и глубины инъек-
ции. Оно не зависит от проницаемости среды, вязкости
67
раствора, диаметра скважины и радиуса действия инъ-
екции.
При желании учесть эти факторы следует заменить
Ро по формуле (2)
Р - In
2кЛ, v0 е
Добавив к предыдущим цифровым значениям R =
= 2 м; г0= 0,05 м, получим:
Оно представлено на рис.
Рис. 6-6. Расходы при раз-
рывах в процессе инъекции
сыпучих сред в зависимости
от их проницаемости (ш = 3;
Ф=37°; уГр= 1J т/м?', R=2 м;
г0 = 0,05 ж).
Течение плоское.
Это соотношение связывает расход при разрыве Q и
коэффициент фильтрации среды /?0, когда известны вяз-
кость раствора, его удельный вес и толщина потока.
6-6 при значениях е = 1 м\
v = 2 спз\ yv/evo=l т/л<4 и
v = 100 спз\ yv/evo = 50 т/ж4.
Последний случай соот-
ветствует очень вязкому и
редко используемому раст-
вору.
При нормальных услови-
ях инъекция на глубину Юж
раствора с вязкостью воды
разрывает грунт, имеющий
проницаемость ниже 3—
10 дарси (3 IO-5—
10-4 м/сек). Однако если
раствор очень вязок, необ-
ходимо, чтобы проницае-
мость грунта, для того что-
бы в нем не возникало раз-
рывов, была выше 200 или
500 дарси (от 2 10-3 до
5-10~3 м/сек). Поэтому про-
питывание поверхностных
слоев должно производить-
ся только при очень малых
расходах, что не представляет особых затруднений.
Такое краткое исследование показывает, что стрем-
ление к экономии путем увеличения расходов инъекции
может привести лишь к неудаче. При этом достигают
только пропитывания сильнопроницаемых слоев и об-
разования многочисленных разрывов в других слоях.
Подобная обработка может устранить лишь наиболее
крупные пути фильтрации, но не обеспечивает тшатель-
ного выполнения рибот, без чего часто инъекция яе
оправдана.
РАЗРЫВЫ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОРОДАХ
ВБЛИЗИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАВЕСЫ
До сих пор мы рассматривали разрывы, происходя-
щие при инъекции скважины, расположенной в ненару-
шенном грунте. Но если в аллювии устраивается много
таких скважин для создания противофильтрапнонной
завесы, возникают, как показывает опыт, вертикальные
разрывы, которые доходят до поверхности грунта, па-
раллельные плоскости завесы и расположенные на не-
большом расстоянии от нее. Они возникают обычно,
когда инъекция производится для расширения уже
сплошной завесы.
Эти разрывы являются доказательством хорошего
качества обработки. Если инъекция ведется неглубоко,
такие разрывы могут вывести раствор к поверхности
грунта. При глубокой инъекции на поверхности грунта
наблюдаются сухие трещины, раскрытие которых легко
может достигать 2—3 мм и более.
Такие разрывы могут быть объяснены следующим
образом. Вследствие наличия в грунте водонепроницае-
мой завесы раствор, инъектируемый вблизи нее, может
распространяться только в одну сторону. Продвижение
его в грунте сопровождается давлением потока, кото-
рое стремится отодвинуть незаннъектированный грунт
от существующей завесы. Поскольку обычно расход на-
соса постоянен, давление потока в этом случае значи-
тельно выше, чем при инъекции изолированной скважи-
ны. При соответствующих механических свойствах грун-
та такое давление может вызвать образование трещин.
Ясно, что эти трещины параллельны существующей за-
весе и расположены на небольшом расстоянии от нее.
Поскольку речь идет об общей деформации масси-
ва под действием силы, практически приложенной к од-
ной точке, легко согласиться, что трещины не обяза-
тельно пересекают инъектируемый горизонт. Вследствие
этого раствор, движущийся на глубине, не попадает по
ним на поверхность. И, напротив, вполне вероятно, что
в глубине существуют трещины, не выходящие на по-
верхность.
69
Если такие трещины не образуются систематически
при утолщении завесы, это, с одной стороны, может
происходит, как было сказано выше, за счет того, что
механические свойства грунта не везде одинаковы, и, с
другой стороны, потому, что инъекция не всегда проис-
ходит путем пропитывания. Вместо насыщения грунта
раствор может его разорвать при выходе из скважины
в соответствии с описанными выше процессами. В этот
момент давления потока больше не существует и «эф-
фект домкрата», вызванный этими разрывами, не имеет
направления, необходимого для образования рассмат-
риваемых трещин.
Рис. 6-7. Трещины на поверхности грунта без выходов раствора,
появляющиеся в конце инъекции.
1 — трещины; 2 — шпунтовая стенка; 3 — инъекционная завеса.
На рис. 6-7 приведен один из интересных примеров
подобных разрывов. Он тем более интересен, что край-
ние левые трещины параллельны шпунтовой стенке,
дополненной инъекцией. Шпунт сыграл роль водонепро-
ницаемой завесы, наличие которой необходимо для вы-
явления такого рода разрывов. Как явствует из этого,
завеса не обязательно должна быть выполнена инъ-
екцией.
Другие трещины параллельны инъекционной завесе
из пяти рядов скважин, выполненной на глубине от 30
до 100 м. Они появились в течение нескольких дней
незадолго до окончания предусмотренных работ. Под-
нятие грунта вдоль завесы составляло всего 5 см. Ис-
ключительно большое количество трещин было, несо-
мненно, связано с природой грунта.
70
Другой пример поверхностных трещин, вызванных
инъекцией вблизи водонепроницаемой завесы, приведен
на рис. 6-8. В этом случае завеса была образована
круговым рядом пересекающихся свай, немного не до-
ходящих до поверхности грунта. Инъекция велась для
образования дна этого цилиндра на глубине от 9 до
13 м для создания водонепроницаемой чаши, под защи
той которой можно производить выемку шурфа, избежав
слишком большого притока воды.
Здесь образовалась круговая система трещин, па-
раллельных завесе. Но существует и другая система —
Рис. 6-8. Трещины на поверхности
грунта.
Завеса из пересекающихся сван не
доходит до поверхности земли.
Рис. 6-9. Трещины на поверх
ности опытного участка.
Условные обозначения: -------- -
23 января;------------35 аяваря;
~28 января; -30 янва-
ря; --------1 февраля; ф - сква-
жины.
радиальная. Достаточно рассмотреть возможности де-
формации этого грунтового цилиндра, чтобы убедиться,
что круговые трещины должны обязательно сопровож-
даться радиальными.
Вероятно, что при этих деформациях швы между
сваями раскрылись. Но это не имеет большого значе-
ния, поскольку раствор проникает в них и ликвидирует
вызванные нарушения.
Иногда расположение трещин не бывает столь пра-
вильным, как в двух предыдущих случаях. Так. при вы-
полнении опытного участка, кроме трещин, параллель-
ных рядам скважин, наблюдалась группа других тре-
щин, расположенных по двум взаимно перпендикуляр-
71
ным осям (рис. 6-9). Возможно» что этот аллювиальный
массив» расположенный на берегу реки» не был подвер-
жен равномерным горизонтальным напряжениям.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЫВОВ. ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
Вертикальные разрывы, распространяющиеся до по-
верхности грунта, с выходами или без выходов раствора
легко обнаруживаются (рис. 6-9). Другие вертикальные
разрывы, которые преобладают» могут быть выявлены
только при выемке котлована.
В основном эти разрывы не очень опасны. Они вы-
зывают горизонтальную деформацию грунта, которая
наблюдается при инъекции аллювия через стальные,
заделанные в грунт трубы с манжетами, которые почти
всегда изгибаются при инъекции.
Разрывы, заполненные раствором и не перпендику-
лярные плоскости завес, очевидно, улучшают их качест-
во. Практика утверждает, что направление разрывов
подчинено закону случайностей и что они эффективно
участвуют в обеспечении водонепроницаемости, посколь-
ку постоянно наблюдается, что средняя проницаемость
противофильтрационной завесы ниже средней проница-
емости, выведенной на основании локальных, даже
многочисленных опробований. Это помогает понять
трудности, связанные с контролем эффективности работ
при инъекции аллювия.
Горизонталъные разрывы, которые возникают после
вертикальных, очевидно, никогда не могут быть обнару-
жены. Чтобы убедиться в их существовании, необходи-
мо скрупулезно изучить все изменения давления при
инъекции. Действительно, при таком разрыве давление
раствора в грунте должно быть равно давлению на
данном уровне от веса грунта. Оно весьма незначитель-
но. Наблюдая за манометром, можно отметить его пос-
ле резкого падения давления.
Если одновременно с этим обнаруживается явление
противодавления, можно быть уверенным, что сущест-
вует горизонтальный разрыв. В этом случае следует
прекратить инъекцию, поскольку в отличие от верти-
кальных горизонтальные разрывы совсем не улучшают
обработку грунта. Речь идет, конечно, о локальной оста-
новке инъекции. Ничто не мешает продолжать инъек-
цию выше, ниже или в соседней скважине.
72
Такое исследование имеет лишь теоретическое зна-
чение, так как в действительности из-за пульсаций при
работе насоса весьма редко можно выявить на диа-
грамме резкое падение давления, за которым следует
низкое установившееся давление.
Поскольку разрывы появляются в конце работ, ког-
да грунт уже хорошо насыщен раствором, считают, что
поднятие поверхности грунта связано с образованием
горизонтальных разрывов. Такое объяснение чаше все-
го бывает ошибочным, так как можно получить значи-
тельное поднятие грунта и без разрывов. Это происхо-
дит, когда раствор пропитывает горизонт, окружая
каждую частицу более или менее мощного пласта. Под-
нятие поверхности грунта свидетельствует в этом слу-
чае о хорошей обработке.
Не следует забывать, что горизонтальные разрывы
могут работать как домкраты. Тогда они становятся
очень опасными, так как при большой площади доста-
точно незначительного давления раствора, чтобы при-
поднять все сооружение, находящееся над ними, каков
бы ни был его вес.
Как вертикальные, так и горизонтальные разрывы
сжимают грунт, переводя его в преднапряженное со-
стояние. Это чрезвычайно благоприятное явление, очень
часто используемое, хотя его эффективность заранее не-
известна. В скальных породах разрывы редки, и сжа-
тие породы происходит в основном за счет увеличения
раскрытия инъектируемых трещин.
Наоборот, в аллювии только разрывы могут сжать
слишком мелкозернистые горизонты, которые не удается
пропитать раствором. Такое сжатие приводит к сниже-
нию пористости формации, что имеет двоякое послед-
ствие:
проницаемость породы может быть значительно сни-
жена, несмотря на то, что раствор не проник между ее
частицами; чтобы представить себе это. достаточно
применить формулу Козени, включающую соотношение
п3/(1—и)2; если п изменяется, например, от 0.30 до
0,25, коэффициент фильтрации уменьшается вдвое;
угол внутреннего трения увеличивается; формула
Како (Caquot) tgcp = 4(l — и)/п показывает. что если
угол внутреннего трения составляет 35° при п = 0.30. то
он становится равным 42° при п = 0,25.
Эти улучшения весьма заметны, однако они все же
73
недостаточны для объяснения явлений, отмечающихся
при проходке в заинъектированных грунтах котлованов.
Приток воды через эти горизонты почти полностью от-
сутствует. Более того, иногда они бывают настолько
сжаты, что держат вертикальные стенки, а при выемке
приходится применять кирки.
Можно предположить, что фильтрация воды предот-
вращается благодаря разрывам, пересекающим грунт.
Возможно, что при определенном гранулометриче-
ском составе грунта увеличение угла внутреннего тре-
ния оказывается большим, чем указано выше.
Для уточнения этих положений необходимы система-
тические наблюдения.
ИНЪЕКЦИЯ БЕЗ РАЗРЫВОВ
В начале инъекции раствор пропитывает самые про-
ницаемые слои. Но через некоторое время возникают
значительные потери напора из-за большой длины по-
тока или схватывания раствора. Так как насос изменя-
ет расход мало, давление в скважине повышается и
становится возможной инъекция менее проницаемых
слоев.
Если это новое давление слишком высоко, возника-
ют разрывы. Таким образом, теоретически можно про-
вести инъекцию без разрывов. Достаточно нагнетать
очень жидкий раствор с небольшим расходом, чтобы в
скважине не создавалось давления, при котором воз-
никают разрывы.
Тем не менее, очевидно, практически этот метод не-
приемлем из-за неоднородности грунта. Никогда не
удается точно узнать неоднородность, чтобы с полным
основанием можно было установить вязкость раствора,
время его схватывания и расход инъекции. Поэтому при
инъекции либо возникнут значительные поглощения, ли-
бо обработка будет недостаточной.
Такой метод можно допустить, только если грунт
однороден, но это возможно в очень редких случаях,
поскольку выбор малого расхода инъекции и жидких
растворов всегда связан с высокой стоимостью, а это
приводит к такому удорожанию работ, что почти всегда
можно найти более дешевое общестроительное решение.
Поэтому приходится допускать существование разры-
вов, тем более что опыт показывает, что они эффектив-
74
(Ю участвуют в обработке. Даже укрепительная инъек-
ция с применением химических материалов очень часто
сопровождается разрывами. Единственное их неудоб-
ство— трудность интерпретации контрольных испыта-
ний, проводимых при работах.
Глава седьмая
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Сложность теории инъекции, казалось бы, требует
уточнения метода лабораторными исследованиями. Од-
нако для первых инъекционных работ, успешно выпол-
ненных очень давно, не оказалось необходимым разра-
батывать теорию и ставить лабораторные опыты. Даже
для сложной инъекции аллювия лабораторные исследо-
вания не были определяющими, хотя и имели сущест-
венное значение. Это, как мы дальше увидим, связано
с невозможностью воспроизведения в лаборатории всех
условий естественного залегания пород, в частности их
сжимаемости.
Натурная инъекция грунтов через несколько сква-
жин лишена такого недостатка. Это единственно пра-
вильный способ изучения результатов инъекции, к со-
жалению, весьма дорогостоящий и не позволяющий
проводить эксперименты систематически. И только на-
блюдая при выемке котлованов заинъектированные
грунты, можно понять различные процессы инъекции.
Для уточнения основных положений дальше мы рас-
смотрим ряд примеров инъекции. Но прежде напомним
результаты некоторых лабораторных исследований для
уточнения области их применения.
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТОЙ СКАЛЫ
При разбуривании заинъектированных скважин иног-
да получают хорошие керны цементного камня, на ко-
торых заметно изменение окраски, образующее группы
кривых линий. Для изучения этого явления проф. Бер-
нацик (Bernatzuk, 1933 и 1948) изготовил в лаборато-
рии искусственные керны инъекцией раствора в трубу,
стенки которой местами были пористые. Раствор цир-
75
кулнровал внутри трубы, но частицы цемента не могли
пройти через пористые стенки, которые поглощали толь-
ко воду. Полученные таким образом керны (рис. 7-1)
были вполне аналогичны кернам, отобранным при буре-
нии заинъектнрованных скважин. Для кернов харак-
терно последовательное чередо-
вание светлых и темных отложе-
ний, разница в цвете соответству-
ет мелким и крупным частицам
используемого цемента. Мелкие
частицы имеют более светлую
окраску.
Рис. 7-2. Эквипо-
тенциали и линии
тока в скважине
при инъекции.
Рис. 7-1. Керны из цементного камня,
приготовленные в лаборатории.
Эти последовательные отложения объясняются изме-
нениями расхода или, точнее, скорости раствора. В за-
висимости от ее величины могут осаждаться все или
только некоторые частицы цемента. Полный анализ яв-
ления очень сложен, так как раствор проходит не только
76
вдоль трубы, но также фильтруется через пористые эле-
менты стенок, т. е. перпендикулярно направлению ос-
новного течения. Считая линии отложения эквипотен-
циалами потока раствора, по кернам можно определить
расположение в скале заинъектированных трещим
(рис. 7-2 и 7-3).
Другой очень интересный результат, полученным в
этих опытах, схематически показан на рис. 7-4. Цемент
начинает откладываться в скважи-
не против проницаемых зон. Остает-
ся только узкий канал, который по-
степенно закрывается. Этот канал
проходит по скважине, прибли-
жаясь обычно к наиболее непрони
цаемым участкам ее стенок (см
Рис. 7-4. Образо-
вание отложения
цемента против
проницаемых слоев.
А — непроницае-
мые слом; Б—про-
ницаемые слом.
Рис. 7-3. Построение эквипотен-
циалей течения по керну.
рис. 7-2). Он иногда исчезает у дна скважины, вероят-
но, в результате осаждения цемента.
Такой канал обнаруживается и в настоящих кернах,
если ои расположен ие очень близко от стенок скважи-
ны, так как иначе он разрушается коронкой при буре-
нии (рис. 7-5—7-11). Обычно канал закупорен крупны-
ми частицами цемента. Продольные разрезы по кернам
также весьма поучительны (рис. 7-10 и 7-11). На пне.
Рис. 7-5. Керны из цементного
камня.
Рис. 7-6. Керны из цементного
камня.
На керне 7 заметны цемент а и
смесь древесных опилок и цемен-
та Ь.
Рис. 7-7. Керны из цементного камня.
Рис. 7-8. Керны и» цемпинсно камня
1>нс. 7-9. Керны и.« немецикно камня. Рнс.
К). Керны hi цсмем1НО1М
К.1МНЧ.
7-10 (керн 7) виден разрыв грунта. Цемент проник из
соседней скважины. При ее инъекции произошел гори-
зонтальный разрыв, пересекающий скважину, из кото-
рой отобрали керн. Деформации керна 8 также вызва-
ны инъекцией в соседние скважины.
На рис. 7-11 (керн /) цемент темной окраски сме-
шан с древесными опилками. Большая белая линия, пе-
ресекающая керн, — разрыв, возникший при инъекции
в другую скважину.
Рис. 7-11. Керны из цементного
камня.
Эги результаты освещают лишь некоторые аспекты
инъекции трещин. В частности, неясно, как происходит
заполнение трещины. Для изучения этого в 1956 г. Кор-
пусом военных инженеров США была проведена боль-
шая серия опытов при плоскопараллельном, а не ради-
альном течении.
К сожалению, результаты этих опытов вынесли бес-
пощадный приговор методу инъекции трещиноватой
скалы, хотя он уже давно доказал свою состоятель-
ность. В частности, искусственные трещины не заполня-
лись целиком. В их верхней части оставался небольшой
80
проход, необходимый для движения раствора в момент
отказа. Размер его обозначался через ео в приведен-
ном выше исследовании процесса.
Эта неудача была связана с тем, что модель оказа-
лась слишком жесткой и не позволила воспроизвести в
лаборатории реальные условия инъекции даже в этом,
наиболее простом случае. Далее мы увидим, что это
затруднение не удалось обойти и при лабораторных ис-
следованиях инъекции аллювия.
ИНЪЕКЦИЯ ПЕСКА И ГРАВИЯ
Первая идея, возникающая при изучении возможно-
сти инъекции аллювия,— заполнение трубы грунтом и
введение через ее конец раствора.
Рис. 7-12. Фильтрация цементного
раствора в аллювий.
Проникание раствора соответ-
ствует размерам блока.
В зависимости от гранулометрического состава рас-
твора и аллювия могут представиться три варианта:
раствор останавливается при первом соприкоснове-
нии с аллювием, который играет роль фильтра;
раствор немного проникает в аллювий, но постепен-
но образуется фильтр, как и в предыдущем случае
(рис. 7-12);
81
в этих двух случаях из другого конца трубы выхо-
дит только вода;
наконец, раствор хорошо проходит через аллювий
после того, как полностью его пропитает (Papadakis,
1959).
Таким образом, можно найти раствор, наиболее
подходящий для инъекции аллювиальных грунтов с
данным гранулометрическим составом или коэффициен-
том фильтрации.
Выше были приведены результаты такого исследо-
вания.
Эти результаты в действительности неправомочны.
Аллювий помещен в совершенно жесткую оболочку и
под действием потока раствора уплотняется. При инъ-
екции в естественных условиях аллювиальные грунты
представляют собой практически бесконечный массив,
и хотя действительное влияние давления потока раство-
ра неизвестно, можно считать, что оно более благопри-
ятно, чем в опыте. Лучшим доказательством этого
является то, что в действительности удается инъектиро-
вать более мелкий аллювий, чем тот, который соответ-
ствует пределу инъектируемости, полученному при ла-
бораторных исследованиях.
Безусловно, в лаборатории невозможно создать мас-
сив аллювия ограниченных размеров, который благода-
ря своей упругости обладал бы деформациями, сравни-
мыми с деформациями бесконечного массива. Однако
можно попытаться уменьшить влияние жесткости обо-
лочки, окружающей аллювий в опытах. Это и было сде-
лано в лаборатории заполнением смесью песка Фон-
тенбло и кусочков пробки пространства между аллюви-
ем и ограждающей стенкой. Возможно, этого недоста-
точно, поэтому нельзя распространить результаты этих
опытов на все другие случаи.
Ограждение было образовано колодцем диаметром
1,5 и глубиной 1,9 м (рис. 7-13). Инъекция производи-
лась через центральную трубку, которую можно было
поднимать. Система трубопроводов позволяла осущест-
влять циркуляцию воды до инъекции и во время ее про-
ведения. Первый и очень важный результат этого опы-
та — возможность инъекции раствора из чистой прован-
ской глины и даже глино-цементного раствора в аллю-
вий с проницаемостью около 30 дарси (3-10—4 м!сек).
Опыты же в трубе показали, что раствор из прованской
82
поле, одни горизонты хо-
глины мог проникать лишь в аллювий с коэффициеггоы
фильтрации 70 дарси (7 10 4 м/сек).
Другой, не менее важный вывод заключается в то*,
что вид аллювия, заинъектироваиного в лаборатории,
сопоставим с наблюдаемым при проходе шурфов в ал-
лювии, заинъектированном в
рошо пропитаны раствором,
другие — плохо; крупная
галька окружена раство-
ром; более или менее зна-
чительные разрывы рассека-
ют массив и придают ему
жесткость; небольшие лин-
зы мелкозернистого песка
не заинъектированы, но
сильно сжаты. Объемный
вес скелета аллювия после
инъекции оказался на 20%
выше первоначального. Со-
держание сухого материала
в растворе, извлеченном из
пор, выше, чем в инъекти-
руемом растворе. Обезво-
живание раствора вызвано
проницаемыми зонами, уп-
ругой оболочкой и линзами
песка. Аналогичное явление
встречается и при инъекции
в натуре, но тогда оно быва-
ет связано с седиментацией
в порах, а не с обезвожива-
нием.
Весь обработанный материал был достаточно проч-
ным, можно было отобрать образцы в виде параллеле-
пипедов со стороной в несколько дециметров. Прони-
цаемость этих образцов колебалась от 2-10' до
6-Ю"10 м/сек. Такой разброс показывает, что полного
пропитывания не произошло. Водонепроницаемость. од-
нако, оказалась более чем удовлетворительной. Не сле-
дует, однако, забывать, что она соответствует лишь вы-
бранным образцам. Вследствие неоднородности уплот-
нения выполненные нротнвофильтрационные завесы
имеют среднюю величину проницаемости около 0.5 дар-
си (5-10 6 м/сек). Эта проницаемость значительно выше
Рис. 7-13. Опытная установка
для инъекции аллювия в лабо-
ратории (материалы фирмы
Мекасоль).
1 — опорные реакции; 2 — подо-
грев; 3 — насос; 4 — фильтр; 5 —
домкрат Фрейсине: 6 — метал-
лическая крышка; 7 — смесь жз
песка Фонтенбло и кусочков
пробки; 8 — инжектируемый ал-
лювий; 9 — инъекционная тру-
ба; Ю — деревянный щит; 11 —
песок Фонтенбло; 12 — дренаж.
S3
полученных значений, но тем не менее в большинстве
случаев вполне удовлетворительна.
Все эти опыты показывают, что не следует старать-
ся изменять удовлетворительный метод только для того,
чтобы приблизиться к результатам, полученным в ла-
боратории, где невозможно учесть все условия прове-
дения реальных работ. Нельзя надеяться, что при ве-
дении работ можно достичь некоторых особенно благо-
приятных результатов лабораторных исследований.
К сожалению, с этим приходится мириться, и лучше об
этом знать заранее.
Глава восьмая
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ
(окончание).
ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Натурные наблюдения проводятся при проходке
котлованов или шурфов в грунте после инъекции. Это
может быть или законченная инъекция значительного
объема, или, наоборот, специально организованная
опытная инъекция. Подобные котлованы выполняют до-
вольно редко. Еще реже находят время для добросо-
вестного проведения наблюдений, поскольку это исклю-
чительно трудоемкая работа. Поэтому нужно отдать
должное Бернацику, Даксельхоферу, Левеку, Отту и
Россету (Bernatzik, Daxelhofer, Leveque, Ott et Rosset),
описавшим рассмотренные ниже явления.
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТОЙ СКАЛЫ
Очень дорогостоящие контрольные шахты и штольни
для наблюдений за результатами инъекций трещинова-
той скалы в настоящее время устраиваются весьма
редко, поскольку такая инъекция уже давно доказала
свою состоятельность и необходимость в непосредствен-
ном наблюдении отпадает.
Но три приведенных ниже примера относительно
новы. Это крупномасштабные опыты. Два первых про-
водились для изучения возможности укрепления инъек-
цией выветренных пород в створе будущей плотины
Аит — Шуархит (Марокко), третий—для выбора наи-
84
лучшего инъекционного раствора для инъекции на пло-
тине Ум ер-Р’биа (Оши er-R’bia) (Марокко). Сами яо
себе эти исследования нас сейчас не интересуют. Одла-
ко наблюдения, которыми они сопровождались позво-
ляют лучше понять процесс инъекции. Опыты были про-
ведены Левеком в 1954—1957 гг.
Четвертый, более старый пример (1938 г.) относятся
к контролю противофильтрацнонной завесы на плотине
Бу-Ханифия (Алжир).
Первый пример
Рис. 8-1. Расположение
скважин на опытном
участке в штольне
(П. Левек).
1 — контрольная штольня:
2 — штольня.
Инъекцию выполняли из штольни, пройденной на
глубине около 5 м через короткие скважины (рис. 8-Ь.
Породы были представлены микроаркозами, аркозовы-
ми песчаниками и микро-
песчаниками, подверженными
выветриванию на воздухе.
Инъекция производилась зо-
нами по 1,5—2,0 м при давле-
нии отказа 15 кгс!см2. Макси-
мальный расход цемента со-
ставил 1,53 т на 1 м скважины
(скважина 1, интервал 3 —
4,5 м); среднее поглощение
было немного менее 500 кг/м.
Это чрезмерное поглощение
можно объяснить лишь изоли-
рованностью опыта. Раствор
легко мог проходить на значи
тельные расстояния. Потери
были значительно меньше при
выполнении непрерывной за-
весы.
Разведочная штольня, прой-
денная после инъекции, позво-
лила сделать следующие на-
блюдения:
Цемент заполнил вертикальные трещины, а почти
горизонтальные плоскости напластования практически
остались незацементированнымп, что вполне естествен-
но, если учесть, что наличие штолыш препятствовало
увеличению напряжений, перпендикулярных ее стенке.
Это прямое подтверждение теории разрывов.
85
В трещине, выходящей в скважины, гранулометриче-
ский состав отложившегося цемента был почти постоя-
нен на расстоянии 25—40 см\ затем по мере сужения
трещины он становился все более мелким. Таким обра-
зом. речь идет о гидравлическом замыве, сопровождаю-
щемся отложением крупных частиц вблизи скважины,
а не о заполнении позади пробок.
Однако стенки некоторых трещин были покрыты
слоем пылевидных отложений, но между ними остава-
лось свободное пространство, пересеченное несколькими
изолированными сводами из частиц цемента. Это нача-
ло образования пробок, которые при продолжении инъ-
екции развивались бы дальше.
На расстоянии 1,5 м от конца скважины 8 была об-
наружена незаполненная трещина с раскрытием около
2 см, проходившая в 30 см от другой, полностью пере-
крытой трещины. Обе трещины были расположены в
почти параллельных плоскостях.
Следовательно, инъекция эффективна только в том
случае, если скважины пересекают подлежащие инъек-
ции трещины. Понятна поэтому важность предвари-
тельного изучения геологических условий.
Второй пример
Предыдущий опыт не дал ожидаемого результата,
поэтому рядом был проведен второй опыт.
Вертикальные инъекционные скважины на глубину
около 7 м были выполнены
из небольшой траншеи дли-
ной около 10 м (рис. 8-2 и
8-3). Скважины инъектиро-
гались нисходящими зона-
ми по 2 м. Первая зона, од-
нако, была длиной 1,5 м,
Рис. 8-2. Расположение сква-
жин на опытном участке
в траншее (П. Левек).
Цифры обозначают номера
скважин.
так как в устье скважины
на глубину 50 см была уста-
новлена металлическая тру-
ба. Первая зона сначала
инъектировалась через че-
тыре скважины при давле-
нии 4—10 кгс/см2, затем через две скважины при давле-
нии 15 кгс/см2 и через четыре при 25 кгс/см2. Для дру-
гих зон давление отказа составляло 100—ПО кгс/см2.
86
Выходы на поверхность легко прекращались пря
остановке инъекции на время, необходимое для схваты-
вания цемента.
После первичной инъекции скважины вновь ияъеж-
1 провались целиком присоединением инъекционного
трубопровода к трубам, заделанным в их устье пря
Рис. 8-3. Поглощение цемента в одном из. рядов скважин.
Поглощение в других рядах аналогично (П. Левек!.
давлении 82 кгс!см2. Поглощения были большими
(рис. 8-3), но не чрезмерными. Особенно интересно в
этих опытах применение чрезвычайно высоких давле-
ний при инъекции вблизи поверхности грунта при почти
юризонтальном напластовании породы.
Разведочная штольня, пройденная после инъекции,
позволила установить следующее:
Даже трещины шириной 0,5 мм были заполнены
плотным цементным камнем.
Пылевидных отложений, как в первом опыте, не
встречалось. Цемент схватился плотно со стенками тре-
щин и не был разделен на различные фракции, что
свидегельсгвует о целесообразности применения высо-
ких давлений.
Наконец, в грунте, не подвергнутом непосредствен-
но инъекции, встречались открытые трещины без сле-
дов движения раствора или воды.
87
Третий пример
Целью опыта был выбор наиболее подходящего
раствора для придания водонепроницаемости напласто-
ваниям линз илистого песка и конгломерата песчани-
стых и кварцевых галечников. Мы остановимся лишь
на наблюдениях, прове-
денных во время инъек-
ции и после ее оконча-
ния.
С горизонтальной по-
верхности земли были
выполнены шесть верти-
кальных скважин глуби-
ной 30 и 12 м, располо-
женных по окружно-
сти диаметром 11,5 м
(рис. 8-4). Инъекция ве-
лась нисходящими зона-
ми длиной по 2 м различ-
ными стабильными и не-
Рис. 8-4. Выполнение опытных ра-
бот в илистых песках и конгломе-
ратах с поверхности грунта
(П. Левек).
1 — круговая разведочная траншея;
2 — инъекционные скважины; 3 —
контрольная скважина; 4 — тран-
шея для удаления грунта.
стабильными подкрашен-
ными растворами.
В двух первых сква-
жинах, обсаженных свер-
ху на глубину 60 см тру-
бой, давления отказа, на-
чиная со второй зоны.
устанавливали примерно
пропорциональными мощности вышележащих грунтов,
принимая большой коэффициент пропорциональности.
Зона, м 2—4 4—6 6—8 8—10 10—12 12—14 16—18 18—20
Давление
отказа,
кгс/см* 4 20 28 34 22 75 60 90
(макс. (опыт)
65)
Интересно отметить, что высокие давления были
применены успешно, хотя породы не представляли со-
бой скалу в чистом виде.
Максимальное поглощение цемента достигло 1,50 т/м
на глубине 18—20 м. Однако Левек говорит: «Следует
отметить, что большая часть поглощения имела место
при относительно невысоких давлениях, как правило
менее 10—15 кгс/см2 для самых нижних зон.
88
Однако в порядке эксперимента было решено про-
должить инъекцию некоторых зон, хотя давление до-
стигло 30—40 кгс/см2. В этих случаях, если не происхо-
дило поднятия грунта, процент поглощения при давле-
ниях выше этих величин и до давления отказа (80—
90 кгс/см2) часто был ниже, чем при давлениях менее
30—40 кгс/см2».
Это весьма интересное замечание показывает, что
высокие давления инъекции, необходимые для хорошей
обработки грунта, не обязательно приводят к чрезмер-
ным поглощениям.
После окончания инъекции была пройдена централь-
ная контрольная скважина, в которую нагнетали чистую
воду и раствор. Кроме того, велись наблюдения в кру-
говой траншее глубиной около 10 м. В результате на-
блюдений было установлено следующее.
Грунт был заинъектирован по плоскостям раздела
линзовидных масс илистого песка и конгломератов
Эти плоскости параллельны общему падению пластов,
однако раствор проходил и перпендикулярно падению
на контакте с крупной галькой. Разрывы этого типа со-
вершенно аналогичны наблюдаемым в сыпучих грунтах.
Крупная галька способствует появлению разрывов.
Во время инъекции в центральную контрольную
скважину было отмечено, что вода постоянно проника-
ла в уже заинъектированные проходы; более того, бла-
годаря использованию различных видов растворов мож-
но было заметить, что разрыв увеличивается при каж-
дом нагнетании даже в относительно удаленную сква-
жину. Тем самым подтверждается значительное рас-
крытие трещин под давлением.
Заинъектированная трещина имеет максимальную
толщину вблизи скважины. По мере удаления от сква-
жины толщина уменьшается. Это свидетельствует о бы-
стром снижении давления в трещине при инъекции с
увеличением расстояния от скважины.
В бентонито-цементных растворах очень часто проис-
ходит разделение бентонита и цемента. В глино-цемент-
ных растворах такое разделение фаз довольно редко.
В отложениях цемента наблюдается неоднородное
распределение красителя. Поскольку он легче поглоща-
ется мельчайшими частицами цемента, можно убедить-
ся, что распределение частиц по гранулометрическому
составу аналогично приведенному в первом примере:
89
крупные отлагаются вблизи скважины, затем по мере
удаления от скважины — все более и более мелкие.
Через некоторое время после выемки траншеи по-
явились трещины во многих затвердевших растворах.
Это нормальное явление. Растворы, в которых не обра-
зуются трещины в подобных условиях, весьма редки.
Можно утверждать, что если бы трещинообразование
было определяющим при выборе раствора, то инъекция
оказалась бы невозможной.
Четвертый пример
Этот пример не относится к опытной инъекции. Речь
идет о исследовании противофильтрационной завесы в
левобережном примыкании плотины Бу-Ханифия, осу-
ществленном Бернациком и Даксельгофером.
Рис. 8-5. План расположения противофильтрационных завес плоти-
ны Бу-Ханифия.
1 — основная завеса; 2 — дополнительная завеса; 3 — галерея на отмет-
ке 225 м; 4 — галерея на отметке 300 м.
Вертикальная завеса была выполнена из двух гале-
рей, расположенных одна над другой на отметках при-
близительно 300 и 225 м. Она проходила примерно в
средней плоскости возвышенности, на которую опира-
лась плотина на левом берегу (рис. 8-5). Такое разме-
щение, в основном случайное, очень важно для объясне-
ния результатов инъекции.
90
На правом берегу, где завеса была перпендикулярна
горному склону, результаты были совершенно другие.
Инъекция силикагеля и цемента производилась в
мергелисто-песчаниковый комплекс. Расстояние между
скважинами было 2,5 м, длина зон 3—4 м. Применялась
групповая инъекция скважин. Для изучения полученных
результатов в слое, состоящем преимущественно из пес-
чаника с песком, галереи соединили шахтой. Шахта
была расположена между двумя скважинами так, чтобы
они были вскрыты по всей длине. Благодаря *тому
стало возможным извлечь керны цементного камня в
Рис. 8-6. Керны, отобранные в
инъекционных скважинах пло-
тины Бу-Ханифня.
изучить их по методу, разработанному Бернацнком
(рис. 8-6). Однако основной интерес представляют на-
блюдения за состоянием стенок шахты. Отмечено, что
при инъекции грунт был разорван по вертикальным пло-
скостям, расположенным в плоскости завесы (рис. 8-7).
Разрывы эти весьма многочисленны и имеют разную
протяженность. Некоторые из них относительно широки,
другие разветвлены (рис. 8-8).
Все слои — песчаные, песчанистые или мергелистые
были пересечены одними и теми же разрывами, прохо-
дящими через них без нарушения сплошности. Это под-
тверждает наличие именно разрывов, а не расширенных
инъекцией тонких трещин в грунте.
di
Очевидно, такое количество цементных прослоев мо-
жет обеспечить непроницаемость завесы, даже если
естественные трещины остались незаинъектироваиными.
Однако эта непроницаемость не может быть совершен-
ной. Вода сравнительно легко будет обходить эти не-
большие экраны. Ясно также, что гидравлическое опро-
бование контрольных скважин покажет лишь очень не-
значительное снижение проницаемости.
Разрез
План
Рис. 8-7. Разрывы грунта при инъекции заве-
сы в левобережном примыкании плотины Бу-
Ханифия (материалы фирмы Солетанш).
1 — верхняя галерея; 2 — мергели; 3 — песок;
4 — песчаник; 5 — нижняя галерея; 6 — шахта.
Рис. 8-8. Разрывы грунтов в зоне
завесы плотины Бу-Ханифия
(материалы фирмы Солетанш).
92
Тем не менее результат этой инъекции удивителен.
Он довольно просто объясняется расположением завесы
в средней плоскости возвышенности, где нашемыме
напряжения бесспорно перпендикулярны этой плоскости
Разрывы возникают вертикально в плоскости скважин
Поэтому каждая новая инъекция может вызвать мжый
разрыв или расширить старый.
Контроль правобережной завесы, перпеядикуляршй
склонам долины, выполнявшейся аналогично левобереж-
ной, показал, что разрывы чаше всего были пероещв-
кулярны плоскости завесы, т. е. параллельны реке жди
перпендикулярны наименьшим напряжениям. Лучшего
подтверждения теории разрывов получить нельзя.
ИНЪЕКЦИЯ ПЕСЧАНЫХ И ГРАВИЙНЫХ ГРУНТОВ
Среди многочисленных наблюдений, производивших-
ся в заинъектированном аллювии, весьма показательны
результаты, полученные Россе (F Rosset) при контрите
качества завесы плотины на Черном озере, где весь
массив грунта не был полностью пропитан раствором.
После окончания инъекции цемента и геля мергеля
на левобережном конце завесы была устроена шахта
сечением 2 X 2 ле глубиной около 5 м в зоне нескольких
скважин глубиной до 10 м, расположенных через 2 м.
Состояние стенок шахты было тщательно изучено. На
рис. 8-9 приводится их развертка. Три инъекционные
скважины расположены в трех углах шахты, четвертый
угол находится посредине между двумя скважинами.
Сверху гравий с открытой структурой достаточно хо-
рошо обработан цементом. Этот слой почти сравним с
бетоном. Ниже расположены пласты с преобладанием
песка и не пропитанные цементным раствором. .Можно
заметить многочисленные разрывы толщиной от 0.5 до
3 см, почти параллельные поверхности грунта. Местами
жилы цемента имеют три или четыре ответвления, раз-
деленные незаинъектированным песком. Гель мергеля
распределяется почти аналогично. Многие пустоты были
хорошо заполнены. Иногда это легко можно было уви-
деть, а иногда удавалось обнаружить лишь при обра-
ботке фенолфталеином. Имелись также разрывы, обра-
зованные гелем, параллельные поверхности грунта. Как
правило, они соединяют, а иногда н полностью обвола-
кивают крупную гальку.
Видны разрывы, образованные жилами цемента, не-
посредственно контактирующими с прожилками геля.
91
Это часто встречающееся явление показывает, что коль
скоро разрыв образовался, он будет вновь раскрываться
независимо от вида раствора. Раствор, инъектируемый
во вторую очередь, может находиться (как в данном
случае) по обе стороны от первого разрыва, даже если
Рис. 8-9. Развертка стенок контрольной шахты в завесе
Черного озера (материалы фирмы Солетанш).
I — зацементированная порода; 2 — жила цемента; 3 —
прожилки геля мергеля; 4 — отложения инъектирован-
ного мергеля; 5 — проникание геля (реакция фенолфта-
леина); 6 — очень твердая песчано-глинистая масса; 7 —
песчаный карман; 8 — слой песка.
он образован при инъекции чистого геля перед инъек-
цией цемента. Раствор может также располагаться
только с одной стороны, что будет видно из другого
примера.
Такая связь разрывов может или ограничиваться зо-
ной около скважины (при этом каждый раствор дальше
проходит различными путями), или существовать по
всей поверхности разрывов.
Этот пример хорошо показывает различные процес-
сы, происходящие при инъекции аллювия. Необходимо
94
напомнить, что существуют зоны без следов раствора.
Несмотря на это, состояние завесы в целом было я
остается весьма хорошим. Каков бы ив был подход ж
контролю качества инъекции, следует поимип о маляр
чин в противофильтрационной завесе эом, не эаммъежль
рованных, а только сжатых.
Гидравлическое опробование в одной мз них может
дать весьма неблагоприятный результат, а в ярояжта»-
ной раствором зоне — хороший. Легко понять, что сред-
няя проницаемость по результатам этих испытаний не
характеризует проницаемость завесы в целом.
Если, например, вертикальные разрывы (поскольку
они всегда имеются, хотя и не были отмечены в данном
исследовании) проходят от скважины к скважине, мож-
но получить высокую водонепроницаемость завесы и
весьма плохие результаты гидравлических опробсваняй.
В таком случае, как мы увидим в дальнейшем, подоб-
ный контроль непригоден.
Глава девятая
ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЗАИНЪЕКТИРОВАННЫХ ПОРОД
Инъекция может считаться удовлетворительной толь-
ко в том случае, если после схватывания раствора до-
стигается требуемый результат. Другими словами, укре-
пительная инъекция должна улучшить механическую
прочность породы, а противофильтрационная — повы-
сить ее непроницаемость. Интуитивно считалось, что
укрепление следует проводить растворами, дающнмя
высокую механическую прочность, а снижать проницае-
мость — растворами, обладающими наименее возмож-
ной проницаемостью. В действительности все оказалось
значительно сложнее.
Некоторые скальные трещиноватые породы можно
укрепить раствором, имеющим лишь небольшое сцепле-
ние, а применение только водонепроницаемого раствора
для создания завесы в скале бесполезно, если этот рас-
твор может быть вытеснен под давлением воды. Для
противофильтрационной инъекции необходимо, чтобы
слабая проницаемость раствора сочеталась со структур-
ной прочностью, необходимая величина которой зависит
95
от характера среды и гидростатического давления, дей-
ствующего на завесу. Поэтому, например, чисто битум-
ные растворы, не имеющие структурной прочности, не
должны применяться для постоянных противофильтра-
ционных устройств. После инъекции такие растворы,
безусловно, продолжают течь в грунте под действием
силы тяжести и давления воды, хотя и крайне медленно.
Теоретических исследований по этим проблемам
мало и они относятся только к инъектировапным трещи-
нам. Прандтль (Prandtl) определил сопротивление сжа-
тию заполненной пластичным телом трещины, Мандель
(Mandel)—сопротивление усилиям, действующим в
плоскости трещины, т. е. сопротивление раскупориванию.
Для аллювиальных грунтов мы провели несколько лабо-
раторных опытов с целью уточнения положений, уста-
новленных априори.
Наконец, имеются сведения о конечной проницаемо-
сти заинъектированных пород, полученные на основании
многочисленных измерений расхода воды, фильтрующей
через выполненные инъекцией завесы.
СОПРОТИВЛЕНИЕ СЖАТИЮ ЗАИНЪЕКТИРОВАННОЙ
ТРЕЩИНЫ
Прандтль рассмотрел случай совершенного заполне-
ния пластичным материалом, обладающим прочностью
на срез С, трещины бесконечной длины шириной I с
раскрытием е (рис. 9-1).
Зависимость среднего давления р, воспринимаемого
заполнителем, от этих характеристик имеет вид
p~c(jr + ir)-
где е — значительно меньше /.
Этот результат был экспериментально получен Тре-
ска (Tresca) в 1865 г.
Произведем расчет при С =100 гс/см2, что соответ-
ствует илу с небольшой прочностью. Если I = 1 м, а
е = 1 см, то р = 5 кгс/см2. Если ширина трещины 10 м,
то при прочих равных условиях р = 50 KZCjCM2.
Речь идет лишь о грубом приближении, так как в
действительности теоретически напряжения в трещине
распределяются не равномерно, а по треугольнику.
Однако силы сопротивления настолько значительны, что
I 96
этого приближения вполне достаточно Ош, доказывает
что если трещина *аполнена глиной, ее сооритивлсаае
нормально приложенным нагрузкам вполне достаточно
При заполнении трещин в скале ширимо* бозее 1 м
глино-цементным раствором, имеющим мвшмалыюе
сцепление 1—3 кгс/см2, можно быть уверенным, что
прочность будет более чем достаточной
Поэтому бесполезно пытаться очистить треощву для
замены глинистого заполнителя лучшим материалом.
Рис. 9-1. Распределение давлений, вы-
зывающих течение пластичного тела,
заключенного между двумя парал-
лельными пласгинами бесконечной
длины и ширины I.
I — распределение по Прандтлю; 1 —
линии скольжения.
Это следствие приобретает особо важное значение, во-
скольку опыт показывает, что никогда не удается осу-
ществить подобную очистку трещины нагнетанием воды,
воздуха или того и другого. Наличие глины в трещинах
не влияет, следовательно, на общую прочность породы.
Можно сказать, что если трещины н днаклазы вокруг
хорошо заинъектированы, осадки этой глины с удалени-
ем поровой воды не может произойти. Следовательно,
даже если заполнитель имеет ощутимую толщину, осад-
ка не будет значительной.
СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСКУПОРИВАНИЮ
ЗАИНЪЕКТИРОВАННОЙ ТРЕЩИНЫ
Противофильтрацпонная завеса создается для под-
держания уровня верхнего бьефа выше уровня нижнего
бьефа. Поэтому заполнитель трещин (глина млн цемент)
97
подвержен давлению, которое стремится вытеснить его
в сторону нижнего бьефа.
Исследование этого явления было проведено Ман-
делем (1943 г.) для случая связного заполнителя, имею-
щего и не имеющего внутреннего трения (рис. 9-2).
Если заполнитель обладает только сцеплением, то
Для предыдущего примера (С =100 гс!см2\ х = 1 м
и е = 1 см) получим: q = 20 кгс/см2. Таким образом,
Рис. 9-2. Раскупо-
ривание трещины.
1 — галерея; 2 —
скала; з — пластич-
ный слой.
даже ил очень низкого качества, за-
полняющий трещину с раскрытием
1 см на длине 1 м, может быть вы-
теснен только при напоре 200 м. Как
правило, такая прочность вполне
удовл етворител ьн а.
Если заполнитель обладает углом
внутреннего трения, то имеем:
2.т
4 е tg <р '
где
£=2tg2<p(ctg<p + <p +
Эта функция возрастает очень быстро. Так, при
С = 0,1 кгс!см2 <р = 1° и q = 200 кгс)см2.
Эти результаты, дающие лишь порядок величины,
показывают, что без всякого риска можно сохранить
естественное заполнение трещин или, если они ничем не
заполнены, достаточно ввести в них любой материал
для получения хорошего эффекта.
СОПРОТИВЛЕНИЕ СЖАТИЮ ЗАИНЪЕКТИРОВАННЫХ
АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОРОД
Раствор при инъекции песчаных и гравелистых грун-
тов лишь заполняет поры, и контакт между частицами
сохраняется. Поскольку раствор обладает некоторым
сцеплением, инъекция имеет целью превратить рыхлый
грунт в грунт, обладающий и сцеплением, и внутренним
трением. Угол внутреннего трения остается тем же, что
98
и до инъекции, а сцепление становится таким, как у
раствора. Этот логический результат подтверждается
лабораторными испытаниями на трехосное сжатие.
В маловероятном случае чрезмерной инъекция мо
жет оказаться, что все частицы грунта окружены тол-
стым слоем раствора. Несвязный грунт при этом пре-
вращается в связный. В зависимости от величин перво
Объем раствора па 1л песка
Рис. 9-3. Влияние расхода рас
твора и а плотность и угол
внутреннего трения заинъекти-
рованной породы. Угол вну-
треннего трения остается неиз-
менным до тех пор, пока объем
раствора не превысит объема
пор скелета.
Рис. 9-4. Прочность ва сжа-
тие смесей песок — сшк>-
гель в зависимости от
удельной поверхности песка.
1 — чистый гель, 2 — гель»
разбавэдшыА ва
начального угла внутреннего трения и конечного сцеп-
ления результат может быть благоприятным или нет
Речь идет только о предельном случае, поскольку физи-
чески при инъекции нельзя достигнуть подобного резуль-
тата, так как произойдет разрыв.
Однако возможны промежуточные состояния. Зерна
грунта в этих случаях покрыты некоторой пленкой рас-
твора, которая практически не изменяет их взаимного
положения. Лабораторные испытания показывают, что
в этой фазе инъекции в первом приближении можно
принять пропорциональную зависимость между углом
внутреннего трения и плотностью после инъекции
(рис. 9-3): эти величины уменьшаются при продолжении
инъекции после заполнения пор.
Рассмотренные аспекты относятся к случаю простого
заполнения раствором пор грунта. Очевидно, это обычно
происходит при использовании глино-цементных рас-
творов.
90
При химическом сродстве раствора н частиц грунта
несвязная среда превращается в сплошную Новое твер-
дое тело имеет механические характеристики, не завися-
щие прямо от характеристик инъектируемой среды и
раствора. Это проявляется, в частности, при инъекции
мелкозернистых кремнистых песков растворами на основе
силиката натрия. Гели этих растворов являются жидко-
стями с очень большой вязкостью. Однако заинъек-
тированный ими песок не течет и имеет прочность на
сжатие, значительно большую, чем чистый гель.
Карон (С. Сагоп, 1964) показал, что прочность на
сжатие Rcw при использовании этих растворов находит-
ся в линейной зависимости от корня квадратного из
удельной поверхности песка (рис. 9-4). Следова-
тельно, легче всего укрепляются мелкозернистые пески.
При использовании гелей, образующихся из разбав-
ленных для снижения стоимости или увеличения Прони-
на емости продуктов, необходима осторожность, так как
в чистом виде они подвержены синерезису. Это проис-
ходит в крупнозернистых грунтах; в мелких песках си-
нерезиса не наблюдается.
Для определения влияния синерезиса Карон произ-
водил ежедневные испытания на сжатие образцов заинъ-
ектированного песка (рис. 9-5). Только для песка круп-
ностью от 0,04 до 1 мм прочность почти не изменялась.
Для песка с частицами 1 — 3,2 мм и гравия крупно-
стью 1,6 — 8 мм величины прочности проходили через
максимум и стабилизировались на 15-й день. Можно
предположить, что за этот период синерезис закан-
чивался.
Если рассматривать количество жидкости, удален-
ное благодаря синерезису за 15 дней, в зависимости от
удельной поверхности инъектированных песков, то ока-
зывается, что синерезис имеет допустимую величину
только для песков с удельной поверхностью более
30—40 cjw-1 (рис. 9-6).
Эти результаты показывают, что довольно сложно
выбрать простой раствор силиката натрия, если доби-
ваться наиболее экономичного решения. Кроме того, по-
скольку однородный песок встречается редко, приходит-
ся использовать несколько типов растворов и инъекти-
ровать их в определенном порядке.
Аналогичные явления наблюдаются при инъекции
органических смол. Они изучены значительно меньше,
W0
однако несколько испытаний на сжатие смесей, приго-
товленных из песка и ре зерци ио-форм аль депгдмой смо
лы, дают следующие результаты (табл. 9-1).
Рис. 9-6. Влияние улельвой
поверхности S инъежтируе-
мой среды на велвчжиу о-
нерезиса.
1 — разбавленный гель; 2 —
чистый гель; 3 — пымжн А
чистый; 4 — силикат В, раз-
бавленный на 20%, 5 — см-ш-
кат В, разбавленный на 40%.
в — силикат С, разбавлен-
ный на 40%.
Рис. 9-5. Влияние синерезиса
геля силиката натрия, разбав-
ленного на 40%, на прочность
при сжатии различных заинъ-
ектированных песков.
1 — песок крупностью 0,04—
1,0 мм; 2 — песок крупностью
1—3,2 мм; 3 — гравий крупно-
стью 1,6—8 мм.
Таблица 9-1
Крупность ча-
стиц, мм . .
Прочность на
сжатие, кгс/см*
0,1—1
8,5
0,2—1 0,001—2
7 3,5
0,2—10 0,10—0,14
3 2.5
1,8
Все смеси имели примерно одинаковую плотность;
смола обладала прочностью на сжатие около 1,5 кгс'см*
Весьма различные величины прочности показывают
зависимость ее от диапазона гранулометрии и средней
крупности частиц. Возможно также влияние химической
природы скелета. Для выявления этого была прнготов*
101
лена смесь из баритового песка с гранулометрическим
составом, аналогичным песку Сены крупностью 0,2—
1 мм, Этот образец имел прочность па сжатие
10.8 к?с/с.и2. а не 7 кгс/см2. как образец ib песка Сены.
Еще более яркий пример дает смола Polythixon 35FM—
аминопласт, катализированный в кислой среде. Чистая
смола имеет прочность 50 кгс!см2, смесь смолы с крем-
ниевым песком — 60 кгс/см2, а сочетание с известняко-
вым песком — всего 7 кгс]см2, Эта же смола, разбавлен-
ная водой, имеет прочность 7 кгс/см2, в смеси с крем-
ниевым песком — 30 кгс!см\ а с известняковым —
7 кгс/см2.
Таким образом, очевидно, что химическая природа
частиц, их средние размеры, диапазон гранулометрии и,
вероятно, их форма имеют значительное влияние на
прочность при сжатии песков, инъектированных некото-
рыми типами растворов, но общий закон вывести невоз-
можно. Однако достаточно провести несколько испыта-
ний на сжатие образцов, приготовленных из раствора и
песка, подлежащего инъекции, чтобы получить пред-
ставление о прочности конечного продукта (R. A. Scott,
1963; В. О. Skipp, L. Renner, 1963).
СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСКУПОРИВАНИЮ
ЗАИНЪЕКТИРОВАННЫХ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОРОД
Сопротивление раскупориванию* может быть опреде-
лено, если использовать соображения, приводившиеся
для случая отдельной трещины, заполненной связным
материалом.
Пусть п — пористость аллювия; S — его удельная по-
верхность; она равна б/d для частиц сферической фор-
мы диаметром d. Если I—длина образца; $ — площадь
его сечения; С — сцепление раствора с частицами, то
давление раскупоривания Р определяется так:
sP = s/S(l — и)С,
откуда
(1— n)lSC.
Для проверки этого уравнения было проведено око-
ло 40 измерений давления выдавливания раствора с
известной прочностью, инъектировавшегося в стеклян-
ные /шарики. Результаты показывают, что уравнение
справедливо, несмотря на большой разброс измерений
102
(рис. 9-7). Кроме того, было подтвержден. чти сисзд
ние поверхности частиц не оказали сушствемиго
влияния на результаты.
По этой формуле получается, например, его для вы-
давливания раствора со сцеплением 100 гс'с& ха ча-
стиц диаметром 10 мм с пористостью 40%, рэсяолагаю-
щихся на длине 1 м, необходимо давление 36
Это весьма обнадеживающий
результат, так как в такие от-
крытые структуры редко инъек-
тируют столь слабые рас-
творы.
Эти исключительно высокие
давления выдавливания даже
при небольшой прочности рас-
твора, казалось бы, противоре-
чат практике работ. Действи-
тельно, часто отмечается суф-
фозия заинъектированных мел-
козернистых песков даже при
небольшой фильтрации. Это
весьма неблагоприятное, а ино-
гда и опасное явление объяс-
няют выдавливанием раствора.
Но дело совсем не в этом. Рас-
твор не пропитал как следует
грунт, и остались сильно сжа-
тые, но не заинъектированные
пласты. При длительной филь-
трации даже с небольшими
расходами начинается суф-
Рис. 9-7. ЗамкЕ«истъ х»
ления рлсжувирвмтав Р
для растворе со спгхаг-
нием С (гт уливлаЛ поверх-
ности S. эорштэсп про-
тяженности игъежтяръемой
среды.
По результатам 4* испыта-
ний 2,15 < С<гехл* » <
1 — макстпва тьяое опт, так
ние; ? — HHixirwi гаи яри-
мая R—д).
фозия.
Мы затронули один из наиболее важных вопросов
инъекции, мало знакомый инженерам, не освоившая
этих работ. Вследствие самой природы грунта при инъ-
екции одного раствора никогда не получается равномер-
ного уплотнения, поэтому приходится использовать раз-
личные типы растворов. Но даже в этом случае не
всегда можно добиться однородности при обработке
мелких песков.
К счастью, опыт показывает, что столь совершенная
обработка не обязательна. Это необходимо иногда в
целях предосторожности. Наибольшие неприятности не-
однородная обработка доставляет в связи с трудностя-
ми
ми контроля как для подрядчика, желающего выпол-
нить работ) качественно, так н для заказчика, который
должен в этом убедиться.
ПРОНИЦАЕМОСТЬ ПОСЛЕ ИНЪЕКЦИИ
Если раствор заполняет все пустоты в грунте, то ко-
нечная проницаемость может быть определена, исходя
из величины проницаемости раствора и пористости
грунта. Поскольку проницаемость раствора после схва-
тывания невелика, например 10-Б дарси, а для чистого
цемента еще меньше, теоретически водопроницаемость
будет почти абсолютной. Лабораторные испытания по-
казывают, однако, что в действительности результа-
ты много хуже. Песок крупностью 3—5 мм можно инъ-
ектировать различными стабильными растворами. Для
исследования нестабильных растворов была приготов-
лена смесь этого песка и чистого цементного раствора
состава Ц/В около 2/1. Водопроницаемость чистого рас-
твора была 10~3—10~4 дарси (10-8—10~® м/сек), а водо-
проницаемость закрепленного песка оказалась много
больше: от 10*1 до Ю-2 дарси.
Этот противоречащий ожидаемому результат объяс-
няется тем, что даже стабильные растворы подвержены
небольшому водоотделению к момент)' схватывания.
Ниже каждой частицы песка образуется небольшая пу-
стота, которая облегчает проход воды (рис. 16-9). Имен-
но эти пустоты и приводят к водопроницаемости более
высокой, чем у чистого раствора.
Основой является не проницаемость, присущая рас-
твору, а его проникающая способность. Проницаемость
всегда бывает вполне удовлетворительной, но редко
удается заполнить раствором все пустоты. Некоторые из
них слишком малы, и раствор не может пройти в них,
другие плохо связаны со скважинами. Поэтому конеч-
ная проницаемость за!инъсктированной породы зависит
лишь от количества заинъектированных пустот. Узнать
его невозможно. Но даже если бы и удалось его изме-
рить, это ничего не даст. Действительно, достаточно,
чтобы группа пустот, даже небольших размеров, была
окружена непроницаемым слоем, чтобы фильтрационный
расход значительно снизился.
Единственный метод определения средней проницае-
мости после инъекции — измерение фильтрационных
104
расходов через завесы известных размеров независимо
от любых других локальных измерений, которые могут
производиться во время ведения работ. Опыт показы-
вает, что локальная проницаемость всегда либо значи-
тельно больше, либо значительно меньше средней вели-
чины действительной проницаемости и что число таких
измерений всегда недостаточно для того, чтобы их сред-
няя величина соответствовала действительной. Это го-
ворит о трудностях контроля, к которым мы еще вер-
немся. г
Приведенные ниже величины проницаемости после
инъекции получены статистической обработкой резуль-
татов измерений, проведенных на противофилътрацион-
ных завесах площадью в несколько тысяч квадратных
метров, выполненных в аналогичных условиях.
Что касается новых работ, то можно надеяться лишь,
что средняя величина проницаемости будет аналогична
старым результатам Даже с большим запасом нельзя
гарантировать точную среднюю величину проницаемо-
сти. Однако, к счастью, эти величины достаточно малы
и в большинстве случаев позволяют обосновать инъек-
ционные работы.
В трещиноватой скале легко удается получить конеч-
ную проницаемость менее 0,1 дарси (10~6 м!сек). Но в
аллювии эта величина соответствует трудно достижимо-
му пределу, который можно превысить только в особых
случаях: при инъекции сильно проницаемых песков и
гравия, которые легко пропитываются, либо при систе-
матическом использовании химических продуктов. В ка-
честве средней следует принять проницаемость около
0,5 дарси.
Эта величина показывает, что несвязные грунты с
проницаемостью около 1 дарси с трудом поддаются
инъекции, ибо легче уплотнить более проницаемые
грунты, в которых свободно проходит раствор.
Затруднения при инъекции, возрастающие по мере
снижения проницаемости грунта, показывают, что не
следует определять качество работы соотношением на-
чальной п конечной проницаемостей. Оно имеет обрат-
ное значение: чем больше отношение, тем легче осуще-
ствить инъекцию. Должно учитываться именно абсолют-
ное значение средней величины проницаемости и срав-
ниваться с практическим пределом проницаемости, на-
пример 0,5 дарсц
105
РАЗМЫВ РАСТВОРОВ
Несколько неудачных инъекционных работ, прове-
денных неквалифицированными подрядчиками, в какой-
то степени подорвали доверие к инъекции. Инженеры,
недостаточно осведомленные об этих работах и чересчур
осторожные, пришли к выводу, что ее следует избегать
в постоянных сооружениях.
Однако такие неудачи можно было легко предуга-
дать: применявшиеся битумные растворы и суспензии
чистой глины не имели прочности, гели силиката натрия
содержали негодные реагенты, поэтому растворы через
несколько лет под давлением воды, выдавливались либо
разрушались при фильтрации.
Такие неудачи показывают, что недостаточно уметь
только нагнетать раствор, чтобы осуществлять инъек-
цию. Надо также уметь правильно его выбрать Это
всегда возможно, так как в настоящее время имеется
весьма много растворов, но выбор следует производить
очень осторожно.
Лабораторные исследования, продолжающиеся не-
сколько месяцев, приточных измерениях позволяют пред-
сказать поведение раствора. Так, периодически измеря-
лась проницаемость образцов заинъектированного песка,
о которых говорилось выше, диаметром 40 и высотой
50 мм, помещенных в дистиллированную воду, постоян-
но обновляемую. Отмечено, что проницаемость умень-
шается в течение первых 30—40 дней, стабилизируется,
затем начинает расти (рис. 9-8). Можно предположить,
что вначале твердение цемента оказывает более замет-
ный эффект, чем выщелачивание. Затем происходит об-
ратное.
Это испытание проводилось в весьма жестких усло-
виях, так как в природе дистиллированная вода встре-
чается редко. Немногие цементы могут выдержать по-
добные испытания. Однако растворы успешно выдержа-
ли их и вполне могут быть использованы для противо-
фильтрационной инъекции.
Лабораторные испытания по размыву образцов ал-
лювия, заинъектированного глино-цементным раствором,
показали, что, несмотря на некоторое растворение изве-
сти, водопроницаемость не увеличивается. Эти результа-
ты лишь подтверждают исключительно хорошее состоя-
ние существующих много лет постоянных противофильт-
рационных завес плотин Серр-Понсон и Нотр-Дам де
106
Комье во Фра пап и, Зильве1Ш1тепи в ФРГ, СтраментяД-
цо в Италии, Гардки и Дзет в Швеции, Шек Пик в Гоя*
конге, Мишон в Канаде, Эль-Боске в Мексике и т. п.
Превосходное состояние завесы новой базилики Лур-
да не может быть объяснено отложением ила, на что
часто ссылаются, когда речь идет о завесах плотин. Нет
надобности доказывать долговечность результатов, до-
стигаемых при инъекции цементных растворов, с помо-
щью которых выполнено много работ.
Проницаемость^ Парси
Рис. 9-8. Изменение проницаемости образцов заинъектнрованного
песка при промывке (материалы фирмы Солетанш)
1 — глино-цементный раствор с небольшим содержанием цемента, 2 —
аэрированный раствор с небольшим содержанием цемента, 3 — чисто
цементный раствор; 4 — аэрированный раствор с большим содержа-
нием цемента, 5 — глино-цементный раствор с большим содержанием
цемента.
При использовании химических материалов требует-
ся проводить лабораторные исследования, так как эти
растворы применяются недавно. Однако лабораторные
испытания показали, что не все гели силиката натрия
были нерастворимыми (рис. 22-7) Выбор реактива име-
ет важное значение. Пренебрежение этим может приве-
сти лишь к неудаче
Отметим противофильтрационную завесу плотины на
Черном озере (Ischy, 1948), выполненную растворами
на основе цемента, глины и в основном силиката нат-
рия. Спустя 15 лет после окончания работ регулярно
контролируемая эффективность завесы снизилась всего
на несколько процентов. Поскольку вода здесь очень
чистая, увеличение расхода, очевидно, вызвано незначи-
тельным растворением цемента. Следовательно, для
инъекции можно выбрать растворы, сохраняющие свои
свойства с течением времени.
107
I ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
| ТЕХНОЛОГИЯ ИНЪЕКЦИИ
Г лава десятая
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД
Как при противофильтрационной, так и при укрепи-
тельной инъекции в трещиноватых скальных породах
успеха можно добиться только при соответствующем
подборе раствора. И хотя обычно для консолидации
используются более прочные растворы, существенной
разницы между этими двумя видами работ нет. Различ-
ные схемы инъекции зависят от характера трещиновато-
сти скалы: при большом количестве широко раскрытых
трещин следует избегать чрезмерного распространения
растворов; при тонкой трещиноватости такое распро-
странение имеет меньшее значение. В каждом конкрет-
ном случае должен быть выбран соответствующий спо-
соб инъекции Можно попытаться предварительной
инъекцией свести случай сильно трещиноватых пород к
случаю пород с небольшим раскрытием трещин.
ИНЪЕКЦИЯ ШИгОКО РАСКРЫТЫХ ТРЕЩИН
Широко раскрытыми (при инъекционных работах)
считаются трещины, которые не настолько велики, чтобы
можно было заполнить их при укладке бетона, но и не
настолько малы, чтобы заполнение их обычным цемент-
ным раствором было экономичным. Их раскрытие, сле-
довательно, может колебаться от нескольких децимет-
ров до нескольких сантиметров и даже нескольких мил-
лиметров, если они многочисленны.
Заполнение таких трещин производится густым и
тиксотропным раствором, инъектируемым почти без
давления (I—2 кгс/см2 — максимум). Низкое давление
и тиксотропность ограничивают проникаемость раствора.
108
Поэтому следует предусмотреть возможность сближения
инъекционных скважин до 1—2, иногда 3 м в зависимо-
сти от состояния породы и качества раствора. Такой
раствор можно приготовить из цемента, глины, силика-
та натрия и иногда из мелкозернистого песка.
Кроме тиксотропности, которая обеспечивает засты-
вание раствора до схватывания цемента, раствор обла-
дает структурной прочностью, которая придает ему
устончнвость, па пример, при откосе */з Таким раствором
можно укрепить грунт, подобрав состав, обеспечиваю
ищи его конечную прочность 20—50 кгс/см2.
Тиксотропный раствор не распространяется далеко
С его помощью можно инъекцией снизу вверх через
близко расположенные скважины создать в крупных
трещинах настоящие стенки-перемычки относительно
небольшой толщины. Тонкие трещины при этом инъек-
тируются плохо, а чаще всего не могут быть заинъекти-
рованы. Поэтому следует дополнить обработку раство-
ром, специально предназначенным для этой цели, на-
пример простой суспензией цемента.
Промывка трещин
Трещины значительной величины редко бывают пу-
стыми. Почти всегда они заполнены глиной, мелкозер-
нистым песком или другими материалами, образование
которых связано с разуплотнением пород либо циркуля-
цией грунтовых вод.
Инъекция дополняет это заполнение. Она сжимает
заполнитель трещин, но не извлекает его. Поэтому иног-
да предусматривается очистка трещин промывкой перед
началом инъекции. Такая промывка производится через
скважины, пересекающие трещины. Опыт показывает,
что радиус действия одной скважины невелик Промыв-
ка происходит по вполне определенному пути Простое
нагнетание воды очень быстро приводит к прекращению
вымыва. Поэтому приходится выполнять множество
близко расположенных (через 1—2 м) скважин и нагне-
тать в них последовательно или одновременно воду и
воздух под давлением. Можно даже добавлять в промы-
вочную воду химикаты для облегчения пептизации гли-
ны. Чем выше расходы воды, тем больше шансов на
успех операции Например, применяются насосы с рас-
ходом около 50 и3/ч при давлении 4 5 кгс!сч- и ком-
109
прессоры мощностью 80 л с Возникновение цнркх ляпни
между скважинами происходит при значительных дав*
лениях Большие усилия, действующие внутри массива,
могут вызвать поднятие грунта, особенно если промы-
ваемые полости залегают немубоко. Здесь таится
опасность, которую ие следует недооценивать.
Вода и воздух последовательно подключаются ко
всем скважинам. Смена направления циркуляции меж-
ду дв^мя сообщающимися скважинами вновь вызывает
появление материалов, находящихся в трещинах. Это
доказывает, что промывка никогда не бывает совер*
шенной.
Производительность подобных операций невысока.
Многочисленные измерения, производившиеся на круп-
ных строительствах, показывают, что в среднем удава-
лось извлечь от 4 до 6 кг сухого материала на 1 м3 во-
ды. На поверхность, как правило, выходит мутная вода;
время от времени в ией появляется несколько крупных
включений. Неоспоримо, что такая обработка имеет
некоторое значение и что она позволяет сократить бо-
лее или менее значительное количество песка или глины
в трещинах. Но не менее неоспоримо, что она никогда
не бывает совершенной. Ее эффективность следует про-
верять с помощью штолен и шахт.
Именно после такого контроля можно узнать, как про-
ведена обработка.
Низкая производительность и необходимость прове-
дения тщательного контроля приводят к тому, что про-
мывка трещин применяется весьма редко.
Блокировка глинистого заполнения
Как известно, естественный заполнитель трещин,
находящийся в непроницаемой противофильтрационной
завесе, не является препятствием. Необходимо только,
чтобы заполнитель не выдавливался под давлением
воды. Так обычно и бывает, кроме случаев, когда широ-
кие трещины или карст заполнены мягкой, например па
пределе текучести, глиной. При этом инъекция должна
постепенно осушить глину, придав ей лучшую прочность
Этого иногда удается достигнуть инъекцией при высо-
ком давлении до 20—30 раз подряд в одни и те же сква-
жины с интервалом в несколько дней. После такой об-
работки все-таки необходимо проверить через контроль-
но
iiyio шахту или штольню, получен ли ожидаемый ре-
зультат.
При проведении подобных работ отмечается, что
благодаря многочисленным и частым разрывам толщи-
на слоя илистой глины значительно уменьшается и его
прочность увеличивается с 40 гс/см2 до 1 кгс/см2, что
является замечательным результатом (рис 10-1).
Рис. 10*1. Блокировка ила инъекцией
Раствор не пропитал грунт и прошел только в
разрывы (черяые полосы).
Если проведение этих многочисленных инъекций и
устройство дорогостоящих контрольных шахт невозмож-
ны, следует извлечь мягкие глины и заменить их бе-
тоном.
Так следует поступать и всегда, когда требуется кон-
солидация породы, содержащей значительный объем
глины, так как прочность, обеспечиваемая инъекцией,
никогда не достигает величин, сравнимых с прочностью
окружающей породы.
Если трещины слишком малы, чтобы к ним можно
было проникнуть, инъекция выполнит свою роль, если
будет проводиться при высоком давлении. Глины, за-
полняющие трещины, осядут под нагрузкой, но, учиты-
вая их уплотнение за счет инъекции и небольшую тол-
щину, осадка не может быть значительной. Такие слу-
чаи должны рассматриваться в зависимости от геологи-
ческих условий и характера возводимого сооружения
111
ИНЪЕКЦИЯ ТОНКИХ ТРЕЩИН
Гидравлическое опробование
Инъекция тонких трещин выполняется через относи-
тельно близко расположенные скважины В каждой
скважине производятся гидравлические опробования
последовательными зонами длиной около 5 м, как при
изысканиях. Такне опробования, однако, проводятся не-
сколько упрощенно, с тем чтобы не терять времени Их
цель — не столько промыть трещины, как часто думают
(промывка, как правило, не достигает цели), сколько
определить начальный состав раствора Чем выше во-
допоглощение, тем плотнее раствор. Таким образом,
пытаются выиграть время, избегая напрасных нагнета-
нии очень жидких растворов, которые проникают слиш-
ком далеко Однако известно, что опыты Люжона ука-
зывают только на общее раскрытие трещин, возникает
опасность, что инъекция будет начата слишком густым
раствором И с этим ничего нельзя сделать. К счастью,
опыт многих строек показал, что такой метод удовлет-
ворителен и что в конечном итоге проведение начальных
гидравлических опробовании является рентабельным.
Инъекция зонами
Инъекция раствора, как и гидравлические опробова-
ния, производится зонами длиной около 5 м. Каждая
зона ограничена в верхней части тампоном, в нижней —
дном скважины, естественным грунтом или затвердев-
шим раствором в зависимости от применяемого метода
инъекции.
Может показаться, что инъекция зонами—длитель-
ная п дорогостоящая операция и лучше было бы ннъек-
тировать скважину по всей длине. Однако известно, что
при этом частицы цемента будут осаждаться в воде и
постепенно закупорят скважину вместо того, чтобы
пройти в трещины. Это явление возникает уже при инъ-
екции зонами длинен 10 м Когда скважина заполняет-
ся таким образом, давление резко повышается, что мож-
но принять за отказ. Если перебурить зону, можно вновь
начать инъекцию. Порода будет так же легко поглощать
раствор, как н до резкого повышения давления.
Можно избежать седиментации раствора в скважине,
обеспечив его циркуляцию с помощью дополнительной
112
трубы, доходящей до забоя скважины (рис 10-2) За-
движка на отводящем трубопроводе позволяет регули-
ровать давление. В этом случае скважина инъектирует-
ся сразу на всю длину.
Этот ранее считавшийся удачным метод может быть
подходящим только в тех случаях, когда все пересекае-
мые скважиной трещины имеют почти одинаковое рас-
крытие. В противном случае бывает трудно подобрать
состав раствора. Достаточно одной
трещине иметь несколько большее
раскрытие, чем у других, чтобы
раствор, предназначенный для инъ
екции тонких трещин, вытек через
эту более крупную А если сгустить
раствор, чтобы избежать потерь, то
тем самым блокируются входы в
тонкие трещины, которые остаются
пезапнъектированными
Теоретически можно провести
хорошую обработку грунта этим ме-
тодом. Следует начать с густого
раствора и постепенно снижать его
консистенцию, увеличивая конечное
давление при каждом новом составе
раствора. Повышение давления не-
обходимо ДЛЯ увеличения раскры- рис ц).2 Инъекция
тия трещин, вход в которые закупо-
рен, для того чтобы вытеснить проб-
ку и обеспечить прохождение раст-
вора. Таким образом, инъекция мо-
жет быть удачной. Однако техника
зтих работ слишком сложна, чтобы
одновре-
всю длину
2 — труба.
скважины
Менно на 1
1 — раствор.
заделанная в грунт
можно быю в ус-
ловиях строительной площадки эффективно подобрать
состав раствора соответственно качествам породы Та-
кой выбор проще осуществить прн инъекции зонами.
Именно этот метод и применяется при выполнении слож-
ных работ. Иногда порода бывает настолько плохого
качества, что невозможно установить тампон на желае-
мой глубине. Тогда следует инъектировать по мере бу-
рения сверху вниз.
Открытыми при этом остаются только трещины зоны,
которую только что пробурили, остальные закрыты
предшествующей инъекцией. Тампон может быть уста-
новлен в любом месте заннъектированноп зоны либо
НЗ
можно обойтись без тампона, если предварительно за-
делать в грунт у дстья скважины трубу Инъекция, та-
ким образом, производится последовательными зонами
Заннъектнрованная часть скважины выполняет роль
трубопровода, заканчивающегося обычно тампоном.
Тем не менее этот простой метод не подходит для
инъекции грунтов, состоящих нз чередующихся слоев
различного качества, например глииы и трещиноватых
песчаников. Инъекционные давления, применяемые для
обработки этих двух пород, неодинаковы. Высокие дав-
ления, необходимые для инъекции трещин, создают раз-
рывы в глинах, которые собственно одни и инъекти-
руются.
Использование перфорированных труб с манжетами,
применяемых обычно для инъекции усадочных швов ’,
позволяет решить эту проблему. Но до этого изобрете-
ния инъекция подобных грунтов велась с применением
обсадных телескопических труб, устанавливаемых в
скважине по мере продвижения инъекции. Так, раствор,
предназначенный для инъекции песчаника, не может
образовать разрывов в глине, изолированной обсадными
трубами
После проведения инъекции по всей длине обсадные
трубы извлекаются с помощью повторного бурения. Как
видно, речь идет об очень неудобном и дорогостоящем
методе.
Нисходящая и восходящая инъекция
Возможны два метода инъекции зонами (рис. 10-3):
нисходящими и восходящими зонами. Нисходящая
инъекция производится после бурения каждой зоны.
После окончания инъекции перебуривают заинъектиро-
ваниый участок При этом можно получить такие же
хорошие керны, как и показанные на рис. 10-5. Затем
бурят следующий участок Инъекция происходит, следо-
вательно, сверху вниз.
Этот метод представляется вполне разумным. Пер-
вые инъекции создают своеобразную «крышу» для сле-
дующих, которые в принципе должны производиться при
1 Применяемые do Франции конструкции устройств для немец
гацнн швов описываются А Камбефором во втором томе киши
(Пр и меч. пере в.)
114
более высоких давлениях, чем если бы такой крыши
не было.
Теоретические рассуждения, изложенные выше, и
практика показывают, что этот способ рационален не
всегда. Если после пооходки скважины по всей /(лине
начать инъекцию самого глубокого участка, а затем
пньектпровать последовательно снизу вверх, отмечается.
Рис 10-3. Инъекции скважин
нами
а — нисходящая инъекция; б — восхо-
дящая инъекция.
что для одной и той же породы поглощаемые количе-
ства раствора при одинаковом давлении отказа практи-
чески идентичны тем количествам, которые получают
при нисходящей инъекции Этот метод требует проведе-
ния гидравлических опробований во время бурения или
проведения тщательной разведки, для того чтобы уста-
новить соответствующую глубину скважин
Инъекция восходящими зонами дает большие эконо-
мические преимущества. Опа позволяет бурить скважп-
ны с максимальной производительностью, затем переме-
стить во время инъекции буровое оборудование на но-
вое место. 44
Эти операции — бурение и инъекция — производятся
раздельно, что позволяет специализировать бригады ра-
бочих и снизить до минимума простои. Кроме того,
отпадает необходимость разбуривать цемент, заполняю-
щий скважины, после инъекции
Инъекция восходящими зонами возможна только в
том случае, когда удается установить тампон в различ-
на
ных точках скважины Болес того, порота нс должна
быть слишком трещиноватом, иначе раствор может под-
няться выше тампона и зацементировать его в грунте
ИНЪЕКЦИЯ СИЛЬНО ТРЕЩИНОВАТОЙ СКАЛЫ
Инъекция стабильного раствора
Можно считать, что если при гидравлических опро-
бованиях величина поглощения оказывается более
10 люэкон. есть смысл начать инъекцию стабильным
раствором. Совершенно очевидно, что подобный раствор
следует предусматривать и применять только при усло-
вии, если разведка покажет, что имеются многочислен-
ные зоны с водопроницаемостью выше указанной вели-
чины. В противном случае будет более экономично
инъектировать сильно проницаемые породы обычными
суспензиями цемента. Стабильные растворы исключи-
тельно медленно схватываются (24 ч п более), если не
применять специальных мер. Они ведут себя, как жидко-
сти. Давление инъекции зависит лишь от размера
трещин, вязкости раствора, расхода и радиуса действия
инъекции. Не наблюдается, как при инъекции нестабиль-
ным раствором, медленной седиментации, которая со-
кращает раскрытие трещин и вызывает постепенное уве-
личение давления. Применяя этот раствор, можно,
снизив расходы, вести работы при очень низких давле-
ниях, что позволяет производить инъекцию поверхност-
ных слоев мощностью, например, 5—10 м, сократить
количество и величину выходов на поверхность.
Увеличение радиуса действия инъекции может
вызвать небольшой подъем давления. Тем не менее этим
можно пренебречь; риск при этом связан с бесполезной
инъекцией значительных объемов раствора, поскольку
достаточно лишь одного сосредоточенного хода, чтобы
весь раствор оказался вне обрабатываемой зоны.
Чтобы автоматически ограничить количество ииьек-
тируемого раствора, как при инъекции нестабильных
растворов, были проведены попытки инъекции стабиль-
ных растворов с ускоренным схватыванием. Время схва-
тывания (около получаса) было значительно меньше
времени проведения инъекции. При этом отмечалось
(рис. 10-4), что давление последовательно изменялось
во времени, возвращаясь к первоначальной или иногда
116
Несколько большей величине Однако количества рас
твора всегда были достаточно большими.
Это явление можно объяснить раскрытием под воз-
действием давления трещин, слишком тонких для инъек-
ции данным раствором при низком давлении, либо
повторным раскрытием ранее перекрытых трещин.
Действительно, схватывание раствора препятствует вы-
дав пива нпю его из трещин Возможно, что это явление,
четко возникающее при инъекции поверхностных слоев,
будет менее заметно при инъекции глубоких слоев
Рис. 10-4. Инъекция в поверхностные слои
трещиноватой скалы стабильного раствора
с ускоренным временем схватывания.
Не остается ничего другого, как прекратить инъек
цию после закачки некоторого количества стабильного
раствора. Это количество может быть рассчитано, исхо-
дя из предположения, что раствор вокруг скважины
распределяется равномерно Оно должно быть выраже-
но в кубических метрах, а не в весе сухого материала,
так как речь идет о стабильном растворе
Как было сказано выше, именно в связи с незначи-
тельной седиментацией стабильных растворов н неболь-
шим инъекционным давлением, которое не раскрывает
трещин, нельзя удовлетвориться только инъекцией та-
кого раствора.
Это подтверждается практикой. Поэтому после схва-
тывания стабильного раствора следует произвести
нагнетание нестабильного раствора. Его состав должен
определяться по предварительным гидравлическим опро-
бованиям. Инъекция может быть сделана через заинъ-
Ш
ротированные и вновь разбуренные либо соседние
скважнпы
Известно, однако, что инъекции нестабильного рас*
твора можно не производить, если вначале был введен
стабильный расширяющийся раствор, увеличение объема
которого значительно больше величины усадки нерасши-
ряющегося рдствора, измеренной в лаборатории Такая
обработка дает вполне приемлемые результаты, хотя
н не столь хорошие, как предыдущая
Инъекция нестабильного раствора
Напомним, что при нестабильных растворах проис-
ходит гидравлическин транспорт частиц цемента.
Известно, что чем больше консистенция нестабиль-
ного раствора, тем выше скорость течении, при которой
начинается оседание частиц цемента. Поэтому если тре-
буется провести обработку значительного объема грунта
через скважины, следует начать ее раствором неболь-
шой концентрации. В противном случае скважина будет
непоправимо потеряна, так как слишком густой рас-
твор не пройдет далеко.
Идеальной является наименьшая консистенция,
позволяющая достичь давления отказа, предусмотрен
ного заранее. Далее мы вернемся к этому вопросу.
Практически невозможно определить заранее эту иде-
альную консистенцию. Однако чтобы избежать потери
времени при проведении инъекции, начиная с минималь-
ной консистенции, ее определяют по результатам гид-
равлических опробований.
При обычных цементно-водяных отношениях 1 рас-
творов (7в, 1/с, 7«, 7г» 3А и !/i) можно применять указан-
ные ниже Правила, которые соответствуют наибольшим
консистенциям, дающим удовлетворительные результа-
ты при давлении отказа 50 - 60 кгс/см2. Они не обяза-
тельны и являются только напоминаниями.
При водопроницаемости 1- 2 люжон отказ может
быть получен при Ц/В = 7<; начинать поэтому сле-
дует с 7в.
При 2 5 люжон отказ происходит при Ц/В = 72, по
начинать все-таки следует с 7в, чтобы перейти к ’/«, а
1 Здесь и далее в текое сохранены принятые во Франции обо-
значения консистенции раствора по соотношению ЩВ, а не В/Ц,
как это принято в СССР. (П р н м е ч. я е р е в.)
118
затем к Vs, так как в некоторых случаях можно налу
чить отказ при 7ч.
При 5—10 люжон отказ получают почти всегда при
ЩВ ~ !/2| а не 71- Поэтому можно начать с ’/«
Выше 10 люжон начальный состав
должен быть 7г- Однако это исклю-
чительный случай, так как такие зоны
должны, как правило, инъектировать-
ся стабильным раствором
Разница в конечных консистенциях
раствора для одинаковых величин во-
допроницаемости происходит за счет
того, что они могут соответствовать
либо небольшому количеству широких
трещин, либо большому количеству
тонких трещин. Ранее было показано,
что испытания по Люжону не могут
уточнить jto положение Такая неяс-
ность приводит к необходимости начи-
нать инъекцию с очень малых конси-
стенций. Они могут оказаться доста-
точными для того, чтобы довести до
конца инъекцию зоны.
Раньше начинали инъекцию сильно
разведенными растворами: 1/50 или
1/20. При таких слабых и даже боль-
ших концентрациях возникало разде-
ление частиц цемента: мелкие зерна
отделялись от крупных (рис. 10-5).
Именно это позволило Бернацику
(Bernatzik) провести свои интересные
исследования на кернах (см. гл. 7).
К сожалению, мелкие частицы це-
мента схватываются быстрее, чем
крупные, особенно под действием дав-
ления. Может случиться, что их схва-
тывание произойдет до того» как оса-
док будет достаточно обезвожен, что-
бы была обеспечена удовлетворитель-
ная плотность. Таким образом, иолу-
Рис 10 "> Керн
диаметром 55 мм,
взятый в скважине
тп»сте инъекции
весьма жидкого
цементного рас-
твора.
чается заполнение, легко снимаемое ногтем, но водоне-
проницаемое. Поэтому не следует всегда начинать с
предельно жидкого раствора, несмотря на технические
преимущества, которые он может дать
119
Раствор начального состава нагнетается, например,
20 мин * Если в конце инъекции давление поднялось
или имеется тенденция к подъему, сохраняется прежняя
консистенция Если давление не увеличивается, немед-
ленно переходят к более высокой консистенции, и так
продолжается до получения давления отказа. Когда в
зоне возобновляют инъекцию, приостановленную для
прекращения выхода на поверхность за счет схватыва-
ния цемента либо по любой другой причине, ее продол-
жают вести раствором низкой консистенции или даже
чистой водой, затем быстро переходят к консистенции,
используемой в момент остановки.
Такая технология позволяет предупредить блокирова-
ние скважины слишком густым раствором., Под дей-
ствием давления при инъекции чистой воды или жидкого
раствора трещины, уже заполненные затвердевшим
цементом, слегка раскрываются, что обеспечивает даль-
нейший проход более густого раствора.
Для иллюстрации этих положений приведем несколь-
ко реальных примеров.
При соответствующей консистенции раствора давле-
ние постепенно и медленно повышается во время инъек-
ции (рис. 10-6,ц), тогда как при слишком жидком рас-
творе оно увеличивается весьма медленно (рис. 10-6,6),
а при густом — слишком быстро (рис. 10-6, в). Такие
ошибки в дозировке неизбежны, поскольку гидравличе-
ские свойства породы мало известны. Более того, во
время инъекции всегда сомневаются в необходимости
увеличивать консистенцию раствора, так как постоянно
ожидают, что давление начнет подниматься.
Иногда давление поднимается сразу (рис. 10-6, г),
так как некоторые трещины перекрываются н общее
сечение потока сокращается.
Иногда давление поднимается резко, держится одно
мгновение, а затем падает до первоначальной величины
(рис. 10-6, <5) или сейчас же вновь поднимается
(рис 10-6, е). Образовалась пробка, но увеличение дав-
ления ее вытеснило дальше. Инъекция возобновляется,
как если бы пробки не существовало.
На рис. 10-6, ж н з показаны изменения консистен-
ции при возобновлении приостановленной инъекции.
* Необходимо иметь в виду, что во Франции, как правило, ис-
пользуются насосы значительно меньшей, чем в СССР, производи-
тельности (Примем псрев)
120
и в
Расход Поглощение
<9
ж;
з)
то.
г
15
00 О’
g/Л г/2 JA
20
'О
трь1 s I т*ц '-хГч 7L пд
т*|
-J^
10
'^иМПШИ цЕЫгХ L- JhT
D ^00 <Э ОстамВлф
выгом *
5 -
О
Рис. 10-6. Величины поглощений и давлений при инъек-
ции нестабильного раствора
Л — гидравлическое опробование; В — инъекция цемента
или извести. Цифры при кружках означают цементно-
водное отношение
Давление может быть таким же, как и перед остановкой
(рис. 10-6, з). Если инъекция была остановлена для пре-
кращения выходов на поверхность, консистенции । не
играет большой роли, так как поток остался прежним.
121
ДАВЛЕНИЕ ОТКАЗА ПРИ ИНЪЕКЦИИ
НЕСТАБИЛЬНЫХ РАСТВОРОВ
Необходимо ли, чтобы давление отказа в конце
инъекции было достигнуто быстро или постепенно?
Некоторые специалисты защищают одну, некоторые —
другую точку зрения, но ничто не позволяет определить
наилучшнн вариант, так как этим вопросом глубоко не
занимались. Основное сводилось к достижению давле
пня отказа, т. е такого давления, при котором инъек-
цию прекращают Это название ошибочно, так как до-
статочно еще более увеличить это давление н инъекцию
можно продолжать. Сле-
Рис. 10-7. Манометрическая диа-
грамма, показывающая колебания
инъекционного давления на входе
в скважину.
довательно, получить аб-
солютный отказ невоз-
можно, при условии, есте-
ственно, если трубопро-
вод или скважина не бу-
дут заполнены цементом.
Это явление легко объяс-
нимо, поскольку увеличе-
ние давления раскрывает
трещины и облегчает про-
ход раствора Давление
отказа, как и давление
инъекции, измеряется на
входе в скважину и под-
вержено значительным ко-
лебаниям, в* основном за
счет насоса (рис. 10-7).
Давление непосредственно в инъектируемой зоне будет
уже ниже Для его определения следует, как и при гид-
равлическом опробовании, учитывать потери напора по-
тока в трубопроводах. Эти давления будут одинаковыми
только при небольших величинах поглощения. Напом-
ним, кроме того, что давление в грунте ниже давления в
инъектируемой зоне. Так, на глубине 10 м для подъема
грунта необходимо давление около 16 кгс/см2. Давле-
ние отказа может поэтому быть очень высоким при инъ-
екции, производимой на глубине в несколько метров.
Выбор давления отказа зависит от многих условий:
деформации грунта, выходов раствора на поверхность,
вида работ (укрепительной или противофильтрационной
инъекции), шага и диаметра скважин.
122
Чем выше давление, тем лучше инъекция, но тем
чаще могут появиться выходы на поверхность При про-
ведении инъекционных работ для обеспечения водоне-
проницаемости можно считать наиболее правильным
давление от 50 до 60 кгс/сле2. При более низких давле-
ниях следует сблизить скважины.
Наконец, для укрепителыюи инъекции следует при-
менять максимально возможное давление, т. е. около
100 кгс{см\ создавая тем самым преднапряження в
скале.
Во всяком случае первые нагнетания в зависимости
от требуемых результатов определяют давление отказа
Если оно окажется слишком слабым при принятом
шаге и диаметре скважин, приходится выполнять про-
межуточные контрольные скважины.
Глава одиннадцатая
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ПОРОД
(окончание)
ИНЪЕКЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
Правильное проведение инъекции поверхностных
слоев весьма затруднительно, чтобы не сказать невоз-
можно. Легко возникают выходы раствора на поверх-
ность, препятствуя подъему давления, что является ос-
новным условием правильной обработки Их прекра-
щение одним из указанных ниже способов практически
невозможно Можно, увеличивая количество скважин,
облегчить заполнение пустот, но это плохой путь Ис-
пользование расширяющихся растворов лучший, но не
совершенный способ, поскольку тонкие трещины остают-
ся плохо обработанными.
Для хорошего закрепления поверхностных слоев их
следует пригружать для возможности повышения дав-
ления инъекции. Например, при сооружении плотин
инъекцию поверхностных слоев производят лишь после
укладки слоя бетона мощностью не менее 4—5 м До
этого можно инъектировать более глубокие слои, на-
пример ниже 5—10 я Обработка поверхностных слоев
после укладки бетона обеспечит одновременно их водо-
непроницаемость и уплотнение контакта бетон — грунт.
123
Если поверхностные слои служат основанием для
легкой конструкции, то устанавливаются подвижные ре-
перы, для того чтобы можно было принять максимально
возможное по допустимым деформациям в конструкции
давление отказа. Иногда приходится даже допускать
некоторое трешинообразоваиие в конструкции. Практи-
ка показывает, что эти трещины часто не опасны.
ВЫХОДЫ НА ПОВЕРХНОСТЬ
Независимо от характера используемого раствора
не следует останавливать инъекцию при первых призна-
ках выходов на поверхность Но надо попытаться если
не остановить, то по крайней мере уменьшить их. Для
Рис. III. Перекрытие выхода на поверхность де-
ревянными клиньями (материалы фирмы Соле-
танш)
этого используют деревянные клинья, ветошь, бумагу
или любой другой материал (рис. 11-1). Если это не по-
могает вследствие большого числа выходов или в связи
с невозможностью к ним проникнуть, можно попытать-
ся инъектировать быстро схватывающийся раствор либо
остановить инъекцию на несколько часов для схвдтыва-
124
ния заинъектироваиного раствора Инъекция amurtwit
лястся после перебуривания зоны
Если эти меры окажутся неэффективными, следует
применить другие средства, пропитывание стабялышм
расширяющимся раствором при низком давлеиии через
многочисленные скважины, использование очень густого
раствора, содержащего песок или горячий битум, и т а
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТОЙ СКАЛЫ
С МИКРОПРОНИЦАЕМОСТЪЮ
Говорят, что скала обладает микропроницаемостыо,
если целая часть ее проницаема Типичным примером
таких пород служат некоторые песчаники. Трешом
в них способствуют появлению макропроницаемости
Обычно микропроницаемость бывает настолько не-
значительной, что уменьшать ее не требуется. Однако
если имеется сочетание макро- и микропроницаемостм,
инъекция трещин представляется весьма сложной.
Действительно, вода раствора, будь то стабильный
или нестабильный раствор, поглощается проницаемыми
стенками трещин. Раствор быстро густеет и ие может
нормально течь.
Решение этой проблемы было найдено Франсуа
(Francois). Оно заключается в ограничении проницае-
мости стенок трещин предварительной инъекцией огра-
ниченных количеств геля силиката. Он проникает в по-
роду и затвердевает. Его незначительная прочность ока-
зывается достаточной, чтобы гель задержался между
частицами породы, однако она недостаточна для того,
чтобы оказать сопротивление в трещинах при инъекции
цемента под давлением. Раствор цемента будет тогда
проходить нормально, так как микропроницаемость по-
роды удалось сократить.
Вместо того чтобы проводить инъекцию при очень
высоком давлении для раскрытия самых мелких тре-
щин, их тампонируют гелем. Необходимо лишь выбрать
для такой первичной обработки нерастворимый гель»
чтобы он обеспечил общую водонепроницаемость.
РАЗРЫВЫ В СЛАБЫХ ПОРОДАХ
Выше был приведен пример устройства левобереж-
ной противофильтрационной завесы плотины Бу-Ханн-
фия, которая была образована исключительно за счет
вертикальных разрывов (см. рис. 8-7 и 8-8).
135
Не следует, однако, забывать, что при устройстве за-
весы неизвестно направление разрывов. Оно зависит
только от системы напряжений, воздействующих на об-
рабатываемый массив Если направление завесы, зави-
сящее главным образом от конструктивных требований,
не перпендикулярно направлению наименьших главных
напряжений в породе, то нельзя рассчитывать только
на инъекцию разрывами
Пример с плотиной Бу-Хаиифня является исключи-
тельным, он никогда нс будет повторен, если состояние
напряжений в породе не будет соответствовать указан-
ным требованиям.
ДИАМЕТР СКВАЖИН
Для того чтобы уменьшить влияние седиментации
раствора в скважине, всегда происходящей при дли-
тельной инъекции, даже если она ведется зонами, це-
лесообразно использовать скважины наименьшего диа-
метра. При этом увеличивается скорость движения
раствора и исключается осаждение частиц. Такое тех-
ническое преимущество реально, так как слишком
быстрая седиментация цемента в скважине может при-
вести к перекрытию входа в трещины в нижней части
зоны И если в эти трещины не проникнет раствор при
инъекции соседней скважины, они останутся незаинъек-
тнрова иными.
Не следует забывать, что потерн напора потока
в трещинах наиболее велики около скважины; их вели-
чина возрастает по мере уменьшения диаметра скважи-
ны. Устройство скважин небольшого диаметра для пре-
дупреждения преждевременного перекрытия входа
в трещины приводит, следовательно, к принятию повы-
шенных давлений отказа сравнительно со скважинами
большого диаметра. Эти высокие давления отказа по су-
ти лишь кажущиеся, так как в нескольких сантиметрах
от оси скважины давление в трещине значительно
уменьшается (см. рис. 5-3).
СПОСОБ БУРЕНИЯ
Способ бурения имеет некоторое значение. В скаль-
ных породах наиболее часто применяется вращательное
бурение Использование твердых сплавов или алмазов
126
обеспечивает получение гладких стенок скважины, что
облегчает установку тампона. Входы в трещины чисты.
Скважины могут быть выполнены в любом направле-
нии, даже снизу вверх. Кроме того, они могут иметь не-
большой диаметр.
При практически уже не применяющемся дробовом
бурении стенки скважины бывают шероховатыми, поэто-
му необходимо использовать специальные тампоны
Кроме того, скважины могут быть лишь вертикальными
или слабо наклонными, направленными вниз Их диа-
метр достаточно велик. Эт»т способ бурения нс очень
удобен.
Пневматический молоток может вызвать обрушение
грунта или кладки и забивает при бурении входы в тре-
щины шламом. Трещины будут более или менее закупо-
рены, и нельзя быть уверенным, что некоторого увеличе-
ния давления будет достаточно для вытеснения этих
пробок. Возможна энергичная промывка, но она
осложняет работу и может вызвать обрушения. То же
происходит и при работе тяжелыми молотками, которые
вызывают, кроме того, значительное отклонение сква-
жин. Точки инъекции поэтому распределены неравно-
мерно в глубинных зонах, и завеса может оказаться не-
сплошной.
Пневматические молотки и высокоскоростные буро-
вые машины дают скважины с еще более шероховатой
поверхностью стенок, чем при бурении дробью. Обыч-
ные тампоны, как правило, уже не подходят. Часто при-
ходится удовлетворяться тампоном, расположенным
в устье скважины.
Преимущества, получаемые за счет скоростного бу-
рения, часто теряют смысл в связи с неизбежностью
применения нисходящей инъекции.
Такая проблема возникает лишь при бурении глубо-
ких скважин. При ведении инъекционных работ в клад-
ке, как правило не очень толстой, почти всегда применя-
ют молотки, которые удешевляют бурение.
РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ СКВАЖИНАМИ
Теоретические и экономические обоснования приво-
дят к появлению двух противоречивых правил для опре-
деления расстояния между скважинами: чем более тре-
щиновата порода, тем больше можно раздвинуть сква-
127
жины, и наоборот. С этим легко согласиться, поскольку
многочисленные и крупные трещины облегчают распро-
странение раствора. С другой стороны, чем реже распо-
ложены скважины, тем больше следует нагнетать
раствора для устройства сплошной завесы Поэтому не-
обходимо найти компромисс, исходя из стоимости сква-
жин н стоимости пиъектнруемого раствора.
Но если хотят, как н следует, учитывать давление
отказа, проблема усложняется Действительно, чем вы
ше давление отказа, тем реже можно расположить
скважины, и наоборот.
Поскольку теоретическое решение практически не-
возможно, можно провести испытания для определения
оптимального расстояния между скважинами. Но для
того чтобы испытания были проведены вполне объектив-
но, они должны быть длительными и дорогостоящими.
Можно также прибегнуть к опыту аналогичных ра-
бот. Так, обеспечение водонепроницаемости породы под
плотиной и в примыканиях на берегах будущего водо-
хранилища осуществляется при расстоянии между сква-
жинами от 3 до 5 м под плотиной и от 5 до 10 м в при-
мыканиях. Скважины располагают в зависимости от
проекта в один или два ряда на расстоянии от 1 до 3 м.
Но лучше всего начинать инъекцию в скважины через
одну, для того чтобы иметь промежуточные скважины
для завершения работ или контроля качества завесы.
Эти указания относятся к нормально трещиноватой
породе, причем этот относительно неточный термин мо-
жет легко понять лишь инженер, знакомый с такого ро-
да работами. В зависимости от качества нормально тре-
щиноватой скалы раздвигают или сближают скважины.
При сооружении гидроузлов часто приходится вы-
полнять завесы из туннелей, например из водоприем-
ных или водосбросных туннелей. Эти завесы могут быть
выполнены только радиальными скважинами. Расстоя-
ние между ними изменяется от минимального на кон-
такте с туннелем до максимального на концах скважин.
Обычно между концами скважин принимается то
расстояние, которое должно быть при параллельных
скважинах. Если скважины имеют большую длину, это
условие приводит к такой густоте скважин в их начале,
что они трудно выполнимы. Но не следует забывать, что
как только произведена инъекция вокруг туннеля, в ’
всех новых скважинах поглощения нет. Наличие сква-
128
жин вблизи туннеля не увеличивает количества ннъек
тируемого раствора
Для всех таких экранов в виде ореола следует рас-
считывать величины поглощения раствора на квадрат-
ный метр экрана, а не на линейный метр скважины За-
мечено, что в этих условиях частые скважины стоят не
столь дорого, как можно было бы предположить
НАКЛОН И ОТКЛОНЕНИЕ СКВАЖИН
В скальной породе легко выполнить скважины с лю-
бым наклоном, даже пройти их снизу вверх, при усло-
вии что онн не будет слишком длинными, например 20—
30 я. Поэтому можно легко образовать водонепроницае-
мые завесы, необходимые для данного сооружения.
Если помнить, что такие завесы почти всегда состоят из
одного ряда скважин и что их отклонение (как правило,
пропорциональное длине) может достигнуть для сква-
жин вращательного бурения 2—3%, а для скважин,
пройденных пневматическими молотками,— и больше,
то ясно, что водонепроницаемые глубокие и тонкие за-
весы являются лишь теоретически возможными.
Естественно, можно установить допустимые отклоне-
ния. Но тогда работы по проведению контроля и ис-
правления будут столь дорогими, что лучше будет обой-
тись без устройства глубоких скважин. Поэтому очень
часто глубинные завесы выполняются из рабочих гале-
рей. Не следует, однако, забывать, что существуют заве-
сы глубиной до 100 м и более, выполненные без всякого
измерения отклонений скважин, которые работают впол-
не удовлетворительно. Поэтому нс следует быть слиш-
ком нетерпимыми к отклонению скважин
ГАЛЕРЕИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ
Имея в распоряжении одну или несколько рабочих
галерей, всегда можно выполнить любую завесу сква-
жинами умеренной длины, не заботясь о их отклонении.
Эти галереи могут иметь любой уклон и переходить
в шахты. Необходимо, чтобы они были всегда облицова-
ны во избежание выходов раствора, и обделка должна
быть рассчитана таким образом, чтобы воспринять ко-
нечный напор воды, если речь идет о гидротехническом
129
сооружении Галереи с круговым сечением диаметром
3 м вполне подходят для подобного рода работ.
Можно, очевидно, пользоваться галереями и мень-
ших размеров, но тогда возникает опасность превыше-
ния стоимости буровых работ за счет трудности их вы-
полнения. Такое уменьшение сечения не является наибо-
лее экономичным решением В каждом случае следует
рассматривать этот вопрос отдельно
Глава двенадцатая
ИНЪЕКЦИЯ ПЕСКА И ГРАВИЯ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Способы обеспечения водонепроницаемости и укреп-
ления песков и гравия инъекцией химических продук-
тов— разбавленного силиката натрия н реактивов — из-
вестны давно. Однако из-за высокой стоимости нх при-
меняют редко, например для придания водонепроницае-
мости мелкозернистым пескам. Пески и гравий обычно
ннъектируются относительно дешевыми глинистыми или
глино-цементными растворами. Чисто цементные раство-
ры для этого не применяют.
В настоящее время применяются стабильные раство-
ры. Однако 20 лет назад пытались инъектировать це-
ментные растворы для превращения аллювия в бетон.
Такая попытка была предпринята на нескольких строй-
ках, где аллювий с действительно открытой структурой
можно было заинъектировать чистым цементом. В дру-
гих редких случаях приходилось извлекать мелкозерни-
стый песок, находящийся между частицами гравия, и
заменять его цементом. Но речь идет лишь о исключи-
тельных случаях.
Для того чтобы дойти до современных методов, необ-
ходимо было переосмыслить весь предшествующий
опыт. Было определено, что частицы цемента слишком
крупны и что необходимо иметь частицы значительно
меньших размеров, чтобы получить хороший результат.
Поэтому были приготовлены глинистые растворы с ис-
ключительно малыми частицами. Для придания нм не-
размываемости нх обработали силикатом натрия, что
привело к образованию стабильного раствора. Первая
130
проведенная этим методом значительная работа, увен-
чавшаяся успехом,— устройство зуба верховой перемыч-
ки гидроузла Жениссна в 1937 г.
Значительные поглощения раствора, наблюдаемые
во время проведения работ, были ограничены добавле-
нием цемента к обработанной глине. Эти новые раство-
ры, созданные по инициативе строительства, предвосхи-
тили современные глино-цементные растворы. В то же
время на строительстве гидроузла Бу-Ханифия в Алжи-
Рис. 12J Пески и гравий, полностью
пропитанные глино-цементным раство-
ром (материалы фирмы Солеиташ).
ре производили инъекцию гелей Родио. Гели были поле-
чены обработкой силиката натрия известью. Для эконо-
мии силиката часть его заменили мергелем Затем из-
весть была заменена цементом. Таким образом, совер-
шенно иным путем был получен раствор, оказавшийся
аналогичным тому, который использовался на строи-
тельстве Жениссна. Позднее силикат был исключен,
глина и цемент дозировались таким образом, чтобы по-
лучить стабильный раствор, а схватывание цемента
обеспечивало его неразмываемость. Размер наиболее
крупных частиц цемента порядка 0,1 мм обеспечивал та-
кому раствору несколько меньшую проницаемость по
сравнению с проницаемостью растворов на чистой гли-
не. Однако опыт показал, что, несмотря на это, значи-
тельная часть аллювия оказывается заинъектированной
(рис. 12-1).
131
Это не означает, что для снижения водопроницаемо-
сти сильно проницаемых аллювиальных пород будут ис-
пользоваться лишь глино-цементные растворы Они под-
ходят лишь для заделки наиболее проницаемых слоев.
Для других слоев необходимы другие растворы. Такие
растворы существуют; они более пли менее дорогостоя-
щи, и основное заключается в правильном их выборе
с точным знанием дела
Существует много методов инъекции аллювиальных
грунтов. Ни один из них не похож на методы, исполь-
зуемые при инъекции скальных пород. Действительно,
в гравии невозможно получить скважину длиной в не-
сколько метроь и установить там тампон- грунт обру-
шится.
Можно отметить три основных метода: инъекция
восходящая, инъекция с использованием труб с манже-
тами и опережающая инъекция при бурении.
ВОСХОДЯЩАЯ ИНЪЕКЦИЯ
Это самый простой способ (рис. 12-2). Производится
забивка трубы в грунт до самого глубокого слоя, кото-
рый должен быть заинъектнрован. Очищают трубу и со-
Рис. 12-2 Восходящая инъек-
ция с обсадными трубами
а — конец бурения: б — инъек-
ция; 1 — трубы; 2 — заинъекти-
рованная зона.
единяют ее насосом. Затем
трубу поднимают на 20—
30 см. одновременно нагне-
тая раствор. Когда в грунт
уйдет предусмотренное за-
ранее количество раствора,
снова приподнимают трубу
на 20—30 см и т. д. Диа-
метр трубы может быть лю-
бым, например 60—100 мм.
Этот метод имеет три
серьезных недостатка:
выходы раствора вокруг
трубы усложняют проведе-
ние инъекции, и иногда це-
ментируют трубы в грунте;
ин-|>екция глубоких слоев может осуществляться
только с помощью телескопических скважин. Это весь-
ма дорого и, кроме того, увеличивается риск цемента-
ции обсадных колонн;
132
после окончания инъекции невозможно ее повто-
рить, если не устраивать новую скважину Работа, сле-
довательно, ведется вслепую.
Для возможности использования этого метода его
усовершенствовали следующими способами, устранив
опасность цементации колонн труб. В первом, при инъек-
ции на небольшие глубины, пользуются инъекторами, за-
глубляемыми ударным способом легкими молотками.
Рис. 12-3. Инъекторы
для небольших глу-
бин.
1 —- вона инъекции.
2 — отверстия для по-
ступления раствора;
3 — шпонка.
Рис 12-4 Восходя-
щая инъекция через
трубу, заделанную в
скважине
1 — гладкая труба; 2 —
непроницаемая обой-
ма. 3 — заинъектиро-
ваняая эона
Инъектор состоит, например, из наконечника и двух
муфт, ограничивающих зону инъекции и соединенных
с трубкой меньшего диаметра. Эта трубка в нижней ча-
сти имеет щели для пропуска раствора (рис. 12-3)
Во время забивки щели защищены нижней муфтой.
Перед инъекцией их освобождают, выталкивая муфту
штангой, вводимой в трубу. Детали соединяются шпон-
кой. За счет существования полости между двумя муф-
тами инъекция производится легко.
При втором способе применяются элементы техноло-
гии описанной ниже манжетной инъекции.
133
После достижения скважиной желаемой глубины
я нее опускают трубу с постоянным диаметром, гладк>ю
изнутри, имеющею в основании клапан Затем по мере
извлечения временном обсадной колонны тр\б из сква-
жины в нее подается раствор, аналогичный тому, кото-
рый используется для заделки труб с манжетами. Кла-
пан в основании трубы препятствует подъему этого
раствора внутрь. После схватывания раствор образует во-
круг трубы относительно прочную обойму, соединяю-
щую ее с грунтом (рнс 12-4)
Для того чтобы приступить к инъекции, достаточно
присоединить трубу к насосу и постепенно ее поднимать.
Необходимо для этого, чтобы обойма могла разорваться
под действием давления раствора, не сцеплялась енль
ио с трубой и препятствовала образованию выходов
раствора на поверхность вдоль трубы. Раствор, обра-
зующий обойму вокруг скважины, имеет качества, весь-
ма близкие к качествам растворов, используемых для
заделки труб с манжетами. Только опыт позволяет
уточнить его оптимальный состав. Этот исключительно
простой метод не может быть использован во всех слу-
чаях; часто приходится предпочитать ему метод ман-
жетной инъекции
ИНЪЕКЦИЯ ЧЕРЕЗ ТРУБЫ С МАНЖЕТАМИ
Труба с манжетами, разработанная фирмой Соле-
танш, является естественным и логичным развитием
конструкций из обычных обсадных труб, которые взры-
вают на уровне горизонтов, подлежащих инъекции. Этот
старый метод был возобновлен с появлением взрывных
или стреляющих перфораторов, применяемых нефтяни-
ками. Несмотря на внесенные усовершенствования, та-
кой метод можно считать варварским, не обладающим
гибкостью метода, использующего трубы с манжетами.
Вот суть последнего. После прочиегки временных обсад-
ных труб, опущенных на всю глубину скважины, туда
вводят на всю длину трубу диаметром 50—60 мм, имею-
щую на всем протяжении отверстия (рис. 12-5), которые
обычно располагаются группами ио три на каждом мет-
ре длины. Каждая группа отверстий перекрыта отрез-
ком резиновой трубки, выполняющей роль клапана, на-
зываемой манжетой. Таким образом, раствор может
выходить нз трубы, но не поступать ₽ нее Во время извле-
134
Инъекция
Рис 125 Инъекция через
трубы с манжетами
1 — резиновая манжета; 2 —
пластичная обойма. 3—двой-
ной тампон, 4 — зашгьектм-
рованмая эона.
ченмя обсадных труб пространство, образующееся меж
ду трубой с манжетами и скважиной, заполняется гля
но-цементным раствором После схватывания этот ра-
створ образует обойму некоторой толщины, хорошо
сцепляющую грунт с трубой.
Инъекция возможна лишь после разрыва обоймы за
манжетой при нагнетании воды или раствора под давле-
нием внутрь трубы с манжетами через двойной тампов
Давления разрыва могут
быть либо очень низкими (не-
сколько кгс/см2), либо, напро-
тив, очень высокими
(60 кгс/см2 if более). Иногда
даже не удается разорвать
обойму. Давления разрыва за-
висят от состояния стенок
скважины» состава раствора
обоймы и упругости окружаю-
щей породы.
Обрушение стенок скважи-
ны при извлечении труб может
привести к образованию слиш-
ком толстой обоймы, которую
бывает трудно разорвать. То
же бывает и с обоймой нор-
мальной толщины, если коли-
чество цемента слишком вели-
ко. Но если оно недостаточно,
обойма будет слишком пла-
стичной и совсем не разорвет-
ся. Она может обнажить тру-
бу, что способствует продвижению раствора вдоль нее
п даже появлению его на поверхности грунта.
Манжета, заделанная в скалу, не срабатывает, если
не принять мер по увеличению естественной упругости
массива, покрыв, например, манжету толстым слоем по-
ристой резины.
Состав раствора, образующего обойму, установить
трудно. Только в результате нескольких испытаний,
проведенного на конкретных материалах, удается полу-
чить удовлетворительный результат.
Давление разрыва связано с давлением инъекции,
которое всегда ниже, но пропорционально давлению
разрыва.
135
При одинаковом давлении разрыва обоймы ндептпч
кого состава и данном гранте инъекционное давление
меньше, если возраст обоймы больше
Можно предположить, что поскольку обойма >проч
няется с течением времени, постоянство давления раз-
рыва связано с меньшей прочностью грунта Естествен-
но поэтому, что и давление инъекции будет меньшим
Эти наблюдения заставляют предположить, что
грунт тоже разрывается, так как в противном случае
давленне инъекции при пропитывании, связанное с про-
ницаемостью аллювия, не зависело бы от давления раз-
рыва обоймы.
Действительно, несколько тщательных наблюдении
отчетливо показали, что разрыв образуется в два мо-
мента. Первый соответствует разрыву обоймы, второй —
разрыву грунта. Возможно тем не менее, что так бывает
не всегда и что разрывы обоймы могут сопровождаться
только пропитыванием грунта.
Инъекция раствора происходит так же, как и про-
цесс разрыва обоймы. Через двойной тампон, установ-
ленный против манжеты, раствор подается насосом.
При этом устройстве можно легко инъектировать
очень глубокие слои и разделить фазы бурения и инъек-
ции, что дает определенные экономические преимуще-
ства. Более того, можно начинать инъекцию с наиболее
проницаемых горизонтов. Как только они будут пере-
крыты, раствор, нагнетаемый в соседние мелкозерни-
стые слои, не сможет распространиться слишком дале-
ко по проницаемым пластам. Это очень сложный и
дорогостоящий процесс, который поэтому практически
никогда ие применялся. Напротив, если разведка опреде-
лила наличие слоев с различным гранулометрическим
составом, очень легко подобрать раствор, соответствую-
щий гранулометрическому составу слоя. Можно, напри-
мер, нагнетать глино-цемеитный раствор в крупнозерни-
стые структуры и силикагель в мелкозернистые пески,
которые не ннъектируются глино-цементными ра-
створами.
Обеспечивая правильное и относительно экономич-
ное проведение инъекции на большие глубины (напри-
мер, 100 ж), труба с манжетами позволяет повторить
инъекцию в каком-либо месте завесы,. если обработка
окажется недостаточной.
Следует, однако, напомнить, что инъекция вызывав!
136
значительные деформации грунта Если применяемые
трубы с манжетами не будут хорошего качества, они мо-
гут быть повреждены при инъекции соседних скважин
Если они достаточно прочны, чтобы сохранить свое се-
чение, то они тем не менее достаточно гибки, чтобы сле-
довать за деформациями грунта. Деформации же могут
быть такими, что искривление трубы не позволит уста-
новить тампон.
Несмотря па то, что трубы с манжетами (которые
должны быть высокого качества и требуют специальной
обработки — перфорации трубы и установки манжеты)
приходится оставлять в грунте, этот метод инъекции не
дороже других, поскольку он позволяет разделить буро-
вые и инъекционные работы Хорошая организация
каждой из этих фаз ведет к
увеличению производительно-
сти, что компенсирует стои-
мость оставляемых труб
Впрочем, это единственный
метод, позволяющий гаранти-
ровать качество работы Мож-
но быть уверенным, что без
него не были бы осуществлены
лучшие работы по инъекции
аллювия.
ОПЕРЕЖАЮЩАЯ ИНЪЕКЦИЯ
Опережающая инъекция
применяется только в сочета-
нии с вращательным бурени-
ем. Начинают с заделки в
Рис 12-6 Опережающая
инъекция
I — сальник: 2 — заделанная
труба; 3 — заинъектирован-
ная зона.
устье скважины трубы, снаб-
женной сальником (рис. 12-6)
После бурения на некоторую
длину инъектируют через бу-
ровой снаряд, постепенно под-
ппмая его, соответствующий раствор Снаряд выполняет
роль временных обсадных труб при восходящей инъек-
ции. Буровая короика должна быть такой конструкции,
чтобы керны не образовывались. В аллювии это легко
выполнить.
Можно модифицировать метод, заменив промывоч-
ный раствор инъекционным и препятствуя его возврату
137
на поверхность с помощью крана на трубе в устье сква-
жины. Этот способ кажется неправдоподобным, так как
раствор, который должен служить циркуляционной жид-
костью, не возвращается к поверхности. Он полностью
теряется в грунте вместе с буровым шламом. Опыт тем
ие менее показал, что этими способами можно инъекти-
ровать аллювий даже на большею глубину.
Такой метод представляется целесообразным, когда
аллювиальные породы содержат валуны, которые часто
бывает трудно бурить ударным способом. Контроль за
выполненной работой практически невозможен: нельзя
начать инъекцию с наиболее проницаемых зон и подо-
брать раствор соответственно качествам породы.
ДАВЛЕНИЕ ИНЪЕКЦИИ
Давление инъекции у скважины всегда измеряется.
Однако при инъекции аллювия эти измерения дают зна-
чительно меньше, чем при инъекции скальных пород.
Это связано с природой раствора, ибо применяются
только стабильные растворы В этом случае давление
зависит только от размеров пустот грунта, вязкости н
прочности структуры раствора, расхода инъекции и се
радиуса действия. Когда эти величины постоянны, дав-
ление также постоянно. Тем не менее опыт показывает,
что вязкость глино-цемеитного раствора несколько уве-
личивается с течением времени, что ведет и к увеличе-
нию давления.
Легко допустить, кроме того, небольшие ошибки в
дозировке при приготовлении раствора, которые сразу
сказываются на вязкости и структурной прочности, и
при инъекции давление более или менее изменяется.
Диаграмма манометра точно показывает все эти
ошибки.
Давление инъекции очень трудно измерить точно. Пе-
ременный ход поршня насоса вызывает колебания, пе-
редающиеся в систему иасос — трубопровод — грунт.
Компрессор, приводящий в действие насос, тоже дает
колебания при заполнении и опорожнении ресивера. По-
этому следует удовлетвориться средней величиной дав-
ления. Очень редко случается, что при применении спе-
циальных мер амплитуда этих колебаний может быть
настолько незначительна, чтобы можно было зарегист-
рировать постоянное давление.
138
Обычно давление составляет 10—30 кгс/см2, ио этб
нс значит, что невозможно, например, давление 5 или
80 кгс/см2
Для данного грунта и данного раствора давление за-
висит от расхода, который легко можно регулировать.
Нс следует допускать, чтобы расход был слишком ма-
лым, чтобы не увеличилась стоимость работ, или слиш-
ком большим, чтобы не увеличивать давление, которое
может вызвать разрыв грунта или деформации в близ-
лежащих конструкциях.
ОБЪЕМ ИНЪЕКЦИИ И КОНЕЧНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Как только что было сказано, инъекция стабильного
раствора осуществляется при постоянном давлении
Если вязкость и структурная прочность раствора не ме-
няются, инъекцию можно проводить бесконечно. Сле-
дует поэтому заранее ограничить количество инъектиру-
емого стабильного раствора.
Если грунт однороден, объем инъекции легко рассчи-
тать по пористости грунта. Но в действительности так
никогда не бывает. Всегда имеются более проницаемые
слои, по которым раствор проходит слишком далеко,
а соседние менее проницаемые слои не прорабатывают-
ся. В этом и заключается сложность. Только опыт по-
зволяет уточнить наиболее благоприятные количества
раствора и метод инъекции. Этот опыт в настоящее
время ограничен. Ои позволяет только создавать завесы,
средняя проницаемость которых составляет 0,1—1 дарси
(10“ 6—10 5 м/сек).
Десятая часть дарси — это нижний предел водонепро-
иицаемостей, достигаемых инъекцией. Для получения та-
кой величины необходимо использовать несколько сор-
тов раствора и, не колеблясь, сближать скважины.
Иногда получение такой величины водонепроницае-
мости бесполезно. Наиболее экономичным проект может
оказаться, например, при проницаемости 10 дарси
(10"4 м/сек). Поэтому странно было бы доводить вели-
чину водонепроницаемости до 0,1 дарси. К сожалению,
неизвестно, когда надо остановиться. Гораздо легче до-
стигнуть предела, чем заранее намеченной величины.
Для получения такой ограниченной водонепроницае-
мости первой мыслью, приходящей на ум, является ли-
митировать количество инъектируемого раствора или,
139
В крайнем случае, расстояние межд_> скважинами Та
кон способ был проверен при расширении водонепрони-
цаемой завесы, которая считалась превосходной. Резуль-
тат оказался плачевным. Это вполне понятно. Действи-
тельно, вследствие неоднородности аллювия следовало
установить множество соотношений между объемом
инъекции, конечной величиной водонепроницаемости п
различными распределениями, которые могут быть
между слоями известной толщины и первоначальной
проницаемости.
Поскольку это требует проведения исключительно
сложных изысканий, осуществляемых редко, можно
предположить, что этот метод инъекции еще долго не
будет применяться.
Другой метод, который мог бы привести к подобно-
му результату, должен основываться на контроле ре-
зультатов в процессе ведения работ. Это, вероятно, был
бы наиболее простои метод, если такой контроль был
бы легко осуществим. Дальше будет показано, что
серьезным контролем является только контроль, прово-
димый после окончания работ, т. е. слишком поздно.
С этой стороны также нет больших надежд.
Напротив, если воздержаться от предварительного
установления конечной проницаемости, можно удовле-
твориться приданием водонепроницаемости лишь силь-
но проницаемым слоям. Конечная проницаемость ста-
нет тогда такой, как у значительно менее проницаемых
по сравнению с заинъектированными слоев. Хорошо
проведенная разведка должна заранее определить эту
проницаемость и установить, будет ли она соответство-
вать проектным требованиям.
Напомним, что с успехом можно автоматически огра-
ничить объем ииъектируемого раствора, ускоряя время
его схватывания. Но в этом случае работы ведутся
вслепую, так как в зависимости от проницаемости
слоев и давления инъекции раствор проходит более или
менее далеко. Ускорение схватывания раствора долж-
но применяться лишь в особых случаях, например для
перекрытия выходов раствора или при значительной
циркуляции вод, размывающих раствор с замедленным
временем схватывания. В обычных условиях этого сле-
дует избегать.
140
Глава тринадцатая
ИНЪЕКЦИЯ ПЕСКА И ГРАВИЯ (окончание)
РАЗРЫВЫ
Известно, что разрывы при инъекции теоретически
можно подразделить на горизонтальные и вертикаль-
ные В действительности *то не совсем так При изуче-
нии эффективности инъекционных работ вскрытием кот-
лованов отмечается, что такая классификация не всегда
подтверждается, в некоторых случаях разрывы просто
ближе к вертикали, в других — к горизонтали
Рис. 13-1. Разрыв в песчаных и гравелистых грун
тах, заинъектировэнных глнно-цементиым раство-
ром (материалы фирмы Солетанш)
Таким образом, дискриминация теории здесь слиш-
ком абсолютна и бывает затруднительно классифициро-
вать разрывы как благоприятные (вертикальные) и не-
благоприятные (горизонтальные). Это, безусловно, про-
исходит в связи с неоднородностью грунта (как физиче-
ской, так и механической), имеющей преобладающее
влияние, воздействия которого всегда неизвестны.
Очевидно, что разрывы играют определяющую роль
при инъекции аллювиальных грунтов. Именно их нали-
чие объясняет тот факт, что грунты, не поддающиеся
инъекции в лабораторных условиях, могут на месте
быть заинъектированы. Каждый раз при обнаружении
141
разрыва во время ведения работ, что, напомним, отно
сительно легко сделать только при горизонтальны х раз-
рывах, инъекцию прекращают, для того чтобы не произ-
водить бесполезного сгущения раствора После схваты-
вания раствора при необходимости инъекция возобнов-
ляется более проникающим раствором. Однако такие
меры не всегда оказываются успешными, так как
раствор второго состава имеет тенденцию распростра-
няться по уже существующим разрывам (см. рис 4-4
и 13-1). Чаще всего он иаслаи-
вается на ранее введенный и
уже схватившийся раствор.
Приведем показательный,
несмотря на то. что он относит-
ся к незначительном) по вели
чине разрыву, пример.
В разрыв, заполненный бен-
тонитовым гелем, введен затем
силикатный гель (рис 13-2).
Силикат распространился вна-
чале посредине плоскости раз-
рыва бентонита, увеличивая
его толщину, затем образова-
лось ответвление только за
счет силикатного геля. Если
Рис 13-2 Разрыв гри инъ-
екции 1в>х различных рас-
творов
1 — обезвоженный м твердый
бентонитовый гель (толщи-
на 0,5 CJH), 2 — обезвоженный
и твердый смлихатно-алю-
минатный гель
утолщение первого разрыва
было бесполезным, то его продолжение имеет эффектив-
ное значение. Увеличение толщины первого разрыва в
некоторых случаях приводит к дополнительному подъе-
му поверхности грунта, которого не следует опасаться,
если это не вызвано серьезными причинами.
Для получения эффекта при разрывах часто закан-
чивают инъекцию раствором с большим количеством
цемента при высоких давлениях именно для того, чтобы
вызвать образование многочисленных разрывов, которые
пронизывают грунт. Такая инъекция, кроме того, имеет
целью в некоторых случаях заменить в скважинах бо-
лее прочным слабый раствор, который из-за отсутствия
скелета способен легко выдавливаться.
ДЕФОРМАЦИЯ ГРУНТА ОСНОВАНИЯ
Уже отмечалось, что искривление труб с манжетами
иногда указывало на значительные деформации грунта
основания. Эти горизонтальные деформации происходят
142
при воздействии давления потока во время инъекции.
Они не имеют никакого значения, если противофильтра-
ционная завеса выполняется в естественном грунте Их
даже никогда не замеряют Однако если вблизи заве-
сы имеется сооружение; подпорная стейка, шпунтовый
ряд и т Д. необходимо контролировать деформации и
поддерживать их на допустимом уровне Желание избе-
жать их появления любой ценой было бы ошибкой, так
как в этом случае невозможно было бы правильно ве-
сти инъекционные работы.
Реперы указывают иногда в начале инъекции на
осадки. Это случай инъекции в неплотные аллювиаль-
ные грунты, частицы которых под действием давления
Рис 13-3 Подъем грунта при инъекции
потока смещаются В процессе инъекции осадки прекра-
щаются и начинается подъем (рис 13-3) При последо-
вательной инъекции ряда слоев небольшой мощности,
в каждом из которых происходят незначительные де-
формации, общин подъем может достигнуть относитель-
но больших величин (рис. 13-4). Иногда при подъеме
грунта вместе с ним смещаются сваи и шпунт, располо-
женные в непосредственном близости от места инъекции
(рис. 13-5). Эти смещения могут представляться опас-
ными. Опыт, однако, показал, что без всякого ущерба
тяжелые промышленные сооружения основывались на
грунтах, деформированных при инъекции.
Этот несколько парадоксальный вывод объясняется
наличием аллювиального скелета, в котором, за исклю-
чением нескольких разрывов, распределяется раствор.
Когда частицы грунта не находятся в непосредствен-
ном контакте, они разделены весьма тонким слоем
раствора, который подобно тонкой пленке может оказы-
НЗ
вать сопротивление значительным давлениям даже при
слабом сцеплении
Только при производстве инъекции в непосредствен-
ной близости от существующих строении следует огра-
ничивать подъемы грунта допустимой величиной В этих
Е^*4/7т+6/7лци+80мм ЯВМЮ* + ПОмм
Рис 13-4. Осадки и подъемы грунта при устройстве
противофнльтрационной завесы
Рис 13*5. Подъем грунта при выполнении водонепроницаемого дна
шпунтового ограждения.
случаях необходимо применять большое количество раз-
ных растворов, часто располагать скважины, вести
инъекцию при очень малых расходах, для того чтобы
обработать грунт без разрывов. Такая обработка стоит
весьма дорого
144
ИНЪЕКЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ
Инъекцию поверхностных слоев, например до 5—8 ж
глубиной, производить трудно из за частых выходов иа
поверхность Любое увеличение давления невозможно.
Следовательно, необходимо либо ограничиться более
или менее удовлетворительным заполнением через близ-
ко расположенные скважины, ииъектнруемые при низ-
ких давлениях, или, что предпочтительнее, пригрузитъ
грунт, например, временной насыпью высотой 5-—6 м
Глубина, при которой инъекция дает хороший резуль-
тат, зависит от структуры аллювия
Указанные выше величины, являются наиболее упо-
требительными в настоящее время; в качестве исключе-
ния можно указать на инъекцию с глубины 3 ж, не со-
провождавшуюся выходами на поверхность при давле-
нии 20 кгс)см2.
ИНЪЕКЦИЯ НАРУШЕННЫХ ПОРОД
Иногда при производстве обычных строительных ра-
бот происходит обрушение или растрескивание грунта
Исправить положение может инъекция. К сожалению,
инъекция в этом случае производится в полностью нару-
шенной породе, плотность которой много меньше, чем
плотность этого грунта до нарушения. Опыт показы-
вает, что в этих условиях инъекция классическими спо-
собами затруднена. Происходят бесчисленные разрывы,
а одновременные выходы на поверхность препятствуют
возможности использовать эти разрывы для уплотнения
грунта. В результате громадных усилий иногда можно
получить удовлетворительные результаты. Однако
в большинстве случаев этого достичь нс удается
Казалось бы, что можно получить неплохие резуль-
таты, используя весьма проникающие растворы, смолы,
например ннъсктируемыс при малых давлениях Однако
в связи с высокой стоимостью этих растворов и матымн
расходами, которые необходимо применять дая обеспе-
чения небольших давлении, это решение ис всегда мо-
жет быть использовано.
Весьма вероятно тем нс меиее, что в большинстве
случаев такое решение окажется более дешевым по
сравнению с использованием классических, более эконо-
мичных растворов или обычных расходов при инъекции
145
В заключение следует сказать, что каждый раз, ко-
гда при ведении работ рассматривается возможность
облегчить их с помощью инъекции, было бы ошибочно
начинать эти работы без ее выполнения, надеясь, что
всегда можно произвести инъекцию, если это потребует-
ся. Есть опасность, что нарушенные зоны грунта нельзя
будет обработать достаточно надежно
ВЫХОДЫ НА ПОВЕРХНОСТЬ
При правильном ведении инъекции на глубинах ни-
же 5--8 м выходы на поверхность случаются редко Они
появляются только в тех случаях, когда грунт начинает
насыщаться раствором Выходы образуются вблизи за-
весы, но иногда они наблюдаются на значительном рас-
стоянии, например 30—40 м и более (рис. 13-6).
Рнс. 13-6 Выходы раствора при инъекции
1 — выходы; 2 — трещины в грунте.
Для того чтобы прекратить выходы на поверхность,
достаточно прервать инъекцию на время, необходимое
для схватывания раствора. Если их вызвал раствор не-
большой прочности, следует продолжить инъекцию
быстротвсрдеюшим раствором, чтобы заменить им сла-
бый раствор, и затем дождаться его схватывания. Если
не принять такой меры предосторожности, можно вновь
обнаружить выходы при инъекции в соседние скважи-
ны. Если инъекционная завеса продолжает в глубь
14?
Шпунтовую или свайную стенку, выходы обнаруживают
ся чаше всего около шпунта или свай Это происходит
вследствие уплотнения грунта и эффекта стенки, ло-
кально увеличивающего пористость аллювия.
Такие выходы благоприятны, поскольку они обеспе-
чивают водонепроницаемость мест соединения шпуитии,
которые, как известно, никогда ие бывают полностью
непроницаемыми.
Аналогичные выходы наблюдаются при инъекшш
с подъемом труб. Именно благодаря им обеспечивается
хороший контакт между обсадными трубами и грунтом,
что позволяет производить инъекцию этим методом Но
именно они очень часто препятствуют полному извлече-
нию обсадных труб, цементируя нх с грунтом.
ДИАМЕТР СКВАЖИН И СПОСОБ БУРЕНИЯ
Если при использовании нестабильных растворов
для инъекции скальных пород предусматривается буре-
ние скважин небольших диаметров, чтобы избежать не
приятностей, связанных с оседанием цемента, то при
инъекции аллювиальных грунтов, когда использование
таких растворов невозможно, возникает свобода выбора
диаметров скважин Принимаются в расчет только эко-
номические соображения.
Как прапило, аллювиальные грунты проходятся
ударным бурением с погружением временных обсадных
труб. Более экономичными, следовательно, будхт сква
жнны наименьшего допустимого диаметра.
Одиако иногда бывают отклонения. Если, например,
аллювиальные грунты мощностью в несколько десятков
метров содержат валуны, вращательное бурение пред-
почитают ударному. В этом случае скважина имеет
сравнительно большой диаметр L
РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ СКВАЖИНАМИ
Если при инъекции аллювиальных грунтов, как и
трещиноватых скальных пород, заполняются все пусто-
ты, можно определить расстояние между скважинами.
1 При применяемых обычно в СССР методах ударного бурения
диаметр скважин оказывается больше, чем при вращательном буре-
нии (П р л м е ч п е р е в )
147
СоИост^мия стоимости скважины II инъсктируемого
раствора
В действительности же только сильно проницаемые
слои пропитываются раствором. Другие становятся во-
донепроницаемыми за счет сжатия частиц, частичной
пропитки, а также разрывов, в различных направлениях
пересекающих слои Опыт показывает, что протнвофцль-
трационная завеса должна иметь достаточную толщину
Одним рядом скважин никогда не удается добиться хо-
рошей водонепроницаемое! и. Достаточно хорошо могут
быть обработаны только сильно проницаемые слон,
остальные практически нс обрабатываются. В некото-
рых случаях суммарный эффект может быть удовлетво-
рительным: в противном случае требуется устройство по
меньшей мере двух рядов скважин.
Опыт показывает, что хороший результат может
быть получен при расстояниях между рядами скважин
и скважинами в рядах 3—4 м. Часто между двумя пер-
выми рядами устраивается третий ряд. Скважины
третьего ряда являются одновременно контрольными п
служат для обеспечения полной водонепроницаемости.
Таким образом, устраиваются завесы толщиной до 10 м.
Для увеличения толщины завесы следует увеличить ко-
личество рядов В таком случае следует слегка увели-
чить расстояние между рядами и скважинами и довести
его, например, до 5 м (максимальная, по-видимому, ве-
личина). Небесполезно, очевидно, сохранить небольшое
расстояние между скважинами с верховой и низовой
сторон завесы. Начиная здесь инъекцию, удается соз-
дать настоящие перемычки, которые при инъекции цент-
ральной части будут препятствовать уходу раствора за
пределы завесы В слабо проницаемых грунтах целесо-
образно располагать скважины плотнее. Указанные рас-
стояния в этих случаях можно уменьшить в 2 н бо-
лее раз.
Для создания горизонтальных водонепроницаемых
экранов достаточно заделать наиболее проницаемые
слои. Если они залегают горизонтально, то их уплотне-
ния будет достаточно, чтобы остановить фильтрацию
снизу вверх В этом случае можно увеличить расстояние
между скважинами. Одна скважина, например, иа 50—
80 м7 может дать хорошие результаты.
При распространении раствора в почти горизонталь-
ных слоях, расположенных перпендикулярно скважп-
148
нам, толщина горизонтального экрана определяется Do
длине инъектируемой скважины Как правило, толщина
5—8 м достаточна. Структура аллювия обусловливает
в большей степени, чем для вертикальных завес, рас-
стояние между скважинами и толщину горизонтального
экрана Если, например, сильно проницаемых слоев
очень мало, следует обработать другие слои и поэтому
сократить расстояние между скважинами Иногда даже
требуется увеличить толщину горизонта льного экрана.
УГОЛ НАКЛОНА И ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН
Выполнение наклонных скважин в аллювии — весьма
дорогостоящая операция. Кроме того, максимальный
наклон, который можно обеспечить, не очень велик
(30-40°). Наклонные противофильтрационные завесы,
создаваемые с помощью наклонных скважин, выпол-
няются только в исключительных случаях. Чаще всего
удовлетворяются выполнением вертикальных или горн
зонтальных завес н экранов с помощью вертикальных
скважин.
Даже при выполнении вертикальных скважин удар-
ным бурением неизбежно их искривление. Так же как
и при инъекции в скальных трещиноватых породах, не
назначают по экономическим соображениям максималь-
ного отклонения скважин1 Однако в связи с большой
толщиной завес такие отклонения не опасны. Опыт по-
казывает, что для завес глубиной до 100 м * удается по-
лучить хорошие результаты, несмотря на искривления
Глава четырнадцатая
КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЪЕКЦИИ
Проверка результатов инъекционных работ являет-
ся, без сомнения, одним из самых трудных видов конт-
роля. Единственный подходящий способ такого контро-
ля заключается в том, чтобы закончить работы и ваблю-
1 При сооружении инъекционной завесы Асуанской плотины
допустимое отклонение скважин было назначено Однако проверя
лось оно лишь на части скважин (Пр и меч. перев)
♦ Завеса Асуанской плотины имеет максимальную глубину око-
ло 170 м (П р и м е ч. п е р е в )
149
дать за происходящим Но это будет лишь последую-
щий контроль, который иногда исключает какое бы то
ни было вмешательство Так бывает, например, при вы-
полнении в аллювии инъекцией зуба земляной плотины.
Отсутствие галереи не позволяет внести какие-либо ис-
правления для улучшения качества работ, которые
должны сразу выполняться удачно
Во избежание этого серьезного недостатка были
предприняты попытки разработать разнообразные мето
ды контроля во время ведения работ Однако опыт по-
казал, что все эти методы не могут с достаточной сте-
пенью точности определить среднюю величину водоне-
проницаемости инъекционных завес. Эти методы могли
только подтвердить соблюдение правил ведения работ.
Методов очень много. Одни из них для определенных
случаев пригодны, другие- нет. Для того чтобы уточ-
нить эти разнообразные случаи, следует различать
инъекцию пропитыванием и с разрывами. Различие это
весьма условно, поскольку никогда нс бывает только
пропитывания или только разрывов; обычно эти явле-
ния сочетаются с преобладанием того или иного.
ИНЪЕКЦИЯ ПРОПИТЫВАНИЕМ
Инъекция пропитыванием соответствует инъекции
трещиноватой скалы. Трещины закрываются, запол-
няясь раствором, и если происходят разрывы, они так-
же заполняются.
То же самое происходит прн инъекции песка и гра-
вия, если удается подобрать такой тип раствора, кото-
рый соответствовал бы их проницаемости. Это весьма
дорогостоящий способ, но в этом случае раствор запол-
няет все поры, а возможные разрывы только дополняют
инъекцию. Другими словами, при инъекции пропитыва-
нием все поры грунта оказываются заполненными
раствором Для контроля за выполнением инъекции до-
статочно, следовательно, убедиться, что раствор проник
повсюду или что проницаемость в различных точках
среды достаточно слаба Это сделать относительно лег-
ко с помощью гидравлического опробования скважин.
Так контролируют инъекцию в трещиноватых скальных
породах. Аналогично можно поступать в аллювиальных
породах с открытой структурой, ппъектнруемых эконо-
мичными растворами. Но обычно разведочные работы
150
не проводятся настолько глубоко, чтобы можно было
утверждать о наличии только открытых структур
Вследствие неоднородности аллювиальных отложе-
ний всегда имеются горизонты, не пропитываемые ра-
створом Если эти горизонты составляют небольшую
часть общего обрабатываемого объема, метод гидравли-
ческого опробования может оказаться удовлетворитель-
ным В противном случае этот метод не приемлем, ибо
тогда водонепроницаемость образуется за счет раз-
рывов
ИНЪЕКЦИЯ С РАЗРЫВАМИ
Инъекция не может проводиться исключительно за
счет разрывов. Всегда имеются горизонты, хорошо про-
питываемые раствором, но они немногочисленны, н если
нс прибегнуть к помощи дорогостоящих проникающих
растворов, все пустоты заполнены не будут Инъекция
приведет к сжатию слоев и рассечению их разрывами
После инъекции получают неоднородную среду, в ко-
торой недостаточно проведения локального контроля,
однако результаты общего контроля после завершения
работ оказываются удовлетворительными
Даже при проведении многочисленных испытаний со-
вершенно невозможно сделать заключение о качестве
работы, выводя среднюю величину по отдельным значе-
ниям. Достаточно, например, получить один удачно рас-
положенный разрыв, для того чтобы завеса могла вы-
полнять свою роль, в то время как точечные исследова-
ния могут не дать ни одного удовлетворительного ре-
зультата.
Естественно, речь идет здесь о крайнем случае» по-
скольку всегда существует несколько хорошо пропитан-
ных слоев. Гидравлическое опробование в этих слоя*
даст хорошие результаты, но непосредственно под ними
или над ними картина будет иной.
Приведем один из типичных примеров Первая сква-
жина на глубине 23 .« дает величину проницаемости
10 дарси, а на глубине 23,5 м 0,1 дарси Вторая скважи-
на, расположенная на расстоянии 2 и от первой, дает
1 дарси на глубине 23 м и 30 дарси на глубине 28.5 м
Неоднородность после обработки очевидна, и. однако,
завеса имеет среднюю проницаемость, выведенною по
расходам в котловане, защищаемом этой инъекционной
151
завесой, примерно 0,4 дарси Эта средняя ветчина ока-
залась весьма удовлетворительной в противовес тому,
что можно было ожидать по результатам точечных ис-
пытаний.
Как было отмечено, при инъекции аллювия эконо-
мичными растворами контроль не может производиться
во время ведения работ. Точнее, нельзя дать точную
цифру повышения водонепроницаемости Единственное,
что можно сделать,— проводить косвенные наблюдения,
которые позволяют в зависимости от опыта, накоплен-
ного при проведении подобных работ, облегчать или,
напротив, усиливать инъекцию. Некоторые виды таких
наблюдений служат действительным контролем обра-
ботки. Такой контроль нередко бывает весьма дорого-
стоящим, а выводы его не являются абсолютными; по-
этому осуществляется он редко Однако небезынтересно
знать, каким образом он производится и что может дать.
СРЕДСТВА ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ
Здесь рассматриваются только способы контроля,
даюшие возможность следить за ходом работ.
Речь идет о неразрушающих способах контроля.
Разрушающие способы, как, например, выполнение
выемки в инъектируемой зоне, будут рассматриваться
в следующей главе.
Контроль указанными способами производится с по-
мощью скважин, растворов, комбинации того и другого
или осуществляется с поверхности обрабатываемой сре-
ды. Он состоит в изучении скорости бурения скважин,
гидравлических испытаниях, использовании раствора,
меченого красящими или радиоактивными веществами,
определении удельного электрическог сопротивления и
деформации среды.
Скорость бурения скважин
Речь идет о наблюдении за скоростью бурения в ал-
лювии, которая может изменяться при инъекции, так
как в скальных породах заполнение трещин не меняет
скорости проходки скважин. В аллювии же бурить сква-
жину, расположенную между уже заинъектированными.
труднее, чем в естественной породе,
152
Уменьшение скорости бурения происходит За счег
пропитывания некоторых слоев раствором и схватыва-
ния его либо в результате увеличения плотности грун-
та, например, за счет разрывов Скорость продвижения
замедляется также при бурении мелкозернистых песков,
не пропитавшихся раствором, а просто уплотнившихся
при инъекции в соседние скважины Следовательно,
происходит только качественный контроль, который не
дает никакого указания на качество обработки. Ои по-
казывает лишь, что осуществленная инъекция оказала
некоторое воздействие на грунт. Для более подробного
анализа следует прибегнуть к гидравлическим испыта-
ниям либо попытаться обнаружить содержание раство
ра в извлекаемом из скважины грунте.
Гидравлические испытания
Область применения гидравлических испытаний бы-
ла уточнена выше. При нагнетании воды по методу
Лефранка следует избегать слишком высоких давлений,
так как в противном случае возникает опасность разры-
вов грунта и опыты в этом случае ничего не дадут Воз-
можно также, что в хорошо пропитанных раствором
слоях само выполнение скважины ведет как бы к раз-
рыву затвердевшего раствора вокруг скважины В та-
ком случае «коэффициент формы», влияющий на ре-
зультаты испытаний, ие может быть определен с доста-
точной точностью. Испытания тогда неправомочны и
контроль несостоятелен.
Во избежание этого начали использовать для прове-
дения испытаний трубы с манжетами. Однако совершен-
но невозможно установить какое-либо соответствие
между испытаниями по методу Лефранка и испытания-
ми с манжетными трубами. Это происходит из-за боль-
ших колебаний потерь напора на обойме. Для исключе-
ния их влияния надо было бы измерять давление снару-
жи обоймы, что сделать сложно.
Поскольку невозможно выполнить слишком большое
количество испытаний методом Лефранка в одной
скважине, пересекающей слои, попеременно обработан-
ные путем пропитки раствором и разрывами, может
представить интерес оборудование части скважины
фильтром. Результат налнва или откачки дает величину
проницаемости, более близкую к реальной по сравне-
153
нию со средним значением, выведенным по точечным
испытаниям Но это тоже только локальная проницае-
мость. Чтобы иметь представление о средней величине
проницаемости завесы, следует провести большое число
таких испытаний.
Очевидно, эти сложные и дорогостоящие испытания
можно предусматривать только для оценки качества за-
конченной работы. Их нельзя применять регулярно для
контроля хода работ.
Окрашенные растворы
Несмотря на то, что растворы обычно имеют цвет,
отличный от цвета грунта, этого различия недостаточно
для легкого определения мелких заинъектированных
трещин в кернах скальных пород или на стенках шур-
фов. Кроме того, для предупреждения разрушения кер-
нов вибрацией инструмента пли при заклинивании
в пробоотборнике необходимо, чтобы раствор имел вы-
сокую прочность после схватывания. Таким образом, на
кернах скальных пород заметны только трещины зна-
чительной толщины, заполненные цементом (рис. 14-1).
Укажем на частный случай, когда можно отобрать
ненарушенные образцы мелкозернистого песка, инъектп-
рованиого силикагелем. Силикат бесцветен, но посколь-
ку он является основанием, достаточно смочить керн
спиртовым раствором фенолфталеина, чтобы гель окра-
сился в красно-фиолетовый цвет. Наличие геля обнару-
живается немедленно. Этот метод, естественно, может
быть использован для обнаружения раствора на стенках
шурфа. Таким образом, удалось исследовать распреде-
ление раствора в контрольном шурфе на завесе Черного
озера (см. рис. 8-9).
Для быстрого и легкого обнаруживания растворов
их следует окрашивать до инъекции. Для этого приме-
няются два метода: окрашивание в массе и маркировка
раствора красителем.
Используются растворимые и нерастворимые в воде
красители, не воздействующие на характеристики
растворов (Сагоп, 1951). Для окрашивания в массе мо-
гут быть использованы флюорссцин, эозин, родамин
и пр. В дополнение к окраске эти вещества флюоресци-
руют. Следовательно, их можно обнаружить ночью при
ультрафиолетовом освещении. Этот метод был исполь-
154
зова и П Левеком (1957 г) для контроля результатов
крупных испытаний на р Ум ер-Р’биа (см рнс 8 4)
Красящие вещества, различно адсорбируемые крупны-
ми н мелкими частицами раствора, позволяли даже про-
следить разделение фаз раствора.
Можно также использовать порошки минеральных
красителей на основе окиси железа (красный или
оранжевый), солен хрома (зеленый) или солей меди
Рис. 14-1. Керны заииъектированноП
сильнотрсщнноватоп скальной по-
роды
Цемент, заполняющий тонкие трещи-
ны, разрушен буровым инструментом.
(голубой). Соли хрома и меди позволяют, кроме того,
провести химический анализ, так как катионы Сг и Си
обычно в грунте не содержатся.
Теперь перейдем к вопросу о маркировке растворов
красителем, пригодным для обнаружения раствора
в извлекаемом из скважины грунте.
Наличие раствора обнаруживается без извлечения
кернов. Их даже может и не быть при бурении аллювия.
Общая окраска раствора не обязательна, достаточно,
чтобы красящее вещество можно было легко обна-
ружить.
Такой результат обеспечивает ализарин — широко
используемый в красильном деле краситель. Однако
155
его концентрация должна быть относительно высокой.
Можно также использовать органолы в исключительно
малых дозах Эти красящие вещества имеют красный,
зеленый или желтый цвет. Нерастворимые в воде орга-
нолы растворяются в некоторых органических раствори
телях, как, например, трихлорэтилене или бензоле Их,
Рис 14-2 Фиксация красящими веществами
цементного раствора, заинъектированного в
кладку. Указаны проходы окрашенного раство-
ра, отмеченные на кернах
следовательно, можно легко обнаружить в буровом
шламе В некоторых случаях можно уловить до 10 мг
цемента в 1 л бурового шлама.
При желании можно с помощью этих красителей
производить приблизительные количественные измере-
ния. Такне попытки были предприняты во время прове-
дения цементации кладки плотины Гросбуа (рис. 14-2).
156
Результат этого опыта показал, что количество про-
ходов раствора, заметных на кернах, незначительно по
сравнению с зонами, куда раствор действительно про-
ник Некоторые места проходов раствора были разруше-
ны при бурении Изучения кернов было недостаточно для
оценки эффективности инъекции. Кроме того, интересно
отметить, что количество цемента, обнаруженное благо-
даря красящим веществам, несопоставимо с поглощен-
ным количеством Так, на глубине 15 я в зоне относи-
тельно слабого поглощения были отмечены многочислен-
ные проходы раствора примерно па протяжении около
1 и скважины, в то время как на глубине 25 я, несмот-
ря на большие величины поглощения, был обнаружен
только один проход Он соответствует, несомненно, круп-
ной трещине, через которую ушел раствор.
Радиоактивные индикаторы
Рис 14-3 Фиксация радио-
активными индикаторами
раствора, запнъектпрованно-
го в азлювиальнын гр>нт
(материалы фирмы Соле-
танш)
1 — первая фаза инъекции*.
2 — вторая фаза инъекции
Вместо красителя можно пометить раствор радио-
активными веществами. Они должны не изменять
свойств раствора, легко обнаруживаться и иметь отно-
сительно короткий период по-
лураспада, например несколь-
ко недель. Эти вещества долж-
ны быть в жидком виде для ис-
тинных растворов; для суспен-
зий может применяться мелкий
порошок. Обнаружение раство-
ра происходит с помощью счет-
чика Гейгера, опускаемого в
скважину. Так же как с кра-
сителем, можно определить за-
инъектированные зоны после
окончания работ.
Можно также следить за
распространением раствора во
время инъекции. Для этого на-
до заделать в грунт металличе-
скую трубу, в которую опуска-
ют счетчик. На рис. 14-3 пока-
зано распределение раствора.
Интересно отметить, что некоторые слом хорошо пропи-
тались раствором, другие — слабее.
Несмотря на целесообразность метода, он не совер-
шенен. Достаточно, например, небольшому количеству
157
раствора» меченого радиоактивными веществами, достиг
нуть контрольной трубки, чтобы счетчнк начал рабо-
тать. При продолжении инъекции счетчик почти нс из-
меняет показаний Можно поэтому считать, что речь
идет лишь о качественном контроле
Измерение удельного электрического
сопротивления
Удельное электрическое сопротивление р пористом
среды, твердые частицы которой нс являются проводни-
ками н пустоты которон заполнены жидкостью с \ дель-
ным сопротивлением ро, выражается \равнением (Кам-
бефор, 1955)
где е — пористость.
Это уравнение было проверено для величин е между
0,06 н 5,7
Поскольку инъекционный раствор имеет сопротивле-
ние, отличающееся от сопротивления воды, заполняющей
поры грунта, ясно, что электронзмерения позволяют его
обнаружить. Как и при электроразведке, здесь возмож-
ны два вида измерений с поверхности грунта и в сква-
жине (электрокаротаж). Измерения с поверхности пред-
принимались фирмой Солетанш при создании в ал-
лювиальных породах водонепроницаемых экранов, не
выходящих на поверхность грунта *. Измерения, выпол-
ненные в породе, повторялись в лотке с сохранением
электрической аналогии для получения ключа к их ин-
терпретации
Инъекция измеряет сопротивление грунта, и поэтому
в какой-то мере можно следить за распространением
раствора. Однако невозможно с достаточной степенью
точности интерпретировать результаты инъекции для
указания, например, зон, в которые данный раствор про-
никает плохо
При инъекции ограниченного массива, достигающего
поверхности, этим методом можно получить сведения
1 В СССР метод сопротивлении опробовался в скальных поро-
дах при выполнении противофильтрационной замесы Апаранскою
водохранилища (Примем перев)
158
о распределении раствора Например, В Фритч
(V Fritsch, 1956) провел так контроль ремонта бетона
опоры (рис. 14 4)
Одион из иллюстраций ненадежности метода при об-
наружении глубоких изменении является магнитный
контроль трещин в стали.
На рис. 14-5 видно, что
силовые линии поля почти
ничего не показывают, по
ка трещина не дойдет до
поверхности Нет ничего
удивительного в том, что
поиски зоны с большей
проводимостью, чем окру-
жающая среда, будут еще
более затруднены.
Измерения в скважине
так же недостаточны, как
и поверхностные измере-
ния. На рис. 14-6 показа-
ны результаты электрока-
ротажа, проводившегося
между фазами инъекции.
Мелкозернистые пески
инъектировались енлика
гелем. По результатам
можно судить только о
том, что раствор все хо-
рошо пропитал и что
третья фаза инъекции не
внесла значительного
улучшения !.
Для того чтобы изба-
виться от недостатков,
свойственных последую-
щему контролю, В. Фритч
(1956 г.) предложил про-
изводить измерения во
время инъекции. Этотме-
Рис 14-4 Электроконтроль рас
пространсния раствора при ремон-
те бетона опоры
тод может легко применяться в скальных породах.
Вследствие большой длины инъектируемой зоны по срав-
• Электрокаротажные измерения широко использовались для
текущего контроля и уточнения технологии при выполнении протп-
вофнльтрациопной завесы Асуанской плотины. (П р и м е ч п е р е в.)
159
нению с сечением скважины следует предчсмааривать
электропроводннк на всю длину зоны (рис 14-7) Если
не \честь этого, измерения окажется неверными Вопре-
Рис. 145 Применение магнитных полей для фиксации трещин
в стали.
Слева - трещина выходит на поверхность, вправо — она посте-
пенно удаляется от поверхности
по мерс проведения инъ-
екции (материалы фир-
мы Солетзнш)
J — до инъекции- 2 — пос-
ле первой фазы, 3 - пос-
ле третьей фазы, 1 — пос-
ле второй фазы
Рис 14-7 Схема элек-
трокойтроля во время
инъекции.
1 — раствор, 2 — изоли-
рованный провод, 3 —
тампон; 4 — голый провод
ки ожидаемому раствор не является в достаточной сте-
пени проводимым, чтобы можно было обойтись без ни-
ти — проводника.
Электрическое сопротивление в начале инъекции
уменьшается очень быстро, затем сохраняет практически
постоянную величину (рис. 14-8).
160
Кроме того, отмечается, что при инъекция места
бнльных растворов начальное сопротивление, измерен-
ное в зоне до инъекции, снижается по мере создания
завесы (рис 14 9).
Если учесть, что скважины находятся на расстоянии
всего нескольких метров друг от друга и что объем во-
ды в растворе слишком велик, можно предположить, что
Рис 14-8. Снижение элек
ipocoпротивлений /?, из-
меренных в скважине во
время инъекции неста-
бильного раствора За-
ннъектировано 3000 кг
материалов.
1 — промывка. 2 — нагне-
тание раствора; 3 — из-
менение давления.
Рис 14-9 Снижение электро
сопротивлении в скважине, рас-
положенной за предыдущей
(см. рис. 14-8).
Заметно снижение начального
сопротивления <20— 30 о.и вме
сто 75 о и) Заинъсктнровано
2050 кг материалов
1 — промывка; 2 — нагнетание
раствора, 3 — мвменение давле-
ния
вблизи завесы грунтовая вода заменяется водой рас-
твора, которая имеет большую проводимость. Можно
также считать, что грунт инъектиру ется через отдален-
ные скражины, чего на самом деле не происходит.
Эти два явления — быстрое снижение электрического
сопротивления в начале инъекции зоны и постепенное
снижение начальных сопротивлений по мерс хстронства
завесы — достаточны для того, чтобы отклонить этот
метод контроля. Однако следует проверить расчетом эти
наблюдения, что и осуществил Р. Шадессон (R. Chadeis-
161
son) для некоторых простых случаев. На рис 14-10 обоб-
щены полученные результаты, из которых ясно, что
снижение сопротивления в скальных породах с дан-
ным количеством пустот в зависимости от объема за-
инъектнроваиного раствора происходит почти по той же
кривой при бесчисленном количестве мелких трещин
(кривая /) и четырех плоских трещинах одинаковой тол
щнны (кривая 2);
если пчетоты образованы тремя цилиндрическими от
верстнямН, кривые 3 (хорошая проходимость) к / (мел
котрещнноватая скала) резко различаются;
Рис 14-10. Теоретическое изменение
электрического сопротивления грунта по
различным гипотезам
Исходные данные: грунт с пустотностью
2%. скважина диаметром 50 мм; зона
инъекции глубиной 5 ж с проводником
диаметром 5 мм в центре, сопротивле-
ние воды слабой проводимости 24 ом-м;
сопротивление проводящей воды 6 олл,
сопротивление раствора 1,75 ом-м.
I — мелкотрещиноватая скальная порода;
грунтовая вода слабой проводимости; 2 —
четыре горизонтальные трещины шири-
ной по 1 сж, заполненные водой слабой
проводимости; 3 — три отверстия диамет-
ром 50 мм, заполненные водой слабой
проводимости; 4 — мелкотрещиноватая
скальная порода; грунтовая вода — про-
водник; 5 — три отверстия диаметром
50 мм, заполненные проводящей водой.
если грунтовая вода становится проводящей средой,
это различие исчезает (кривые 4 и 5);
в последнем случае сопротивление стабилизируется
при небольшом количестве заинъектированного рас-
твора.
Поскольку редко бывает, чтобы инъекция трещины
осуществлялась симметрично вокруг скважины, так как
всегда существуют более или менее преобладающие на-
правления, можно полагать, что теория полностью под-
тверждает практические наблюдения.
Достаточно раствору проникнуть на небольшое рас-
стояние от скважины, чтобы измеренное сопротивление
приобрело постоянную величину. Другими словами, ра-
диус действия электрического измерения невелик по
сравнению с радиусом действия инъекции.
Аналогичные опыты с тем же результатом произво-
дились и в аллювиальных грунтах. Безусловно, подоб-
ные измерения не имеют никакого практического значе-
162
нпя для проведения серьезного контроля за инъекцион-
ными работами. Они могут служить всего лишь для
выявления количества пустот вокруг скважины.
Индикаторы перемещений
Известно, что инъекция производится только за счет
деформации инъектируемой среды. Такие деформации
не являются опасными, их необходимо ограничивать
только в тех случаях, когда онн передаются на соору-
жения Для этого применяются приборы — индикаторы
Рис. 14-11. Контроль раскрытия тре-
щины
1 — кнопочный контакт; 2 — электро-
лампа; 3 — клаксон
перемещений, располагаемые в местах, за которыми дол-
жно вестись наблюдение. Электрический контакт этих
индикаторов, например, зажигает электролампу и вклю-
чает сигнал при достижении предельной величины де-
формации.
Следует обеспечить возможность свободно регулиро-
вать расстояние между контактами, для того чтобы во
время предварительных испытаний определить амплиту-
ду опасных деформаций. Выбранное расстояние долж-
но быть немногим меньше найденного предела деформа-
ций, для того чтобы не слишком снижать величину дав-
ления инъекции, что может препятствовать прониканию
раствора.
В настоящее время имеются превосходные контакты,
одновременно включающие одну цепь и отключающие
другую. Однако можно с помощью обычных кнопочных
контактов создать надежные указатели деформаций На
рнс. 14-11—14-13 дано несколько примеров. К этой ка-
163
тегорин приборов можно отнести обычные нивелировоч-
ные марки, которые позволяют следить за эффектив-
ностью инъекции в аллювиальных грунтах То же от-
носится и к глубинным реперам, которые указывают де
формации. С их помощью можно определить образова-
ние горизонта 1ъны\ разрывов, величин' которых лучше
ограничивать каждый раз, когда есть такая возможность
Рнс. 14-13. Контроль за
перемещением шпунтовой
стенки, за которой про-
изводятся инъекционные
работы (материалы фир-
мы Сопетанш)
1 — кнопочные контакты.
2 — инъекционные сква-
жины. 3 — анкер. 4 —
шпунтовая стенка; 5 —
аллювиальный грунт; 6—
фундамент; 7 — стенка.
Рис 14 12 Контроль
за подъемом грунта
1 — клаксон, г — элек-
тролампа; 3 — кнопоч-
ный контакт, 4 — фун-
дамент; 5 — грунт
Таким образом, среди всех возможных методов конт-
роля нс находится ни одного действительно удовлетво-
рительного Это, безусловно, одна из наиболее харак-
терных особенностей инъекционных работ.
Есть немало людей, способных нагнетать раствор в
грунт, но не всем удается достигать при этом удовле-
творительных результатов. Их добиваются те, кто об-
ладает мастерством. Изменение скоростей бурения, ва-
риации давления, подъемы породы, выходы раствора
ив поверхность, в редких случаях проведение нескольких
164
гидравлических опробований— одним словом, малейший
признак достаточен для опытного мастера, чтобы вы*
явить необходимость смены раствора или бурения до-
полнительных скважин. Именно поэтому инъекция н яв-
ляется искусством. Некоторые проявляют к нему спо-
собности. другие лишены их. Вероятно, пройдут годы,
прежде чем электронный мозг сможет заменить мастера.
Однако если проведение локального контроля во вре-
мя производства работ затруднительно, то этого нельзя
сказать об общем контроле, производимом после обра-
ботки, а иногда во время инъекции.
ОБЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТ
Об удовлетворительных результатах обработки мас-
сива инъекцией можно судить только путем приложе-
ния соответствующих нагрузок К сожалению, таким по-
следующим контролем нельзя удовлетвориться. Однако
Рис. 14-14. Определение качества протнвофильтрационной завесы
а — поток в начальном состоянии; б — поток после выполнения работ
существуют некоторые категории работ, при которых
нагрузка начинает воздействовать постепенно даже во
время инъекции. Так происходит при выполнении про-
тивофильтрационной завесы, расположенной, например,
под плотиной и перекрывающей большую часть сложен-
ной аллювием доливы. В этом случае можно определить
качество работ по мере их производства.
Речь идет нс о сравнении величин расходов до и по-
сле инъекции, так как точно неизвестны ни средний ко-
эффициент фильтрации неинъектированны.х пород, ни
сечение потока. Кроме того, окончательный расход зави-
сит от толщины завесы, устанавливаемой приблизнтель-
165
но При одинаковом качестве работ тонная завеса про-
пустит больше воды, чем толстая
Напротив, изменение пьезометрических уровней, опре-
деленных в соответствующим образом выбранных ме-
стах. позволяет оценить качество работы (Р Шачессон.
1962)
В качестве примера рассмотрим протнвофнлырацнон-
н\ю завесх в основании плотины (рис 14-14)
Запишем, что расход воды через различные сечения
потока одинаков До начала работы, обозначая пьезо-
метрические уровни А, В, С и т д., имеем.
В - kS— =
1 1 ( е tn
После выполнения работ (рис. 14-14, б) аналогично-
запишем: '
М, _ * S
1 1 I е * * т
Разделив почленно первое уравнение на второе, по-
лу чим:
А—В k Et- Et C — D
А'-В' “ k' ‘ = C'-D'-
откуда
Л A—В E'i — E2 C—D
K ~ k' A'— B' Ei —Et C' — D' * Ei— Ei'
Отношение R. которое соответствует отношению сред-
них величин проницаемости в зоне завесы до и после
инъекции, и является коэффициентом качества, посколь-
ку не имеется данных о начальных и конечных величи-
нах проницаемости.
Интересно отметить, что величина R получена только
по пьезометрическим замерам. Коэффициенты фильтра-
ции k\ и /?2, а также соответствующие сечения и S2 и
S в уравнении не участвуют Это тем более хорошо, что
никакие данные разведки не дали бы цифровых величин
искомой точности.
Для определения коэффициента R применяются обыч-
но пьезометрические замеры С и D за завесой, которые
легко получить. Опыт, одна ко, показывает, что в этой
зоне поток грунтовых вод изменен за счет поступления
воды со скальных берегов. Чтобы избежать таких влия-
ний на результаты измерений, следует расположить
166
пьезометры вблизи завесы таким образо, , чтобы иска
жен не за счет бокового притока не сказалось на резуль-
татах замеров. Это позволяет, кроме того, разместить
пьезометры в параллельном потоке, что необходимо при
применении третьего уравнения.
Например, на рис. 14-15, где показаны результаты та-
ких замеров, видно, что коэффициент R отлично харак-
теризует ход работ.
Если речь идет об укрепительной инъекции, контроль
за качеством работ производится испытанием домкрата-
ми или ммкросеисмкчсскими методами. До начала
500Vk Конец инъенции^
Объем заинъентиро-
Ранного раствора^3
Рис. 14-15. Инъекция аллювиальных грунтов
прн выполнении зуба плотины. Изменения в
процессе работ и после нх окончания (мате-
риалы фирмы Солетанш).
kpi-i — отношение начальной проницаемости к
кажущейся проницаемости в момент исследо-
вания.
инъекции производят серию измерений, определяющих
начальное состояние грунта. Чаще всего в качестве эле-
мента сравнения берется модуль упругости, который,
однако, трудно бывает определить.
После работ проводят повторные измерения Домкра-
ты должны быть расположены в тех же местах, сейсмо-
графы н взрывные заряды микросейсмнческих исследо-
ваний также. Если это условие легко удовлетворить от-
носительно сейсмографов, то с домкратами дело обстоит
сложнее. Кроме того, они должны размещаться во мно-
гих местах. Так как поверхность грунта \крепить инъек-
цией трудно, приходится проводить измерения из гале-
167
рем. Это осложняет исследования и приводил обычно
к том}, что ограничиваются микросейсмнческнмн мето-
дами измерений. Эти измерения дают менее точные ре
зультаты, чем замеры домкратами, поэтому они позво
ляют получить лишь общее представление об эффектив-
ности обработки. Опыт показывает, что эти замеры, на
первый взгляд весьма простые, должны выполняться ква-
лифицированным персоналом, в противном случае ре-
зультаты могут оказаться ошибочными.
Сравнение ведется по скорости распространения волн
в грунте. Но чаще предпочитают рассматривать модуль
упругости, рассчитанный по скоростям распростране-
ния воли.
Рис 14-16 Испытания домкратом, выполненные
в трещиноватых скальных породах до и после
инъекции. Усилия перпендикулярны н .шла сто-
ваиию.
1 — после инъекции, 2 — до инъекции.
Констатируется, что чем ниже качество грунта, тем
эффективнее результаты инъекции. Например, относи-
тельно легко изменить модуль упругости Е с 50000
до 200000 кгс[\см2 и весьма трудно увеличить его
с 200 000 до 250 000 кгс/см?
Здесь сталкиваются с таким же явлением, как и при
обеспечении водонепроницаемости Чем хуже грунт, тем
его легче обрабатывать. Поэтому нельзя характеризо-
вать качество обработки по отношению модулей до и по-
сле инъекции. Следует сравнить конечный модуль с мо-
дулем крепкой скальной породы, который представляет
собой практически недостижимый предел. Проведение
168
такого контроля показывает, что инъекция дает удиви-
тельные результаты
Рисунок 14-16 не нуждается в комментариях. Вероят-
но, однако, что результаты инъекции окажутся лучше
указанных, так как для проведения испытаний домкра-
том после инъекции в том же месте перед инъекцией
испытательную камеру заполняли песком. Многочислен-
ные выходы раствора из-за этого не позволили провести
здесь достаточно удовлетворительную обработку.
Такое испытание, проводимое из галереи, было до-
полнено замерами микросейсмическим способом, кото-
рые показали, что местами теоретический модуль уве-
личивается с 50000—60000 до 150000 и с 125000 до
140 000- 170 000 /сгс/сти2.
Конечная величина практически не зависела от на-
чального значения модуля.
Модуль ненарушенной скалы составляет 400000—
500 000 кгс/ся?.
Эти величины значительно больше полученных в ре-
зультате работ по консолидации, хотя давление при
инъекции достигало 80 кгс/см1. В этом частном случае
наблюдается совпадение результатов, полученных по за-
мерам домкратами и микросейсмическими методами.
Однако так бывает не всегда. Тем не менее это не имеет
большого значения, так как речь идет о сравнении ре-
зультатов, полученных до и после инъекции.
Глава пятнадцатая
ОПЫТНАЯ ИНЪЕКЦИЯ
Опытная инъекция позволяет выбрать метод произ-
водства инъекционных работ в соответствии с действи-
тельными характеристиками грунта. Опытная инъекция
целесообразна для определения расстояния между сква-
жинами противофильтрационной завесы в скальных по-
родах, менее ясны, как будет показано ниже, резуль-
таты при инъекции аллювия.
Приходится сожалеть, что условия инъекции не поз-
воляют, например, определять приток в котлован при
постепенном ограждении его одним, двумя илн тремя
рядами заинъектнрованных скважин. Тогда можно было
бы безошибочно определить наилучший метод. Но по-
169
скольку это не так, приходится удовлетворяться описан*
нымн далее испытаниями, являющимися лишь грубой
проверкой, и только попытавшись возможно более ло-
гично обработать результаты опытов, можно ликвидиро-
вать ее демонстративный характер
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ СКВАЖИНАМИ
В СКАЛЬНЫХ ПОРОДАХ
Определение оптимального расстояния между сква-
жинами в данном месте может производиться только
прн инъекции пропиткой Поэтому нецелесообразно про-
Рис 15*1 Опытная инъекция в
bj ткЗннческнх скальных породах
(материалы фирмы Солетанш)
Удельное водопоглощение пзмеря
лось прн да илсини 10 ат
водить такие опыты в ал-
лювиальных грунтах, где
инъекция всегда вызывает
разрывы. Легко понять,
что если все пустоты не
могут быть заполнены, то
опыт ограниченного мас-
штаба может привести к
ошибочным выводам
Такие испытания со-
всем не обязательны.
Обычно опыт аналогич-
ных работ достаточен для
определения априори ве-
личины расстояния между
скважинами Испытания
могут быть целесообраз-
ными, если изменяются
обычные величины давле
ния отказа (А Т. Литтл
(А Т Little), Д. К Стю-
арт (D С. Stewart),
П Д Фук (Р. D Fookes),
19631.
Когда проектируется
протнвофилы рацио иная
завеса из одного ряда
скважин, опробование за-
ключается в ииъекцин
двух соседних скважни н выполнении между ними конт-
рольной скважипы.
Сравнение результатов гидравлических опробовании
трех скважин, а также величии поглощений рас шора
170
Покажут. в каком направлений должно быть изменено
выбранное расстояние между скважинами Приведем
два примера. Первый (рис. 15-1) относится к инъекции
вулканических пород Скважины № 1 и 2 расположены
через 6 м. Несмотря на такое небольшое расстояние.
Рис. 15 2. Опытная инъекция в сниьно трещиноватом
известняке (материалы фирмы Солетанш)
I — выходы на поверхность, 2 — потери воды при буре-
нии 1 — водопоглощеиме; I — поглощение цемента
в контрольной скважине отмечаются относительно боль-
шие поглощения в верхней и нижней зонах. Завеса была
выполнена при расстоянии между скважинами 3 .и.
Во втором примере при инъекции сильно трещинова-
тых известняков (рис. 15-2) опробование пришлось про-
должить нз-за значительных поглощений в скважине«4.
Интересно отметить, что необычно высокие поглощения
1П
не распространялись на большею тощадь. поскольку
отмечались выходы на поверхность во время инъекции
соседних скважин, особенно № I.
В результате опытной инъекции для основной заве-
сы было принято минимальное расстояние между сква-
жинами 4 м (вместо 5 л) и для глубоких береговых уча-
стков завесы 7,5 м (верхние 15 м обрабатывались сква-
жинами через 3,75 лг). Эти расстояния позволили полу-
чить удовлетворительною водонепроницаемость.
Следует отметить, что средняя величина поглощения
по завесе составила около 150 кг цемента на 1 м сква-
жины, что никоим образом нс соответствует результатам
опытных работ. Это характерное явление, которое объяс-
няется постепенным насыщением грунта по мере выпол-
нения цементации.
Примеры показывают, насколько интерпретация
опытной инъекции скорее субъективна, чем научна. По-
этому необходимо обладать опытом инъекционных работ,
чтобы ие допускать ошибочных выводов.
Водонепроницаемость трещиноватой скалы обычно
обеспечивается одним рядом скважин, но если по ка-
ким-либо соображениям предусмотрены два ряда, то сле-
дует провести опробования треугольного фрагмента,
представляющего собой элементарную ячейку завесы.
Инъектируют три скважины, расположенные в верши-
нах равностороннего треугольника. Контроль произво-
дится через скважину, пройденную в центре тре-
угольника.
ОПЫТНАЯ ИНЪЕКЦИЯ В АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГРУНТАХ
Противофильтрационные завесы в аллювиальных
грунтах, образованные инъекцией одного ряда скважин,
встречаются крайне редко. Как правило, это бывают
временные устройства, предназначенные для снижения
значительных фильтрационных расходов. Такая инъек-
ция имеет целью пропитать лишь сильно проницаемые
слои, для того чтобы устранить основные течи. Конеч-
ная проницаемость завесы зависит в этом случае только
от количества незаинъектированных слоев и их водо-
проницаемости.
Иногда (очень редко) результаты могут оказаться
превосходными. Работы проводятся по обычным прави-
лам, и вместо опытной инъекции лучше выполнить тща-
тельные изыскания. Действительно, интерпретация опы-
172
топ невозможна из-за систематического ограничения ко-
личества нагнетаемого раствора и малой ценности испы-
таний по Лефранку
Для устройства противофильтрационной завесы не-
большой проницаемости следует предусматривать два
ряда скважин и возможность раз-
мещения третьего против зон, труд-
ных для обработки Имеется в ви-
ду, что инъекция осуществляется
одновременно пропиткой и разры-
вами. Именно с учетом разрывов
следует устраивать широкую за-
весу.
В этом случае можно провести
опытные работы. Но сразу возни-
кают трудности контроля. Ес-
ли контрольная фильтрационная
скважина выполняется по оси за-
весы, условия опыта не будут со
ответствовать реальным, поскольку
с обеих сторон от скважины нахо-
дится лишь половина, а не вся
толщина завесы. Этого можно из-
бежать, лишь окружив скважину
полной завесой. Опыт тогда стано-
вится сложным и не всегда оправ-
дывается.
Только при устройстве весьма
широких завес можно легко и ус-
пешно осуществить такие опыты.
Значительная толщина завесы при
этом объясняется не трудностями
инъекции, а условиями проекта, на-
пример необходимостью снизить
Рис 15-3 Контроль
пая откачка из сква-
жин на опытном уча-
стке Асуанском пло-
тины (материалы
фирмы Солетанш)
1—мелкозернистый пе-
сок 2 — контрольная
фильтрационная сква-
жина; 3 — инъекцион-
ные скважины
градиент напора потока, пересекающего завесу
Тогда становится возможным оценить качество обра-
ботки, устроив скважину или выемку посреди завесы
Вокруг скважины остается достаточно хорошо обрабо-
танный грунт, и контроль будет показательным
Подобные опыты были проведены при строительстве
Асуанской плотины на р. Ниле (рис. 15-3) и плотины
Серр-Понсон на р. Дюране (рис. 15-4—15-7).
Такие опыты стоят очень дорого к оправданы лишь
в случае исключительно важных работ. Это одна из при-
173
чин, по которой такое значение придается опыту нпъек
тнровщика Многочисленные работы, в той или кили сте-
пени увенчавшиеся успехом. научили его приспосабли-
ваться каждый раз к особенностям грунта, дня того что-
бы обработать его надлежащим образом. Новые опыты
ему уже не нужны Оин могут служить лишь для демон-
страции [А. Скемптон (A Skempton). П Каттнн (Р Cat-
lin), 19ЬЗ|
ПРОХОДКА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В ЗАИНЪЕКТИРОВАННОЙ СРЕДЕ
Выполнение шурфов, шахт и т. п. позволяет понять
различные процессы инъекции. Они весьма полезны,
однако не следует забывать, что часто бывают ошибоч-
ные заключения Некоторые показатели, такие, как об-
рушение стенок, небольшая фильтрация воды, могут во-
преки действительному положению привести к мысли
о том, что обработка проведена плохо. Интерпретация
результатов, следовательно, сложна.
Выемки в заииъектированной трещиноватой скаль-
ной породе не представляют никакого труда, даже если
эта скальная порода не очень прочная, например с со-
держанием рыхлых песчаников. То же самое можно ска-
зать о песчаных и гравелистых грунтах, закрепленных
раствором, пропитывающим все поры Следует тем не
менее быть более осторожным, чем в предыдущем слу-
чае, поскольку могут встретиться пласты плохо обрабо-
танного мелкозернистого песка, в которых возможна
суффозия.
Напротив, проходка глубокой выработки в противо-
фильтрациопной завесе, созданной в аллювии обычной
инъекцией, может быть очень опасной. В этом случае
инъекция сопровождается разрывами и слон пропитыва-
ются менее прочным раствором Поэтому можно опасать-
ся значительных обрушений стенок и суффозии.
Практика показывает, что иногда удавалось выпол-
нять подобные выработки. Однако все они были окру-
жены значительной толщей заинъектпрованною грунта,
равной примерно глубине котлована
Исключительно интересные результаты дал контроль
за инъекцией основания плотины Серр-Попсон на
р Дюране [Р Мэгр, (R. Maigrc), 1955].
После первой оньипон инъекции были выполнены два
колодца сечением 2,50 x 2,50 н глубиной 11 м, располо-
174
жеиные d двух углах квадрата со стороной 12 м, ограж-
денного пересекающимися сваями, внутри которого была
выполнена инъекция (рис 15-4)
Благодаря пересекающимся сваям и большой шири-
не заинъсктированиого участка, эти колодцы можно бы-
ло выполнить без особых предосторожностей. Однако
когда потребовалось проконтролировать результат инъ-
екции на глубине 30 м, т е. ниже основания свай, при
Рис. 15-4. Наблюдения за пер-
вой опытной инъекцией на пло-
тине Серр-Понсон (материалы
фирмы Солетанш).
1 — ограждение из пересекаю-
щихся свай; 2 — смотровой ко-
лодец; 3 — колодцы, пройден-
ные с креплением.
Рис 15-5 Колодец для
осмотра заняъектирован-
иого аллювия и а плоти-
не Серр-Понсон
1 — ограждение из пере-
секающихся сваи. 2 —
смотровой котодец с от-
верстиями, 3 — скважина,
оборудованная фильтром,
4 — скала.
шлосъ бурить с раствором скважину диаметром 1.30 и
и оборудовать ёс металлической трубой диаметром 1,10 к
(рис. 15-5). Труба была снабжена 15 отверстиями, рас-
пределенными равномерно по всей ее высоте, и закрыта
снизу.
Отверстия закрывалось съемными пробками. Подъем-
ник позволял исследовать запнъектированный грунт, на-
ходящийся против каждого отверстия (рис. 15-6).
175
После второй опытной инъекции ограничились устрой-
ством шахты сечением 2,50 X 2.50 м. аналогичной преды-
дущей Шахта располагалась в центре заинъектирован-
ного массива размером 32 X 18 ми заглублялась на
8—9 м ниже уровня грунтовых вод (рис 15-7). Условие,
о котором говорилось выше, было, таким образом, со-
блюдено
Рис 15-6 Вид заинъектированного
8Х1ЮВКЯ Фото сделано против од-
ного из отверстий смотрового колод-
ца на плотине Серр Понсон (фото
фирмы Солетанш)
Рис. 15-7 Наблюдения
за второй опытной ннъ
екциен на плотине Ссрр
Понсон
I — первый опытный уча-
сток, Т — фильтрационная
скважина, 3 — контроль-
кам шахта.
В этом случае достаточно измерить расход откачки
выработки, чтобы определить пбрядок величин прони-
цаемости заинъектированного грунта. Толщина обрабо-
танного участка достаточно велика, чтобы можно было
сделать такой расчет Однако это предполагает, что по-
ступление воды из верхних плохо обработанных слоев
может быть устранено Это очень трудно выполнить и
часто проще оказывается провести откачку из соответ-
ственно оборудованной скважины
I ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
I РАСТВОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Глава шестнадцатая
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ
Материалы, применяемые для инъекции, в зависимо-
сти от се назначения должны быть твердыми и иметь
необходимую механическую прочность нли достаточную
вязкость и структурную прочность, чтобы не выдавли-
ваться под воздействием напора воды. Кроме того, не-
обходима устойчивость против агрессивных вод.
Сам же процесс инъекции требует использования
жидкостей с малой вязкостью и структурной прочностью,
легко проникающих в грунт. Радиус действия при этом
увеличивается, продолжительность инъекции сокращает-
ся, уменьшается количество скважин, что в итоге отра-
жается на общей стоимости.
Материалы, отвечающие этим требованиям, ие слиш-
ком многочисленны, особенно если приходится отказы-
ваться от дорогостоящих, хотя и вполне подходящих
продуктов, таких, как некоторые синтетические смолы
Бодемулсн (Beaucicmoulin) в 1827 г остановки свой
выбор на достаточно жидком растворе с большим содер-
жанием цемента и извести До начала XX в. удовлетво-
рялись суспензиями цемента в воде. Такие суспензии це-
мента одновременно имеют преимущества и создают за-
труднения из-за своей нестабильности. Как только пре-
кращается перемешивание раствора, частицы начинают
осаждаться. Такне растворы можно использовать не для
всяких работ. Поэтому пришлось разрабатывать ста
бильные суспензии, что способствовало дальнейшее раз
витию инъекционных работ.
В некоторых случаях, при мощных потоках воды в
трещинах либо, наоборот, при весьма мелких песках, этн
материалы для инъекции не годятся Тогда приходится
применигь более дорогие материалы' горячие битумы.
1П
битумные эмульсии, химические продукты, которые ве-
дут себя, как истинные жидкости, а не как суспензии.
Ннъектнровщик располагает большим количеством
растворов, получаемых варьированием пропорций не-
скольких основных элементов* цемента, глины, песка,
силиката или битума, используемых в отдельности или
в совокупности. Все искусство состоит в том, чтобы
применить в нужный момент наиболее подходящий
раствор.
Почти никогда нельзи хорошо сделать работу только
одним раствором Знание свойств различных растворов
необходимо для правильного выбора. Для этого исполь-
зуют методы и приборы, о которых здесь будет кратко
сказано, затем будут приведены свойства различных
растворов
Мы извиняемся перед читателем за то, что не можем
представить вполне равноценные сведения, так как неко-
торые растворы из\чались с точки зрения вполне опре-
деленных свойств. Это связано с требованиями практики,
которая привела к необходимости вести исследования,
далекие от систематического изучения.
С точки зрения чистой науки надо еще много сде-
лать. К счастью, недостаточная разработка вопроса не
помешала созданию превосходных сооружений, приме-
ры которых будут даны ниже.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ
Для получения нужного инъекционного раствора про-
водят лабораторные нсследовання. Определяется точное
соотношение различных составляющих, входящих в рас-
твор. Такие исследования следует проводить для каж-
дой новой стройки Например, изменение качества воды
может полностью преобразовать данную смесь Прихо-
дится корректировать или даже заменять ее состав.
Лабораторные исследования основаны на измерениях,
например, сопротивления сжатию, усадки и водопро-
ницаемости.
Хорошее сопротивление сжатию необходимо только
для заделки анкеров и некоторых укрепительных работ.
Но даже в этих случаях можно удовлетвориться отно-
сительно небольшими величинами. Раствор, откладываю-
щийся в виде тонких прослоек, может выд< рживать зна-
чительные нагрузки, не разрушаясь Он скорее выпод-
178
няет роль расклинки между выдерживающими нагруэ-
к) частями, чем тела, которое несет ее само
Для временных противофильтрационных завес могут
использоваться растворы практически с нулевой проч*
ностью. Наличие большой вязкости достаточно Это
случай горячего битума, охлаждаемого а грунте. Нодля
постоянных сооружений растворы должны обладать
прочностью структуры, чтобы через несколько лет их
не вытеснило давление воды
Измерения водопроницаемости проводятся только в
начальных исследованиях раствора Когда в результате
этих исследований природа раствора определена, их
больше нс делают. Водопроницаемость обычно слиш-
ком незначительна, чтобы стоило ею заниматься. Прак-
тически это же относится и к усадке, так как заинъек-
тнрованныс материалы находятся в форме тонких пла-
стинок, заполняющих трещины, или массы, разделен-
ной жестким скелетом, например частицами гравия или
песка. Если усадка и произойдет, она будет пренебре-
жимо малой величины, однако в связи с тем что инъек-
ция почти всегда ведется при наличии контакта с во-
дой, усадки не происходит. Влияние усадки иногда ис-
следуется при изучении растворов, предназначенных для
заделки анкеров.
Напротив, измерения вязкости, прочности структу-
ры 1 и водоотделения проводятся систематически при ис-
следовании любых сложных растворов. Они могут про-
изводится совершенными лабораторными приборами или,
наоборот, простыми приборами, легко применимыми на
стройке. Последние представляют затруднения, в том
смысле что они не дают результатов, отвечающих физи-
ческим величинам, например, вязкость и прочность
структуры не могут быть разделены, но это весьма не-
значительное неудобство, поскольку измерения, прово-
димые на строительной площадке, ближе к действитель-
ному положению, чем лабораторные измерения
1 Термином «прочность структуры» (rigidite) обозначаются
здесь свойства растворов, о отечественной литераторе характер»*
зуемые обычно величиной статического нанрнженпя сдвига, однако
«прочность структуры», как видно из дальнейшего, имеет более ши-
рокий смысл. (Пр п меч. пс рев)
179
ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ1
Для этих измерении мог>т быть использованы два
типа вискозиметров; вискозиметр, основанный па прин-
ципе истечения, и вискозиметр с коаксиальными ци-
линдрами.
Вискозиметр с дв\мя коаксиальными цилиндрами
Куэт-Хатчека (Couette-Hatschek, 1932) (рнс. 16-1) позво-
Рпс 16-1 Прин-
ципиальная схе-
ма вискозимет-
ра с коаксиаль-
ными цилинд-
рами.
Рнс IG-2 Изменение тиксо-
тропии цемента.
ляет получить по точкам кривую, показывающую откло-
нения внутреннего цилиндра в зависимости от числа
оборотов внешнего М. Пападакис (М. Papadakis, 1955)
усовершенствовал этот прибор, снабдив его полуавтома-
тическим регистратором. Это единственный вискозиметр,
который позволяет определить и вязкость, н структур-
ную прочность пластичной жидкости типа бингамовоп.
Он позволяет также определить тиксотропию раствора
(рис. 16-2)
1 Существуют формулы, в частности формула Эйнштейна, даю-
щие вязкость суспензий в зависимости от их концентрации. Эти
формулы соответствуют сильно разбавленным суспензиям н не под-
ходят для инъекционных растворов, которые, как правило, являют
ся концентрированными суспензиями.
180
Вискозиметр Стормера, используемый для измерения
характеристик буровых растворов, представляет нечто
среднее между вискозиметром с коаксиальными цилинд-
рами и вискозиметром, работающим на истечение Из
мерсннс производится определением веса, необходимого
для приведения в движение смесителя со скоростью
600 обIмин Этим прибором
а) Функция Вязкости
16-3. Внскозямстры-воронкн, рабо-
Рис. 16 4 Изменение вяз-
тающне на истечение
кости в зависимости от
Q — конус Марши, б — конус Мека-
соль; в — конус Препакт
Вискозиметры, работаю-
щие на истечение, являются
обычными градуированными
воронками. Измерение про-
использусмой воронки
1 — конус Марша (1,5 л),
2 — конус Марша (1 л),
3 —конус Мекасоль (пол-
ный). 4 — конус Мекасоль
(1,5 л); 5 —конус Мека-
соль (1 л), в-конус
Препакт (полный). 7 —
конус Препакт (1 л)
изводится замером времени истечения заданного объема
раствора. Результат в этом случае зависит одновремен-
но от вязкости, прочности структуры и плотности рас-
твора. Однако если этот метод не имеет ничего общего
с физикой, то он вполне согласуется с практикой, по-
скольку хорошо определяет возможность течения рас-
твора.
В зависимости от консистенции растворов можно
применять ту или другую из перечисленных ниже во-
ронок (рис. 16-3) *:
♦ В СССР обычно используют стандартный полевой вискозн
метр СПВ-5 с отверстием 5 мм (Примем п е р е в)
181
воронка Марша, используемая для буровых раство
ров. имеет отверстие диаметром 5 му,
воронка Мека соль с отверстием 6 мм,
воронка Препакт с отверстием 14 мм.
Обычно загружаемый объем составляет I л (1,5 л
с верхом) Таким образом, имеются большие возмож-
ности для измерения, однако результаты непосредствен-
но не совпадают К Карон (1952) установил соотвстст
вующне кривые, причем для воронки Мека соль с объе-
мом 1.5 л принята прямая (рнс 1Ь-4) Вероятно, эта
корреляция не подходит для всех растворов, однако
она может дать представление о разнице, существующей
между воронками Укажем, что состояние < поверхности
воронки и особенно сопряжение с соплом имеют весьма
важное значение для результатов. Именно воронки при-
меняются на строительных площадках.
Для определения вязкости растворов после схваты-
вания прибегают к реологическим методам, описание
которых выходит за рамки данной работы. Напомним
лишь, что один из них заключается в воздействии по-
стоянным одноосным сжатием на образец с замером
высоты образца во времени.
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СТРУКТУРЫ
Как было сказано, вискозиметр с коаксиальными
цилиндрами и вискозиметр Стормера позволяют изме-
рять в лабораторных условиях прочность структуры.
К ним можно добавить измеритель Бу ркарта — Флорен-
тина — Романовского (Bourcart — Florentin — Romanow-
sky, 1948) Это тоже весьма сложный прибор, поэтому
проще применять пустотелое цилиндрическое градуиро-
ванное тело1, глубину погружения которого измеряют.
Результат зависит от плотности раствора, величина ко-
торой должна быть точно известна
В качестве примера приведем использование стеклян-
ной мензурки диаметром 1,4 см и весом 32 г. Раствор
считается инъектируемым, если погружение менее 5 си
Для раствора с погружением между 7 и 9 см можно
определить потерю напора 5 кгс/см2 при движении в тру-
бе диаметром I" и длиной 100 м
1 В СССР иногда применяют рифленую пластинку (При
перев)
На другой строительной площадке при инъекции ко-
лонны диаметром 10 см и длиной 10 ж, заполненной гра-
вием с диаметром частиц 30 мм, получены потери на-
пора 9 кгсрсм2 при инъекции раствора, погружение мен-
зурки в который составляло 5 см
Опыт показывает, что раствор иеинъектируем. если
его текучесть, измеренная конусом Препакт, превышает
Рис 16-5. Влияние
концентрации n.i
вязкость и.
Удельная поверх-
ность цемента:
X — « — 2730 СЛ2/г;
4- — s — 3010 сж’/г;
ф — s " 3120
Q — < - 3380 смЧг.
Рис. 16-6 Влияние
концентрации на
сопротивление сре-
зу. Обозначения
см. на рис 16 5.
16 сек. Это относится к некоторым цементам при
ЩВ = 2/1 + 2,3/1.
Подобные растворы были изучены М Пападакнсом
(1955- 1959), который определил их вязкость н струк-
турную прочность. На рис. 16-5 и 16-6 показано, что эти
две величины являются функциями величины Ц/В Из
измерений следует, что вязкость суспензии на пределе
попнъектпруемостн составляет приблизительно от 0,8 до
1,5 пз, а прочность структуры от 60 до 150 дин'см\
183
Горячий битум, не имеющий структурной прочности,
однако обладающий вязкостью порядка нескольких пуаз,
относительно легко инъектлруется. Из этого можно за-
ключить, что именно структурные свойства раствора сни-
жают инъектнруемость Теория движения структурных
жидкостей позволила предугадать это положение. Поэто-
му можно улучшить раствор, снижая величину струк-
турной прочности. Измерение прочности структуры, не-
смотря на то, что оно сложно, представляет определен-
ный интерес.
Измерение прочности структуры после схватывания
раствора производится двумя различными способами в
зависимости от ее величины.
При больших величинах структурной прочности, на-
пример, у глино-цементных растворов, изготавливают ку-
бические или цилиндрические образцы, раздавливаемые
под прессом. Величина прочности на одноосное сжатие
характеризует прочность структуры. Для раствора без
угла внутреннего трения эта величина удваивается.
Если прочность структуры незначительна, как в ге-
лях, например, используют небольшой прибор для испы-
тания на срез, аналогичный прибору Казагранде. Тогда
в качестве величины прочности структуры принимают
срезывающее усилие, которое соответствует началу быст-
рого вращения шкива.
ИЗМЕРЕНИЕ ВОДООТДЕЛЕНИЯ
Под водоотделением понимают выход воды, образую-
щейся на поверхности суспензии вследствие оседания ее
частиц. Для густых растворов испытания проводятся пу-
тем заполнения мерной емкости. Время от времени
емкость наклоняют, чтобы удалить воду, появляющуюся
на поверхности, и взвешивают ее.
Для жидких растворов такой способ не подходит, так
как можно вместе с водой вылить часть раствора. Поэто-
му приходится заполнять раствором мензурки емкостью
1 л, например, и отмечать высоту отделившейся воды по
истечении некоторого времени. Поверхность разделения
вода — раствор обычно весьма четкая. На этот опыт, фи-
зический смысл которою не выявляется непосредственно,
влияют структурные и тиксотропные свойства суспензии.
Некоторые рассматривают его как определение возмож-
ности размывания раствора, однако цементное тесто
W
с Очень незначительной величиной водоотделбиия размы-
вается Напротив, можно приготовить малоразмываемые
растворы с заметным водоотделением. Этот опыт пока-
зывает, что техника инъекции — исключительно экспе-
риментальная техника.
Седиментация в качестве физического явления —
очень сложный процесс. Законы, которым она следует,
Рис. 1С-7 Влияние
наклона и формы со-
суда на седимента-
цию суспензии.
Рис. 16-8 Влияние высоты мен-
зурки на водоотделеине различных
глино-цементных растворов
1 — ЦА-200, Г-320, Т — 32 С€Х; 2 —
ЦА-300, Г-350, Т=*=34,6 сех; 3 —
ЦА-250, Г-370, Т=36,7 сек; 4 —
ЦВ-280, Г-370» Т-39 Сех; 5-ЦВ-300.
Г-380, Т-40 сек
изучены мало. Бойкот (Boycott, 1920). изучая седимен-
тацию красных кровяных телец, констатировал, что она
увеличивается при наклоне пробирок. Кянозита (Kinosi-
ta, 1949), повторив эти опыты, нашел, что наклон стенок
сосуда давал в некоторых случаях аналогичный эффект
(рис. 16-7).
Понятно влияние диаметра мензурок на величину се-
диментации; менее ясно влияние высоты слоя раствора
С увеличением высоты увеличивается и высота слоя сво-
бодной воды, но его отношение к начальной высоте
уменьшается, в то время как можно ожидать, что оно
будет постоянным (рис. 16-8). Очевидно, это связано
с увеличением прочности структуры. Мы вернемся к это-
му явлению при рассмотрении нестабильных растворов.
Поэтому следует всегда проводить опыты при одина-
ковых условиях и использовать, напрнмер, лишь мензур-
ки емкостью 1 л. Во всяком случае, результаты лабора-
185
торных измерении не имеют ничего общего с тем, что
действительно происходит в грунте. Они служат лишь
средством сравнения.
ВЛИЯНИЕ СЕДИМЕНТАЦИИ
Относительное увеличение седиментации с уменьше-
нием высоты раствора имеет исключительно важное зна-
чение для инъекции, когда высота пустот, которые дол-
жны быть заполнены раствором, около I мм
Известно, что стабильные растворы имеют относи-
тельную стабильность, именно такую, которая необходи-
ма для их инъекции. Часто думают, что и\ небольшой
величиной водоотделения можно пренебречь при высоте
раствора в несколько миллиметров, а иногда даже мень-
шей. Однако, как было сказано, происходит как раз об-
ратное. При столь малых высотах седиментации количе-
ственный лабораторный анализ практически невозможен.
Остается удовлетворяться лишь качественным. На
рис. 16-9 показан эффект седиментации классического
глино-цементного раствора, заинъектированного в стек-
лянные шарики диаметром 5 мм. Шарики специально
выбраны столь большого диаметра, с тем чтобы явление
проявилось яснее. Заметно, что возле каждого шарика
имеются небольшие изолированные трещины, заполнен-
ные водой Изолированность этих менисков не совсем
полная, поэтому возможна некоторая фильтрация воды.
Именно поэтому собственная проницаемость раствора
после его схватывания и не определяет проницаемость
заинъектированной среды Практика тем не менее по-
казывает, что, несмотря на это, пески и гравий после
инъекции имеют достаточно низкую проницаемость.
Иное происходит при инъекции стабильными раство-
рами горизонтальных трещин в скале. После схватыва-
ния раствора раскрытие трещин значительно уменьшает-
ся, однако всегда остается проход, через который может
фильтровать вода. Влияние этого прохода зависит от на-
клона трещин. Если необходимо его устранить, надо за-
кончить инъекцию нестабильным либо стабильным рас-
ширяющимся раствором. Седиментация раствора до
схватывания вызывает снижение содержания воды в
твердой фазе и вследствие этого увеличение прочности
структуры. Это явление хорошо известно при инъекции
аллювия и до сих пор его объясняли обезвоживанием
186
раствора, аналогичным обезвоживанию нестабильных
суспензии Если обезвоживание в некоторых случаях и
может свободно происходить, то оно не происходит, ког-
да раствор пропитывает мощные пласты Наблюдаемое
увеличение прочности структуры происходит тогда в ре-
зультате седиментации раствора.
Рис. 16-9. Седиментация глнио-цементио-
го раствора, заинъектированного в стек-
лянные шарики диаметром 5 ни
Черные точки -- след контакта шариков с
сосудом. Масштаб».! 1:1 и 5 • 1
Лабораторные опыты показывают, что после схва-
тывания и без обезвоживания прочность структуры рас-
твора, инъектнруемого в стеклянные шарики, значи-
тельно выше, чем у того же раствора, сохраняемого в
качестве контрольного в мензурке.
187
Многочисленные измерения, проведенные на образ-
цах заинъектированного грунта, отобранных при выем-
ке котлованов, показывают, что относительное сниже-
ние водосодержания или уменьшение объема раствора
до и после схватывания составляет 10—30%. Это еще
раз подтверждает, что коэффициент заполнения пустот
грхнта после схватывания составляет 70—90%. Такое
колебание связано с природой раствора и грануломет-
рией гранта.
Глава семнадцатая
НЕСТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ.
СУСПЕНЗИИ ЧИСТОЦЕМЕНТНЫЕ
И С ОТОЩАЮЩИМИ ДОБАВКАМИ
ЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ
Обычный цементный раствор нестабилен, при усло-
вии если цемент в достаточной степени растворен. Пре-
дельную степень растворения невозможно определить,
Рнс. 17-1. Водоотдсление различных растворов
= Продолжительность перемешивания
10 лмш.
1—15 —номера цементов.
поскольку она зависит от природы цемента. На
рнс 17-1—17-3 [Блаттер (С. Blatter, 1949)] показана ве-
личина водоотделевия 15 растворов разного состава.
188
Максимальное растворение */з, использованное в этих
опытах (I кг цемента на 3 кг воды), еще соответствует
концентрированному раствору, так как нередко приме-
няют растворы состава 1/10.
При таком избытке воды возникает вопрос как ве-
дет себя цемент и, в частности, соответствуют ли нор-
мам его схватывание и конечная механическая проч-
ность?
Рис. 17-2. Водоотделенне различных
растворов (Ц/В =: 1/2). Продолжи,
тельность перемешивания 10 мин.
1—15 — номера цементов.
При продолжении опытов Блаттер (1949) смог от-
ветить на первую половину вопроса (рнс. 17-4) Неко-
торые цементы даже при концентрации 1/1 не схваты-
ваются, н совершенно очевидно, что их не следует ис-
пользовать для инъекции.
Карон (1953) исчерпал проблему при исследовании
растворов для заделки анкерных тросов, изучая прибо-
ром Вика время схватывания 18 различных цементных
растворов состава 1/|10, оставленных для водоотделения
на 24 ч при общей высоте 45 см. Результаты приведены
в табл. 17-1, где даны высота осевшего цемента в про-
центах начальной высоты раствора; плотность этого
189
осадка и его прочность в 15-дневном возрасте, опреде-
ленная на образцах высотой, равной диаметру, сохра-
нявшихся под водой
Как и в предыдущем случае, некоторые цементы не
схватились, другие имели слишком замедленное время
схватывания Плотности были от 1.34 до 2. Если наи-
Рис 17-3 Водоот деление различных
растворов (1Z/B = Vs)» Продолжи-
тельность перемешивания 10 л««.
1—15 — номера цементов.
осадка (цемент В), то этого нельзя сказать о наимень-
шей плотности (I 250/615 и К). Прочности не связаны
определенной зависимостью с плотностями растворов
(табл 17-2).
Более того, некоторые цементы, которые считаются
превосходными для бетонов (J 250/015 и L 315/400), ие
схватились, в то время как два других типа цемента тон
же марки, ио менее качественные для бетонов (J 160/1250
и L 250/315), оказались одни — превосходным, второй —
190
Таблица 17 1
Цемент Высота осадка, к Схмтывдпке через сутки Плотность 4 Прочность Ясж и низ» расти 15 чн'й
д 14,4 Начало схватывания 1.41 4,8
В 8 Конец схватывания 2 42
с 250/315 11,1 Конец схватывания на
1 1,72 33
Начало схватывания на -у
D 230/315 18,9 Начало схватывания 1,36 3
Е 250/315 8.9 9 Конец схватывания на -уу 1,57 30
Е 160/230 8,9 Начало схватывания на -ур 1,60 22
Е 100/160 12 Конец схватываная на -у 1,50 15,6
3 Начало схватывания на -у-
F 250/315 17,8 Начало схватывания 1,44 4,8
В 250/315 20 То же 1.35 2,1
0 160/250 11,1 , I/ 1 1 Конец схватывания на -у-
1 То же 20
Н 250/315 12,2 9 Конец схватывания на ур
1,52 24
Начало схватывания на *цу
I 250/315 15.6 Начало схватывания 1.34 26
J 250/315 J 160/250 14,4 То же То же о 1»41 14.5
К 21,6 У Конец схватывания на “ур
1 —-
Начало схватывания на -jy
L 250/315 8.9 ,, 1 Конец схватывания на -у 1,76 75
То же
L 315/400 — Не схватился —
М 8.9 Конец схватыванк 1.97 50
191
йпОлнС приемлемым Это могло произойти за счет тбн
кости помола, которая была несколько большей в одном
случае, чем в другом Но такой довод совершенно не
удовлетворяет, так как иемент А, имея самы?! тонкий
помол, не обладал наи-
худшей прочностью
Можно понять все
эти аномалии н объяс-
нить их по крайней ме-
ре качественно, прини-
мая во внимание одно-
временно скорость осе-
дания частиц цемента
н увеличение прочности
структуры суспензии в
результате схватыва-
ния цемента. Если име-
ется быстр ©схватываю-
щийся цемент тонкого
т 2 3 Ч 5 С И14 9 8 11 1012715
Vе цемента
Рнс 17-5. Изменение струк-
турной прочности раствора
с ложным схватыванием
(Д/В = 1,7/1).
1 — ложное схватывание; 2—
схватывание истинное; з —
повторное перемешивание
Рис 17-4. Водоотделенне. сроки cxi»d
тываиия и прочность при сжатии раз
личных растворов
помола, схватывание остановит седиментацию. Твердый
остаток будет небольшой плотности и, следовательно,
малой прочности, поскольку для данного цемента проч-
ность пропорциональна плотности (упомянутая таблица.
192
нс подтверждающая, казалось бы. эту точку зреша, от-
носится к цементам различного качества)
Рассмотрим, например, раствор цемента Н 250/315
при консистенции 1,7/1. На рис. 17-5 показано язмеие-
ние структурной прочности этой суспензии в зависимости
от времени Этот цемент имеет четко выраженное лож-
ное схватывание, и если не нарушить его повторным пе-
ремешиванием перед инъекцией, осаждения частиц не
произойдет.
Для того чтобы показать это, используем уравнение
где D — диаметр частиц цемента в суспензии плот-
ностью d со структурной прочностью f [Фло-
рентин (Florentin), Л’Эрито (L’Heriteau),
1950).
В рассматриваемом случае имеем: d = 1,69; f =
= 2 кгс1см2 через 15 мин, откуда D = 76 мм
Таблица 17-2
Цемент
Плот-
ность d
Прочность
^сж*
MCfCM9
В 250/315
I 250/315
L 250/315
1.35
1.34
1J6
2
75
42
Вполне понятно, что при ложном схватывании ника-
кого отделения цемента не может произойти. Для уточ-
нения проблемы К. Карон изучил водоотделение этих
растворов при различной высоте седиментации.
Использовался один и тот же цемент и раствор имел
концентрацию 1,5/:1. Результаты даны на рис. 17-6 для
следующих трех случаев:
ложное ненарушенное схватывание;
ложное схватывание, нарушенное перемешиванием.
введение дефлокулирующей добавки, замедляющей
нормальное схватывание и устраняющей ложное схва-
гывание.
Дефлокулирующая добавка необходима для того,
чтобы водоотделение было пропорционально первона-
193
чальной высоте раствора Без дефлокулирующей добав-
ки потерн воды пропорциональны логарифму высоты
мензурки (см. рис 16-8) Результаты для трех начать
Рис 17-6 Водоотделенне рас-
твора цемента (Я/Вя 1Д/1)
в зависимости от высоты се-
диментации.
I — с добавлением дефлоку-
лянта: г — с нарушением
ложного схватывания. 3 —
без нарушения ложного
схватывания.
ных величин высоты раствора
сведены в табл 17-3.
Эти явления приводят к
большому разбросу величин
прочности осадка цемента Это
положение было уточнено ис-
пытаниями на раздавливание
образцов, отобранных после
схватывания в цилиндрах вы-
сотой 150 см (раствор обычный
н повторно перемешанный) и
высотой 30 см (раствор с деф-
локулирующей добавкой)
(табл. 17-4)
Вопреки ожиданиям рас-
твор с дефлокулирующей до-
бавкой дал наиболее разнород-
ные результаты. Возможно
следующее объяснение: седи-
ментация не была задержана
схватыванием цемента, круп-
ные частицы цемента скапли-
вались внизу, а более мел-
кие—наверху. Эти две категории частиц, вероятно,
были различны по химическому составу. Возможно так-
Таблица 17-3
Начальная высота, см Волоотлелснне,
Обычный раствор Раствор, переме- шиваемый через 15 MUH Раствор с дефлоку- лянтом
5 8 16 14
50 1.7 2,6 14
500 0,3 0,4 14
же, что дефлокулянт вызвал неравномерное замедление
схватывания крупных и мелких частиц.
Наконец, можно предположить, чго выбранный де-
флокулянт не соответствовал типу цемента. В табл, 17-5
194
Таблица 17-4
Рптмещснне образцов Прочность при раздав анмннн кдс/слГ1
обычный раствор повторно пе- ремешиваемый раствор раствор с лефлоку- ТМИТОМ
(лерху . . 85 115 20
В середине 150 160 65
Внизу 200 195 200
приведены водоотделення раствора из того же цемента
состава с добавлением и б^з добавления смачиваю-
щей добавки (первоначальный объем I л).
Таблица 17-5
Вид растворе Объем осадка, СМ9 Цементно- водное Отношение осадка Скорость седиментация
Приготовленный в сме- сителе 175 1.2,1 Быстро
Приготовленный вруч- ную 192 1,05/1 Медленно
С добавкой типа А . . 130 1.9 1 Очень медленно
С добавкой типа В 200 1.Ы Быстро
С добавкой типа С 375 0.45'1 Очень быстро
Три смачивающие добавки дают совершенно различ-
ные результаты. Этн опыты приведены, чтобы показать
сложность проблемы, а также возможность невольного
искажения опыта. Действительно, дефлокулянты упо-
требляются лишь для того, чтобы увеличить количество
цемента без ухудшения пнъектируемости раствора. Сле-
дует поэтому сравнивать растворы с одинаковом инъек-
тируемостью, а не с одинаковым составом Результаты
тогда будут совершенно иными.
Заканчивая этот раздел, напомним, что только схва-
тывание цемента может прервать седиментацию. Неко-
торое перемешивание с водой, омывающей заннъектиро-
ванный грунт, может привести к образованию продуктов
еще менее прочных, чем получаемые при ложном схва-
195
тыванин цемента Кроме сохранения частиц цемента во
взвешенном состоянии, раствор при этом еще к разжи-
жается и конечный продукт имеет ничтожную прочность
Блаттер (1949) пытался определить в лаборатории
влияние давления потока Полученные им результаты
мало отличались от результатов, связанных только с се-
диментацией. Водоотделение было почти таким же пли
Рис 17'7. Водоотделение различных
растворов (ЩВ~ 1/1), подверженных
воздействию давления потока (ср с
рис. 17-1).
1—15 — номера цементов
несколько большим, чем без учета влияния потока
(рис. 17-7) Однако использованное в опытах давление
инъекции около 0.5 кге/хм2 пренебрежимо мало по
сравнению с применяющимися в настоящее время на
стройках (несколько десятков кгсДсм2). Опыты с такими
давлениями еще предстоит провести, хотя они и не впол-
не соответствуют способу заполнения трещин. Извест-
но, что цемент откладывается в трещинах путем гидрав-
лического заполнения и что именно в результате паде-
ний давления, вызывающего декомпрессию грунта, уплот-
няется осадок. Чем выше инъекционное давление, тем
сильнее сжатие цемента. И. наоборот, цемент, заполняю-
щий скважины, подвержен значительному давлению по-
196
Рис. 17-8. Трещина в золо-
тоносном кварците, запол-
ненная портландцементом
(Р = 200 300 KtCjCM1, t =
» 50 — 60е С) Слева — де-
мент. справа — кристаллы
карбоната кальция.
тока. Оно должно оказывать заметное влияние На по-
ведение некоторых типов цементов, поскольку довозьно
часто отмечается, что после инъекции суспензии цемен-
та под давлением 50—60 кге/с.ч2 при разбуривании зо-
ны получаются керны из цемента Для того чтобы такие
керны не разрушались буровой коронкой, необходимо,
чтобы цемент получил неко-
торую прочность вскоре по-
сле его замеса
Имеет, следовательно,
место ускорение схватыва-
ния, которое может происхо-
дить лишь под воздействием
давления.
При инъекции жидких
цементных растворов всегда
происходит схватывание, од-
нако возможно, что при этом
сказывается влияние высо-
ких давлении. Чтобы уверен-
но ответить на этот вопрос,
следовало бы провести поле-
вые опыты, так как в лабо-
ратории трудно правильно
воспроизвести реальные ус-
ловия инъекция. Приведем
еще один пример воздейст-
вия давления и, возможно,
температуры- Во время инъ-
екции на большой глубине
при давлении около 200—
300 кгс^см2 и температуре
50—60°С в трещинах, запол-
ненных портландцементом,
были обнаружены скопления кристаллов карбоната каль-
ция (рис. 17-8). Ни природа грунтовых вод, ни характер
скальных пород не могли служить причиной образова-
ния таких кристаллов. Очевидно, это связано с влияни-
ем инъекционного давления. Оно еще плохо изучено, но
практика ежедневно подтверждает, что есть смысл при-
менять возможно большие давления.
Мы не хотим внушить читателю мысль, что инъек-
ция цементной суспензии всегда должна приводить
к образованию продукта с высокой механической проч-
197
ностью В основном прочность бывает избыточной. Тео-
ретическое подтверждение этого было приведено Прак-
тическое же подтверждение можно получить, используя
тощие растворы Однако бывает необходимо иметь рас-
творы с очень высокими прочностями, например при ан-
керовке троса или стального стержня. Такая высокая
прочность необходима только для тою, чтобы устранить
скольжение анкера при его натяжении. Если допустить
скольжение анкера в несколько сантиметров, стальные
стержни в скале можно надежно заделать заполнением
пространства между стержнем и стенками скважины пе-
ском. Это было доказано опытами Ф. Россе (F. Rosset)
н объясняется заклиниванием зерен песка между стерж-
нем и породой.
Изложенные результаты важны при подборе раство-
ра для анкеровки,
Рис 17-9 Прочность
на сжатие R.'* рас-
твора (П/В=1/1) в
раззнчиом возрасте
при увеличении коли-
чества заполнителя.
но не для повышения водонепрони-
цаемости и консолидации, когда вы-
сокая прочность не обязательна.
Для такой инъекции достаточно
схватывания цементного раствора,
несмотря на то, что он разжижен.
Испытания легко осуществить, и
можно считать, что разведенный
цемент, схватывание которого про-
исходит, например, более чем через
50 </, должен быть забракован.
РАСТВОРЫ С ОКУПАЮЩИМИ
ДОБАВКАМИ
Прн значительных поглощениях
можно снизить затраты на материа-
лы заменой цемента инертным по-
рошком, например мелкозернистым
песком. Такое замещение практиче-
ски не меняет инъектнруемостп рас-
твора, если гранулометрический со-
став замещающего материала сопоставим с грануломет-
рией цемента.
Систематических исследований с такими тощими рас-
творами не проводилось, поскольку практика показы-
вает, что они инъектнруются так же легко, как и рас-
творы чистого цемента. Однако несколько испытаний на
сжатие показали, что прочность весьма значительно из-
198
меняется при введении заполнителя. На рис 17 9 пока-
зано изменение прочности в зависимости от времени и
количснва заполнителя в растворе, содержащем одну
часть (по весу) сухого материала (цемент-,-песок) на
равную часть (по весу) воды.
Прочность снижается очень быстро при увеличении
количества песка. Как уже было сказано, это не имеет
большого значения.
Для приготовления тощих растворов можно также
использовать золу уноса тепловых электростанций или
добавку Кизельгура (Kieselguhr). Эти материалы имеют
частицы такого же размера, как и цемент Кроме того,
они обладают пуццолаиовым эффектом Это сущест-
венное преимущество, особенно когда располагают толь-
ко портландцементом для инъекции в грунтах с агрессив-
ными водами
Песок (с максимальной величиной зерен, напрнмер,
1 мм) довольно быстро оседает в нестабильных раство-
рах. Кроме того, очень быстро происходит износ инъек-
ционного оборудования, особенно насосов Поэтому та-
кие растворы используют редко
Глава восемнадцатая
СТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ. ЦЕМЕНТНЫЕ
СУСПЕНЗИИ С ВЫСОКОЙ КОНЕЧНОЙ
ПРОЧНОСТЬЮ
Стабильные растворы — это водные суспензии частиц
достаточно малых, чтобы за время инъекции не проис-
ходило заметной седиментации Суспензия коллоидаль-
ной глины — характерный тип таких растворов, посколь-
ку она не седиментирует, достаточно жидка дпя возмож-
ности проведения инъекции и обладает необходи-
мой структурной прочностью после инъекции Такне не-
сколько противоречивые свойства трудно получить
Это удается при обеспечении дефлокуляции коллоидов
либо путем добавления их в более крупнозернистые
материалы.
Раствор приобретает в связи с этим некоторую струк-
турную прочность, в результате чего улучшается устой-
чивость суспензии цемента, в которую может быть до-
199
бавлен песок коллоидное состояние определяется измб
рением прочности стр^муры и водоотделения.
Чисто глинистые растворы были первыми стабильны-
ми растворами. С тех пор произошли значительные из-
менения. Не соблюдая хронологического порядка, нач-
нем с цементных растворов.
Выше было сказано, что чем больше раствор содер-
жит цемента, тем меньше его водоотделение Очень
большое количество цемента, зависящее от его свойств,
позволяет полечить раствор с нулевым водоотделенисм.
Как правило, такой раствор неинъектируем. Однако об-
работав его одним из описанных ниже методов, можно
получить требуемые характеристики.
Обработка вызывает дефлокуляцию коллоида сус-
пензии Имея широкую область применения, эти раство-
ры в настоящее время все больше и больше использу-
ются. По определению Р. Л’Эрмита (R. L’Hermite, 1951)
их называют активированными растворами.
Вследствие большого содержания цемента активиро-
ванные растворы имеют высокую механическую проч-
ность Поскольку она обычно не является необходимой
при инъекции, можно рассматривать возможность сни-
жения количества цемента. Но тогда будет недостаточ-
ной активация раствора; получить стабильную суспен-
зию можно будет лишь добавлением коллоидов, напри-
мер силиката или бентонита. Эти продукты при добавке
в суспензию с большим содержанием цемента позволя-
ют получить раствор, аналогичный активированному.
Как видим, граница, разделяющая эти типы растворов,
неточна Растворы с добавками коллоидов употребляют-
ся мало. Они либо имеют слишком небольшую прочность
и слишком дороги, и тогда предпочитают активирован-
ные растворы, либо, напротив, имеют слишком высокую
прочность, и в этом случае удовлетворяются более эко-
номичными глино-цементными растворами. Поэтому та-
кие растворы изучены мало.
ЦЕМЕНТНО-БЕНТОНИТОВЫЕ РАСТВОРЫ
Реологические исследования этих растворов, прове-
денные в 1955 г. М. Пападакисом (рис. 18-1 и 18-2), по-
казывают, что добавление бентонита увеличивает вяз-
кость и сопротивление сдвигу цементных растворов при
постоянном отношении Ц/В. Такое увеличение тем более
заметно, чем плотнее начальные растворы.
200
Если сравнить растворы, имеющие одинаковое водо
отделение, можно заметить, что увеличение количества
бентонита уменьшает вязкость раствора (рис. 18-3), в
Рис. 18-1. Влияние содер-
жания бентонита на вяз-
кость и раствора при по-
стоянном количестве
воды.
& и м/см*
Рис 18-2. Влияние со
держания бентонита на
сопротивление сдвигу f
при постоянном количе-
стве воды
Рис. 18-4. Влияние со-
держания бентонита
на сопротивление
сдвигу [ при величи-
не водоотделення Q
Рис. 18-3. Влияние
содержания бенто-
нита на вязкость и
раствора при вели-
чине водоотделе-
ння Q.
то время как сопротивление сдвигу' проходит через мини-
мум (рис. 18-4). Это легко объясняется, поскольку бен-
тонитовые частицы, даже сильно растворенные, создают
201
Рис. 18-5 Влияние цемент-
но-водного отношения на
прочность при сжатии /?( *
цементных растворов с до-
бавкой бентонита
1 — 1% бентонита; 2 — 4% бен-
тонита.
структурную прочность Приведенные результаты пока*
зывают. что достаточно относительно небольшого коли-
чества бентонита для стабилизации цементных растворов,
так как струкпрная прочность увеличивается очень бы-
стро Количество бентонита зависит, естественно, от его
качества Например, для обычных портландцементов
4% бентонита с пределом текучести около 300% прибли-
зительно эквивалентны 2% бентонита с пределом теку-
чести окаю 550%
Это подтверждается исследованиями Дакссльхофера
(J Р. Daxelhofer, 1948). Испытанные растворы характе-
ризовались цементно-водным
отношением от 1/1 до 2/1 н
небольшими добавками бенто-
нита (2—4% веса цемента).
Схспензпя бентонита приго-
тавливалась заранее и в нее
добавлялся цемент.
Способность этих раство-
ров инъектироваться определя-
лась погружением тарирован-
ного цилиндра — метод про-
стой, но неточный, поскольку
ом не учитывает влияния вяз-
кости.
Сопротивления сжатию хра-
нившихся в воде цилиндриче-
ских образцов диаметром
14 мм приведены в табл. 18-1
и 18-2. Можно заметить, что
прочность для цементно-вод-
ных отношений от 1 до 1,5 при
обеих добавках бентонита определяется законом Боло-
мея (Bolomey):
Для других величин Ц/В прочность более значитель-
на (рис 18-5).
Добавление очень незначительного количества бен-
тонита к цементу позволяет получать инъектируемые
раствори, имеющие хорошую механическую прочность.
Эта прочность, однако, ниже прочности активированных
цементных растворов
202
Таблица ИМ
Раствор с 2% бентонита
тв Погружение иилиидра, см Водоотдс- -пение, % Прочность на сжатм» /?сж кгс/см*, в возрасте
7 жней 28 двей
1 10,4 7.0 30 54
1,| 10.1 4,0 36 78
1,2 9,8 2,5 30 78
1,3 9,6 1,5 49 83
1.4 9.3 0 63 102
1,5 9.0 0 63 128
1,7 8,4 0 101 175
2 7,1 0 133 141
Нп возаухе эти раствори через 14 дней дают усадку в среднем ОвК, при
хранении под водой — увезичмвают объем на 51»
Таблица 18-2
Раствор с 4ео бентонита
щв Погру жение инамндра, Водоотдсле- ние, % Прочность на сжатие Ясж, Ktcj см9, в возрасте
7 дней 1 28 дней
1 9,2 0 26 53
1.1 9 0 39 78
1.2 8,6 0 39 73
1.3 8 0 68 104
1.5 7 0 72 143
1.7 4.3 0 124 200
Усадка Iе. через 14 дней хранения на воздухе; увезиченне объема при хра-
нении в воде 0,3 S.
ЦЕМЕНТНО-СИЛИКАТНЫЕ ГАСТВОРЫ
Структурная прочность цементного раствора улуч-
шается при добавлении силиката натрия тем более, чем
больше количество цемента в растворе. Если такой рас-
твор оставить в покое, прочность его структуры увели-
чится с течением времени. Это явление связано с уско-
рением схватывания цемента за счет силиката.
203
Для обычного портландцемента количества силиката
плотностью 36° по Боме должны быть следующими.
10—20 см3 на 1 л раствора при £//В=1/1,
5—10 с.м3 на 1 л раствора при ЩВ —1,5/1;
2—5 см3 на 1 л раствора при Ц/В—211.
Эти количества не оказывают отрицательного влия-
ния на конечную прочность растворов Если их увели-
чить, прочности мо]ут снизиться и растворы уже не бу-
ду т экономичными
Часто растворы с силикатом бывают неоднородными,
образуются сгустки. Во избежание этого необходимо
длительное перемешивание раствора, что невыполнимо
на строительной площадке. Эти растворы поэтому прак-
тически не используются. Следует тем не менее указать
на их существование, поскольку первым стремлением
ннъекгировщнка является добавление силиката в рас-
твор.
ЦЕМЕНТНО-БЕНТОНИТО-СИЛИКАТНЫЕ РАСТВОРЫ
Добавление бентонита в цементный раствор замед-
ляет его схватывание, снижает механическую прочность,
но обеспечивает раствору однородность н тиксотроп-
ность. Силикат ускоряет схватывание, но способствует
образованию сгустков. Поэтому естественно комбиниро-
вать оба эти проду кта.
Опыт показывает, что такие растворы однородны,
имеют начальную прочность структуры выше, чем при
добавлении только бентонита, и ведут себя, как тиксо-
тропные. Больше того, механические прочности относи-
тельно высоки.
В табл 18-3 приведены характеристики двух раство-
ров, приготовленных из шлакопортландцемента 100/UG0
(Д/В = 2/1).
Таблица 18-3
Добавка на I л Вязкость по конус) Прсцакт, сек Водоот- деленне, % Прочность струк- туры /, гс/см* Прочность на сжатие кгс1см3,^ в возрасте
2 дня 7 дней 28 дней
Бентонита 18 ?, силиката 5 см* 19 1.8 0,040 41 126 320
Бентонита 40 г, силиката 5 см* 18 2,0 0,076 42 161 292
204
Прочности на сжатие — средние по трем испытаниям
образцов — кубиков со стороной 5 см Оии вполне при-
емлемы, однако активированный раствор из аналогич-
ного цемента имеет прочность в возрасте 7 дней более
250 кгс/\см2.
Интересно отметить, что вязкость и водоотделение
практически одинаковы для обоих растворов, хотя коли-
чество бентонита изменяется в 2 раза.
АКТИВИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ
Цель активации заключается в получении инъектиру-
емых растворов с большим содержанием цемента, седи-
ментация у которых незначительна или вообще отсут-
ствует. Кроме того, активация уменьшает размываемость
раствора и делает его почти несмешиваемым с водой, а
это исключительно ценное свойство.
Цементный раствор состава от 2/1 до 2,3/1 в зависи-
мости от тцпа цемента находится на пределе инъекти-
руемости. Для сохранения кнъектируемости при увели-
чении количества цемента следует обеспечить лучшую
диспергацию цемента.
Различают диспергацию химическую, физическую,
механическую.
Химическая диспергацня позволяет получить за счет
использования пластифицирующих, разжижающих и
вспучивающих добавок растворы, относительно слабо
концентрированные, без седиментации. Это безусловно
наилучшее решение, тем более что добавки не изменяют
в опасных размерах конечную прочность. Это принцип
раствора Препакт.
Механическая диспергацня, теоретически менее со-
вершенная, также широко применяется Впервые этот
метод был использован под названием «Кольгру».
Что касается физической диспергации, то она пред-
ставляет большой теоретический интерес, но обычно на
строительствах не используется.
Химическая диспергацня цемента
Для диспергации цемента этим способом используют
соответственно подобранные добавки в количестве не-
сколько сотых долей его веса, например пластифициру-
ющие, вспучивающие, воздухововлекающие н т. п.
205
Некоторые пластифицирующие добавки предупреж
дают флокуляцию (рис. 18-6) Физические свойства по
лучеииых таким путем растворов выявлены М Напади
кисом (1955). Измерения вискозиметром с коаксиальиы
ми цилиндрами показывают, что если вязкость от доба-
вок практически не изменяется, то прочность структуры
может значительно снизиться (рис 18-7 и 18-8). Добав-
ки ведут себя неодинаково.
Рис. 18-6. Влияние различных сма-
чивающих добавок на флокуля-
цию цемента.
I — контрольный образец (вода —
ЮОО слГ, цемент - 20 г); г—13 — об-
разцы (вода —1000 сл‘, цемент —
20 г, смачивающая добзэка)
Некоторые пластифицирующие добавки увеличивают
и вязкость, и прочность структуры (рис. 18-9 и 18-10).
Их, естественно, ие следует применять. Необходимо всег-
да проводить предварительные испытания для выбора и
дозировки добавки (рис. 18-11). Измерения времени ис-
течения по конусу бывает, как правило, достаточно
для нужд строительства.
На рис. 18-12 показано влияние добавок В и D на
цемент. Добавка D явно предпочтительнее.
Обычно добавление смачивающей добавки всегда ве-
дет к увеличению водоотделения раствора.
206
Рис 18-7 Влияние пла-
стифицирующем добавки
Р на вязкость п.
1 — чистый портландце-
мент; 2 — цемент с плас-
тифицирующей добав-
кой Р
Рис 18-8 Влияние ила
стифнцирующсб добавки
Р на сопротивление
сдвигу' [.
1 — чистый портландце-
мент. 2 — цемент с плас-
тифицирующ^ей добаа-
Рис, 18-9. Влияние пласти-
фицирующих добавок G if S
и а вязкость и.
1 — чистый портландцемент;
2 — портландцемент Ч г пла-
стифицирующей добавки G;
3 — портландцемент + 0,2%
пластифицирующем добав-
ки С, 4 — портландцемент 4-
Ч пластифицирующая добао-
Рис 18-10 Влияние пла-
стифицирующих добавок
G и S па сопротивление
сдвигу f
1 — чистый портландце-
мент; 2 — портландце-
мент +1% пластифици-
рующей добавки G; 3 —
Портландцемент f 0,2% пла-
стифицжгрующеи добав-
ки G; 4 — портландце-
мент + пластифицирую-
щая добавка S
207
Для снижения седиментации можно использовать
продукты, вызывающие вспучивание до схватывания.
Это, как правило, тонкий алюминиевый порошок, кото-
рый при реакции с известью цемента высвобождает во-
дород в виде мелких и многочисленных щзырьков. Вне
которых случаях пучение продолжается и после схваты-
вания цемента, но очень слабо
Рис. 18-11 Влияние
различных разжижаю-
щих добавок на ка-
жущуюся вязкость
цементного раствора
(Ц/В = 2,5/1)
1—7 — разжижающие
добавки А. В, С, Е,
Рис. 18-12 Влияние
разжижающих доба-
вок В и D на ка-
жущуюся вязкость
растворов.
1 — цемент Н; 2 — це-
мент Н+В; 3 — це-
мент H + D*
В табл. 18-4 приведены некоторые результаты для
вспучивающей добавки G и разжижающей добавки F.
Изменение объема отмечалось перед концом схватыва-
ния цемента.
Все эти растворы находятся на пределе инъектируе-
мости. Можно заметить, что, кроме цемента марки М,
добавки позволили повысить консистенцию (цементы
марок G н Н). Для цемента марки Н разжижающая
добавка F позволила максимально увеличить количество
цемента, причем, несмотря на ее использование, водоот-
208
деление оказалось меньше, чем у чистого цемента Вспу-
чивающая Добавка G значительно снизила, а иногда и
полностью устраняла изменение конечного объема.
Таблица ИМ
Тип и состпо раствора Всп) чнмнис, к Воаоотле- ЛС1Ш«, % Иэмеяемме объема, К
Цемент В 2,3/1 4- О 2,3 2,3 0
Цемент В 2,1/1 4- 0 2,3 3,3 -1
Цемент Е 2,5/1 Ь О . 2 2 0
Цемент F 2,3/1 4- О 2,5 0,5 2
Цемент G 2,2/1 ... 0 4 4
Цемент О 2,5/1 4- О 2,4 1,5 0,9
Цемент Н 2,1/1 ... 0 4 4
Цемент И 2,3/1 4- О . 4 3 1
Цемент Н 2,5/1 4- F . 0 3 -3
Цемент L 2,5/1 j- О 3 2 -1
Цемент М 2,5/1 . . 0 2,5 —2.5
Цемент М 2,5/1 4- О 2,5 2.3 0
В пределах точности измерений при постоянном це-
ментно-водном отношении прочность на сжатие раство-
ров после схватывания представляется независимой от
добавок, кроме прочности в возрасте 1 дня, поскольку
добавки замедляют схватывание. Опыты проводились
с цементом марки Н 250/315 состава 2,5/1 (табл. 18-5)
Таблица 185
Прочность на сжатие /?сж (к)бики со стороной 5 см), кгс/см*. в возрасте
1 день 7 дней 14 дней
Цемент чистый (неинъектируемый) 122 265 260
Цемент 4- О (неинъек тируемый) 24 210 290
Цемент 4 F (инъектируемый) 16 250 230
Наоборот, если рассматривать растворы постоянной
вязкости, получаются совершенно различные результаты.
Некоторые разжижающие добавки требуют увеличения
цементно-водного отношения для сохранения вязкости, в
309
то время как другие сгущают растворы, и надо умень-
шать количество цемента На рис 18-13 показаны изме
нения прочности в опытах с одним цементом Характер
кривых, на которых нанесены значения U В растворов,
показывает, что постоянство состава нс всегда приводит
к одинаковой прочности, как следовало из предыдущих
результатов Некоторые добавки позволили увеличить
прочность растворов, другие — нет.
Рис. 18-13 Изменение прочности на сжатие /?«ж
растворов с различными добавками при одинаковой
вязкости.
Если необходимо получить большую конечную проч-
ность (например, для анкеровки), выбор цемента имеет
важное значение (табл. 18-6). Данные приведены для
растворов состава 2,5/1 одинаковой подвижности по ко-
нусу (предел ииъектируемости).
Испытание на прочность недостаточно для выбора
раствора. Необходимо, чтобы раствор не только был
ипъектируемым, ио также чтобы не было слишком боль-
шой седиментации, чтобы обеспечивались хорошее сцеп-
ление с металлом и иеразмываемость. Необходимо, на-
конец, чтобы цемент хорошо вел себя при избытке воды.
Сцепление изучалось для трех цементов: F, G и Н
при извлечении прессом круглого очищенного и гладко-
го стержня диаметром 19,5 лч, расположенного в цент-
ре диска из раствора диаметром 80 и толщиной 14 мм.
Поскольку среда, в которой закрепляются стальные
стержни, может оказывать на раствор давление, образ-
210
Таблица &&
Состав раствора Прочность па сжатие Рсж (пубижм св стороной 5 сл), хгс!см\ и возрасте
I день 7 дней 14 дней 30 две!
Цемент Е + G 52 180 180
Цемент L G — 265 383 430
Цемент М 330 500 620 750
Цемент О Ь G 215 255
Цемент Н h F 16 250 230 —
Цемент J F — — 300 390
цы изготовлялись в формах из пластичного материала,
образующих сплошной цилиндр (с обжатием) или ци-
линдр. открытый по образующей (без обжатия) Пла-
стичный материал для форм был выбран с таким рас-
четом, чтобы обжатие при испытании ие превышало дав
ления реальной среды. Образцы не вынимались из форм
до испытаний (табл. 18-7).
Изменения силы сцепления не зависят от изменений
объема раствора перед концом схватывания Однако ин-
тересно отметить, что цемент Н имеет (с учетом точно-
сти измерений) сцепление, ие зависящее от состава рас-
твора, обжатия и способа хранения. Это цемент на базе
шлака.
Напротив, портландцементы F и G весьма чувстви-
тельны к обжатию и способу хранения. Цемент наиболее
низкой марки (G 160/G50) имеет наилучшее сцепление.
Портландцементы увеличивают объем в воде и дают
усадку на воздухе, шлаковые по Дютрону (Dutron,
1934) и Л’Эрмиту (L’Herinite, 1947) дают усадку в воде
и на воздухе. Для последних цементов среда хранения
н обжатие ие должны оказывать никакого влияния, что
и отмечается в случае цемента Н.
Для портландцементов, хранящихся в воде, обжатие
должно увеличить силу сцепления. Это наблюдалось.
Однако образцы цемента G, хранящиеся на воздухе,
также чу ветвигельны к обжатию, хотя этого не должно
быть. Это можно объяснить предположением, что вве-
211
Таблица 187
Тип и состав раствора Хранение Обжатие Изменение объема до схва- тыоанвя. S Системно, кгс/см9
Цемент F 2,1/1 250/315 2,3/1 + G Вода Нет Да Нет Да +2 8,2 15,5 10,2 16
Цемент G 2,5/1 4- G 160/250 Вода Воздух Нет Да Нет Да +0,9 26 36 10,7 27
Цемент Н 2,1/1 250/315 2,3/1 4- G Вода Воздух Вода Воздух Нет Да Нет Да Нет Да Нет Да +1 15 15 13 13 13 12,5 13 13
денная вспучивающая добавка продолжала оказывать
свое воздействие после схватывания, что, как говорилось
выше, иногда возможно. Это предположение, к сожале-
нию, проверено не было.
Физическая диспергация цемента
Этот метод диспергации был открыт и запатентовал
Флорентином и Л’Эрито (Florentin, L’Heriteau, 1950)
под названием «термокол». Он заключается в простом
подогреве цементного раствора. Можно даже удовлетво-
риться только подогревом воды и приготовлением про-
стой водо-цементной смеси, не прибегая к энергичному
перемешиванию. Конечная температура 25—35° С до-
статочна для раствора портландцемента состава 2/11 —
2,2/1. Чем больше концентрация раствора, тем меньше
повышение температуры.
Изобретатели считают, что скорость гидратации без-
водного цемента увеличивается при нагревании. Обра-
зующиеся нерастворимые гидраты легко отделяются от
212
частиц Цемента в результате перемешивания и Перехо-
дят в состояние коллоидов Именно коллоиды придают
раствору его особые свойства Возможно также, что по-
вышение температуры способствует гидролизу четырех-
кальцпевого алюмината, образующегося при гидратации
цемента. Однако гораздо проще усмотреть в этом методе
явление, аналогичное тому, которое происходит при про-
изводстве коллоидного сахара или карамели путем подо-
грева раствора кристаллизованного сахара.
Так удается получить растворы с незначительной се-
диментацией или без нее. В табл. 18-8 приведены неко-
торые результаты, полученный для портландцемента
250/1315.
Таблица 18-8
Щв
Температура
через 7 мин,
Водоот-
деление,
К
Прочность струк-
туры /, г с/см*
1.5/1
13
35
48
55
7
5
1
1
0
0,05 10“*
0,27-10-*
0,5010-*
2/1
14
20
22
30
35
40
45
50
53
4
4
2
1
1
0
0
о
о
о
0,20-10-*
0,27.10-*
0,50 10*
0,80.10»
1.1-10“*
1.610-»
2,510-*
4,2-10-«
При данном составе водоотделение снижается, а проч-
ность структуры возрастает с увеличением темпера-
туры. Для одинаковой температуры увеличение концент-
рации снижает водоотделение и увеличивает прочность
структуры. Это явление характерно для активированных
растворов независимо от способа диспергации.
Даже незначительное увеличение времени перемеши-
вания улучшает прочность структуры раствора (табл.
18-9).
Увеличение температуры вызывает также увеличение
вязкости раствора. Например, раствор состава 2 1, ко-
торый вытекает из конуса Препакт за 24 сек, позволяет
213
Таблица 189
Следует заметить, что этот способ не годится для
дпспергацип цементов, лишенных извести, как, напри-
мер, сульфатостойкий цемент. Впрочем, то же происхо-
дит и прн механической дпспергацип. Известь играет,
следовательно, очень важную роль прн приготовлении
этих растворов.
Механическая диспергация цемента
Механическая диспергация достигается обработкоГ!
раствора соответствующего состава в специальном сме-
сителе, вызывающем перемешивание или, скорее, исклю-
чительно энергичное прокатывание раствора. Эти смеси-
тели аналогичны коллоидным мельницам. Их описание
будет дано ниже.
Гидратная пленка, образующаяся на поверхности ча-
стиц цемента, при перемешивании удаляется и переходит
в коллоидное состояние, что и определяет свойства рас-
твора.
При коротком перемешивании вязкость снижается, а
структурная прочность увеличивается. Время прохожде-
ния раствора состава 2/1 через конус Препакт изменяет-
ся от 24 сек для исходного раствора до 12 сек для об-
работанного раствора.
Длительное перемешивание (10 — 15 мин, например),
вызывает повышение температуры, что ведет к тому, что,
как н при методе «термокол», потучают увеличение вяз-
кости и прочности структуры. И теперь уже не прокатка
частиц цемента дает основнои эффект, а повышение
температуры.
2U
На рпс 18-14 отчетливо видно влияние состава рас-
твора па водоотделение. Раствор состава 2/г1, приготов-
ленный в обычном смесителе, через 15 дней имел проч
ность осадка 101 кгс/см2, в то время как раствор, при-
Рнс 18-14 Влияние состава и метода
приготовления на водоотделение рас
творив
I — турбосмеситель, 2 — обычный сме-
ситель
готовленный в турбосмесителе, 133 кгс/см2 Улучшение
довольно отчетливо, хотя этот отдельный результат не
позволяет утверждать, что так происходит всегда.
БЫ СТРОС ХВАТЫ БАЮЩИЕСЯ РАСТВОРЫ
Для некоторых работ необходимы растворы, облада-
ющие некоторой механической прочностью и относитель-
но быстрым, например через 15—30 мин, схватыванием
Механическая прочность зависит от выбора цемента
Ускоренного схватывания можно добиться тремя спосо-
бами: добавлением ускорителен схватывания, смешива-
нием глиноземистого цемента и шлакопортландцемента
(этот цемент дает схватывание в смеси менее быстрое,
чем портландцемент) либо используя материалы, значн
тельно увеличивающие вязкость раствора. В последнем
случае речь идет не о схватывании в прямом смысле, а
о сгущении, дающем аналогичный результат при инъек-
ции.
При применении ускорителей схватывания и смеши-
вании разных типов цементов возможны затруднения в
случае заку порки тру бопроводов нз-за быстрого тверде-
ния раствора.
Вязкость раствора \величива ют введением древес-
ных опилок. Через несколько минут опилки поглощают
2|5
такое количество воды, что раствор становится тестооб-
разным и даже перестает течь Наилучшис результаты
получаются при совершенно сухих опилках размером
менее 2 мм таких пород деревьев, которые способны по-
глощать значительные количества воды. Опилки добав-
ляются в приемный бак включенного инъекционного на-
соса. Количество опилок в литрах может достигать 5—
7% веса цемента, выраженного в килограммах
ЭКОНОМИЧНЫЕ РАСТВОРЫ: ЦЕМЕНТ —ЗОЛА УНОСА
Замена части цемента порошком с таким же грануло-
метрическим составом позволяет получить более эконо-
мичные растворы.
Теоретически ничто не мешает использовать порошок
инертного камня. Однако оказывается, что зола уноса
некоторых тепловых электростанций дешева, имеется в
Рис 18-15 Гранулометрические! состав зол уноса
различных тепловых электростанций.
1—4 — электростанции
большом количестве и, безусловно, пригодна для приго-
товления инъекционных растворов. Зола не инертна, она
обладает пуццолановымн свойствами. Приведем некото-
рые сведения о таких растворах, изученных К. Кароном
(1953).
Гранулометрия зол может значительно изменяться
для разных станций (рис. 18-15) и даже на одной стан-
ции она может меняться в зависимости от типа сжигае-
мого угля (рис. 18-16). Эти изменения не имеют значе-
ния, если провести предварительно испытания С золой,
216
в действительности используемой на строительной пло-
щадке.
Вязкость мало изменяется от добавки золы в раствор
при постоянном составе:
цемент 4- зола
вода
Рис. 18-16. Гранулометрический состав зол уноса
тепловой электростанции в зависимости от типа
сжигаемого угля
1—з — уголь.
Вязкости раствора из цемента А и золы L состава
!.5/11 указаны в табл. 18-10.
Вязкость раствора при 40% золы может быть дове-
дена до нормальной (9,4 сек) либо введением соответ
Рис. 18-17. Влияние типа и количе-
ства золы на водоотделение рас-
твора.
Общее водоотделение жидких раство-
ров: вяжущее/вода - 1.Б/1 (вязкость по-
стоянная: 9 сек±0,3 по конусу Пре-
пакт).
1 — портландцемент 250/316, зола В;
2 — портландцемент 160/250, зола А.
ствелпо подобранной разжижающей добавки, либо при-
нятием состава l,15/il. Небольшой удельный вес золы
(2—2,5) улучшает седиментацию растворов. При посто-
янной вязкости устойчивость суспензии тем лучше, чем
217
больше золы в растворе, хотя до 20% улучшение незна
чителыю (рис 18 17)
Седиментация, естественно, зависит от типа цемен
та и зол (рис 18-18 и 18 19). Эти растворы, прпготов
ленные в турбосмеснтеле, нельзя назвать вполне
Рис. 18 18 Водсотделенис цементного раство
ра с добавкой золы L
Состав 1.51 (содержание золы указано на кри-
вых)
Рис. 18 19 Водоотдслеиис цементного
раствора с добавком золы D
Состав 1,5/1 (содержание волы ука-
зано на кривых)
стабильными Однако достаточно увеличить их концентра-
цию, чтобы сделать их стабильными. Менее размыва-
емые, чем растворы, приготавливаемые в обычном сме-
сите не, но обладающие тем не менее заметной седимен-
тацией, они представляют собой промежуточные раство-
ры между стабильными и нестабильными
Прочность на сжатие измерялась на образцах — ку-
биках размерами 5x5x5 см, хранившихся в воде Все
218
растворы имели одинаковую вязкость, и результаты со-
ответствуют среднему по трем испытаниям. Для сравне-
ния были приготовлены растворы с использованием мела
и очень тонкого порошка кремнезема
Результаты показывают, что контрольные растворы
следуют закону Боломея, в то время как растворы с зо
лой дают обычно более высокою прочность (рис. 18-20 и
18-21), что объясняется пуццолановыми свойствами
золы.
Изменения прочности в зависимости от состава и воз-
раста растворов показаны на рис. 18-22 и 18-23.
Таблица 18-10
Со тер же- ни е UCMCHTO, X Содержание золы, х Вязкость по конусу. сек
100 0 9.4
90 10 9.4
80 20 9.6
70 30 10,1
СО 40 13,1
Растворение чистой водой изучалось на растворах с
разным количеством портландцемента, содержавших мел
или золу, хранившихся несколько месяцев в воде Каж-
дый из растворов был затем размельчен, пропущен через
сито с 4 900 отверстий и перемешан на воздухе в течение
1 ч с дистиллированной кипяченой водой. Затем было
определено содержание кальция в жидкости.
На рпс. 18-24 для каждого раствора показано коли-
чество растворенного кальция, отнесенное к 1 г цемента
При этом если зола или мел не оказывает никакого эф-
фекта, на графике должна быть горизонтальная линия
В обоих случаях содержание кальция изменяется в
линейной зависимости от количества мела или золы в
растворе.
Для раствора с мелом количество растворенного каль-
ция увеличиваемся с увеличением содержания мела. К со-
жалению, вместо мела не был использован кремнезем;
тогда, несомненно, можно было бы получить контроль-
ную горизонталь.
Напротив, золы уменьшают количество калышя. П\
нуццола новый эффект несомненен. Он изменяется, ве-
роятно, в зависимости от свойств золы.
219
§
О Ю 2Q 30 W SO SO 7090ШП%
1 1 ' ---r-r-T-m
Рис. 18-20. Изменение прочности на
сжатие Ясж в возрасте 30 дней рас-
твора цемент — зола при постоянной
вязкости.
1 — зола, 2 — мел; 3 — расчетная кри-
вая по формуле Воломея; 4 — зола
D +цемент В; 5 — зола С 4-цемент В
Рис. 18-21. Изменение прочности на
сжатие ₽г>к в возрасте 90 дней рас-
твора цемент — зола при постоянной
вязкости.
1 — зола; 2 — мел, 3 — расчетная кри-
вая по формуле Воломея, 4 — зо-
ла D + цемент В, 5— зола С + цемент В.
Рис. 18-22 Изменение прочности
на сжатие раствора в зависимости
or состава и возраста (цемент В
зола D)
1 — 14 дней; 2 — 30 дней, 3 — 90 дней
Коррозия в агрессивной воде была изучена Давя
(Davis). Испытывались два типа бетона с золой и без
золы. Они имели одинаковый состав Ц?В=8£11. Прочно-
сти на одноосное сжатие после хранения в течение 6 мес
в воде приведены в табл. 18-11.
Рис. 18-23. Изменение прочно-
сти раствора на сжатие в
зависимости от состава н воз-
раста (цемент А, зола О).
1 — 14 дней; 2 — 30 дней; 3 —
90 дней.
Цемент
Рис. 18-24. Растворение кальция в
растворах различного состава
1 —раствор с мелом (2 мес в во-
де); 2 —раствор с золой (3 мес.
в воде)
Таблица 18-11
Тип бетона
Прочность на сжатие, кгс/сл',
после раэ1ичпых условий
хранения
Чистая вода
Вода 4- ЮЧ
сульфате
Обычный бетон
Бетон с золой
445
490
390
500
Заметны увеличение прочности за счет пуццоланового
эффекта золы п сохранение этой прочности прн хране-
нии в агрессивной воде.
ИНЪЕКТИРУЕМЫЕ СМЕСИ
Добавление песка в стабильный цементный раствор
дает ннъектируемую смесь. В зависимости от требуемого
результата количество и гранулометрический состав пес-
221
ка могут быть различными. Чем больше песка, тем легче
удержать крупные частицы во взвешенном состоянии
Можно приготовить смеси, содержащие частицы раз-
мером 5—8 in/. Такие смеси можно инъектировать нс
всяким насосом Их можно использовать для заполне-
ния полостей, имеющих значительные размеры.
В качестве примера приводятся характеристики неко-
торых растворов, изучавшихся при подборе раствора,
быстро дающего высокую механическую прочность Рас
творы активировались механически н были на пределе
ннъектируемости. Использовался песок Сены, прошед-
ший через сито с отверстиями 1 л<л<, содержащий 3%
частиц размером менее 0,1 мм (табл. 18-12).
Можно сделать следующие замечания:
Состав чисто цементного раствора на пределе пнъек-
тируемостп зависит от типа цемента.
Добавка песка требует увеличения количества воды
для сохранения ннъектируемости.
Увеличение количества песка приводит к снижению
механической прочности, однако легко проверить, что
она пропорциональна отношению цемент/вода.
Наконец, введение песка увеличивает седиментацию
растворов из цемента* Р.
Таблица 18-12
Тип цемента Состав (в частях) Вязкость ПО КОПТ С) Препакт, сек Водоотде- лен нс до схваты- вания, К Прочность на сжа- тие, кгс1сл*, в возрасте
Цемент Песок Воля 2 дня 7 дней
3 0 1 15 0,7 355 443
с 3 3 1,3 14,8 0,8 330 386
Г 3 6 1,9 15 0,8 280 310
3 9 3 13.8 3,5 142 1*29
Р 2,7 0 1 15 1,5 83 200
2,7 2,7 1 4 15 3,2 65 142
2.7 5,4 2,1 14,5 3,3 35 75
Для цемента F отмечается то же явление, но при зна-
чительном содержании песка
Известны растворы Колькрет и Препакт, служащие
для приготовления бетонов того же названия. Песок
222
этих растворов относительно тонкий (максимальный раз-
мер частиц около I л<л<). Эти растворы неразмываемы и
позволяют производить укладку бетона под воду и ос)
щептять особо прочные заделки. Раствор Препакт со-
держит вспучивающую добавку, не имеет седиментации
до схватывания.
Глава девятнадцатая
СТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ (продолжение).
СУСПЕНЗИИ ГЛИНЫ
ОБРАБОТАННЫЕ ГЛИНИСТЫЕ РАСТВОРЫ
Глинистые растворы—это суспензии глины в воде с
добавками соответствующих химических веществ для
обеспечения удовлетворительной ннъектируемости Прак-
тика показывает, что после инъекции происходит седи-
ментация суспензии, а в некоторых случаях — обезвожи-
вание и что в грунте остается относительно густая масса.
Таким образом, .можно создать водонепроницаемые
завесы, способные выдерживать значительные напоры
воды. Однако эти материалы практически не имеют ме-
ханической прочности, поэтому их нельзя использовать
для укрепительной инъекции, даже если требования к
ней минимальны.
Глина с частицами диаметром менее 0,01 мм (рис
19-1) может быть использована для заполнения наибо-
лее мелких пустот в грунте. Однако для этого необхо-
димо, чтобы в растворе глина была максимально дефло-
кулирована. Это условие очень трудно выполнить Воз-
можности таких растворов зависят, следовательно, от их
обработки..
Простое механическое перемешивание не может об-
разовать доброкачественную суспензию глины, когда
содержание ее в воде незначительно. Лабораторные ис-
следования показывают, что этого можно добиться ис-
пользованием ультразвука.
Подобный опыт был проведен по нашему заказу в
1949 г. исследовательской станцией в Нанси. Ультразву-
ковой генератор мощностью 300 вт имел частоту 970 кгц>
После пребывания в аппарате в течение 10 мин раствор,
содержащий 20 г глины на 100 см3 воды, улучшил свой-
223
СТва По сравнению с аналогичным энергично перемешан-
ным раствором (рис 19-2)
Эффект обработки ультразвуком колоссален. К сожа-
лению. генераторы для обработки промышленных коли-
честв раствора будут дорогостоящими и, вероятно, при-
менение их на строительной площадке будет сложным
Рис. 19-1. Кривые грануломет-
рического состава различных
глин.
1 — местная глина, 2 — глина
Прованса.
Рис 19-2 Водоотделснне суспен-
зии глины (20 г глины на 100
воды) после механического псрс-
мгшввания (/) и обработки уль-
тразвуком (2)
аолнца
pH раствора Седиментация за 24 мм
3,77 ю
П.6 0,54
12,6 11
очень увеличивается, то
На некоторое время этот элегантный метод останет-
ся привилегией лабораторий.
То же относится к другому, химическому методу,
который обычно не используется в связи со сложностями
его применения. С помощью
специального вещества до-
водят показатель pH рас-
твора до величины, близкоГ*
к 12 Стабильность суспен-
зии достигает тогда макси-
мума (табл. 19-1).
Если заметить, что седи-
ментация уменьшается по
мере увеличения показателя
pH до 12 и что затем она
ожно понять, почему столь
простой метод не используется. Нельзя требовать в уело
1 В СССР успешно проводились лабораторные н полевые опы-
ты по обработке растворов в гидродинамических ультразвуковых
излучателях (Пр и меч пер ев.)
224
пнях строительно»! площадки столь точных химических
дозировок и особенно точных измерении показателя pH
Применение соответственно подобранного пептизиру-
ющего вещества позволяет обеспечить дефлокуляцию
глины. Как правило, этот метод бывает запатентован
Иногда полученное вещество поступает в продажу под
- — . ~г заманчивым названием и
Рис 19-3. Пептизация
суспензий в зависимости
от типа глин.
Суспензии пептизирова-
ны раствором ЫагСОз,
d = 1.06.
1 — швейцарская глина:
2 — каолин; 3 — глина
(плотина Ву-Ханифия);
4 — глина (плотина Се-
занн).
изобретатель приписывает
ему универсальные свой-
ства.
Рис 19-4 Пептизация суспен-
зии швейцарской глины в за-
висимости от различных реа-
гентов
J-Na^CO,; 2 —сода (Л7100), 3-
силикат (0,5% объема)
Из бентонита можно получить, таким образом, тик-
сотропный раствор, который, безусловно, подходит для
инъекции мелкозернистых песков.
Для других глин результат будет зависеть от их
свойств и добавляемого вещества.
Пуассон (Y. Poisson, 1948) характеризует пептиза-
цию понятием «вспучивание», представляющим собой
отношение объемов коагулянтов пептизированной и не-
пептизированной глины при равных условиях; коагуля-
ция получается за счет введения соли: сульфата алюми-
ния, хлористого кальция и т. п.
225
Результаты зависят от типа глины (рнс. 19-3) и
пептизирующего реагента (рнс. 19-4), коагулянта
(рис 19-5) и, наконец, плотности раствора (рис. 19-6)
Приготовленные таким образом суспензии достаточ
ио вязки для того, чтобы в них можно было добавить
глину или даже суглинок. Другими словами, к обычным
материалам добавляют коллоидальные элементы, кото
рых им недоставало, для получения стабильных суспеп
зим Так получаются обработанные глины.
Вспучивание
Рис 19-5. Пептизация суспензии глины из
Ревииьи в зависимости от коагулянта
1 — сульфат алюминия; I — хлористый каль-
ций. 3 —хлористый натрия
Рис. 19-6. Пептизация
суспензий швейцар
ской глины в зависи-
мости от плотности
раствора.
лированного бентонита. Практика показывает, что их
нельзя инъектировать в мелкие пески.
Вместо получения коллоидов с помощью пептизиро-
ванной глины проще использовать селикагель, получен-
ный из силиката натрия и реагента, например разбав-
ленной соляной кислоты.
Для примера приводятся составы (на 1 л3) растворов
плотностью около 1,3.
Местная сухая глина, кг
Глина Прованса сухая, кг
Нитрат калия, кг . . .
Силикат натрия (36° В), л
Реагент, л
Вода, л
I состав Н сое?»
460 500
40 —
7
— Около 3
Около 10
800 800
226
Аномалии вязкости
Смесь глин различного происхождения и добавка
химикатов могут придать раствору вязкость, не соответ-
ствующую ожидаемой
В этом нет ничего удивительного, поскольку речь идет
о смеси коллоидальных материалов. Р Хатчек (R Hat-
schek, 1932) отмечает* «В зависимости от пропорции со-
ставляющих смесь двух жидкостей имеет вязкость, кото-
рая проходит через максимум или минимум Мак Леод
предполагает, что вязкость смесей, как, впрочем, и чи-
стых жидкостей, зависит от их «свободного простран-
ства». Это предположение качественно объясняет анома-
лии (N. Tcherkezoff, 1962).
Рис. 19-7. Изменение вязкости бен-
тонитового раствора при добавлении
глины.
1 — бентонит Б* 45 г/л, количество
клины Г| изменяется; 2 — бентонит Б,.
45 г/л, количество глины Г. изменя-
ется.
Бывает, например, что раствор бентонита Б2 с вязко-
стью по конусу Марша 70 сек в смеси с равными частя-
ми раствора глины вязкостью 76,5 сек дает раствор
вязкостью 46 сек. Смеси в других пропорциях дают раз-
личную вязкость. Это явление было изучено К Каро-
ном (1952). На рис. 19-7 показано, что если добавлять
к бентонитовому раствору возрастающее количество гли-
ны, вязкость не будет возрастать постепенно, как можно
было бы ожидать. Для глины Г| и бентонита Б] оиа про-
ходит через относительный максимум, затем через мини-
мум, в то время как для глины Г2 и беит«-нита Б2 оиа
проходит лишь через минимум.
227
Добавление глины Г| к раствору бентонита дает
максимум и минимум вязкости независимо от начально-
го количества раствора бентонита (рис. 19-8) Но если
прибавить к этим смесям 0,002 части силиката натрия,
изменение вязкости будет другим (рис. 19-9).
Порядок смешивания имеет огромное значение. Пре-
дыдущие результаты соответствуют последовательности
бентонит—глииа, а затем силикат Перемена порядка
снижала максимальную или минимальную вязкость.
Рис 19-8, Изменение вязкости
бентонитового раствора Бг раз-
личного состава при добавлении
глины Г|
Рис 19 9 Изменение вязкости
растворов, приведенных на
рис 19-8, при добавлении 2%
силиката натрия.
Таблица 19-2 дает некоторые результаты для раство-
ров без силиката.
Если силикат добавляется перед глинистым состав-
ляющим, конечная вязкость снижается. Этот результат
очень интересен, поскольку он позволяет увеличить ко-
личество глины, сохраняя ту же текучесть.
Увеличение текучести может быть получено более
эффективным путем — использованием вместо силиката
смачивающей добавки (рис. 19-10).
Для бентонита можно опасаться, что смачивающая
добавка нарушит тиксотропность суспензии. Одиако опы-
228
ты показали, что тиксотропность не только сохранилась
(рис 19-11, кривые / и 2), но и увеличилась для суспен-
зий одинаковой вязкости (кривые / и 3). Следовательно,
Вязкость по конусу Марина., ее к
это один из относительно
простых методов приготовле-
ния тиксотропных глинистых
растворов.
Добавка, 7т
0 1/4 1 4 20 1/4 1 4
Время после перемешивания, ч
Рис. 19-10. Влияние разлнч
них смачивающих добавок
на вязкость глинистого рас-
твора (глина Г2, 390 г/л).
1 — смачивающая добавка 1,
2 — глина и добавка 2; 3 —
бентонит и добавка 3.
Рис. 19-11. Влияние смачивающей
добавки на тиксотропию бенто-
нита.
1 - бентонит, 63 г/д, плотность
1,040. вязкость по конусу Препакт
30 сек; 2 —бентонит. 63 г/.ц смачи-
вающая добавка, плотность 1,040,
вязкость ио конусу Препакт
10,8 сек; 3 — бентонит, 123 г,'Д, сма-
чивающая добавка, плотность 1,075,
вязкость по конусу Препакт 30 сех-
Таблпца 19-2
Вязкость по конусу Марша,
сек
Состав раствора
Бентонит до
главы
1 Глина до
бентонита
Б> : 30— : 15
Б.: 40— J\:20
Б. : 45— Г>: 22,5
Б,: 50— Г,: 125
38
49
32,5
36,4
42,5
36
Выбор глин
Трудно предусмотреть заранее характеристики глини-
стых растворов. Большое значение имеют пределы пла-
стичности, в частности предел текучести. Если ои выше
229
60. глина может подойти В противном случае к ней еле-
д\ет добавить коллоид Опытным путем можно, таким
образом, выбрать наиболее пригодные глины и опреде
лить предварительно состав раствора
Несколько опытов, проведенных Флорентином и
Л’Эрпто, показывают, что сухая плотность раствора из-
меняется в обратной зависимости от предела текучести
глпны (рис. 19-12). Эти опыты проводились со стабиль-
ными растворами на пределе инъектирусмостн, которые
для водоотделения под
собственным весом остав-
лялись из песчаной по-
стели.
Эти же авторы опреде-
ляют рентабельность рас-
твора R как величину, об-
ратную количеству сухого
материала, содержащего-
ся в I м* обезвоженного
раствора (/?= l/de). Чем
Рис. 19 12 Влияние предела теку-
чести глины на сухую плотность
и рентабельность раствора R
меньше вес сухого мате-
риала, тем выше рента-
бельность. При прочих
равных условиях высокая
рентабельность соответст-
вует экономичным растворам. Предыдущие опыты пока-
зывают, что в первом приближении эта рентабельность
пропорциональна пределу текучести глины.
Становится понятным, как дорогая глина с высоким
пределом текучести может иногда дать более экономич-
ные растворы, чем глина более низкого качества. Не
следует тем не менее забывать, что высокорентабельный
раствор на воздухе может дать значительную усадку.
Это редкий случай, поскольку обычно завесы устраивают
при наличии фильтрации воды. В этом случае усадки
не наблюдается.
Изложенные данные не позволяют установить закон.
Разбавление глины в растворе всегда более значительно,
чем при определении предела текучести, а этот предел
не является абсолютным критерием. Опыты поэтому
всегда необходимы. Не существует рецепта на все слу-
чаи жизни.
Кроме того, необходимо, чтобы иа строительстве
скрупулезно следовали разработанной в лаборатории
230
йбследователыюсти приготовления растворов. Иначе их
свойства могут полностью отличаться от предусмот-
ренных.
МАСЛО-БЕНТОНИТОВЫЕ РАСТВОРЫ
Сухой бентонит, образовавший суспензию в масле
или дизельном топливе, сохраняет свойство набухать в
присутствии воды. Это интересное явление используется
нефтяниками для создания пробок в скважинах. В неко-
торых случаях этот раствор можно применять для инъ-
екции. Но тогда грунт не должен быть заполнен жид-
костью, чтобы бентонит не набухал в процессе инъек-
ции. Путем поглощения части воды, содержащейся в по-
рах грунта, образуется гель бентонита, уплотняющий
трещины.
гели глины
Для того чтобы суспензия глины могла надежно обес-
печить водонепроницаемость, необходимо, чтобы после
инъекции она обладала достаточной структурной прочно-
стью, чтобы не быть вытесненной давлением грунтовых
вод. Другими словами, необходимо, чтобы эта суспензия
была явно тиксотропной.
Тиксотропия — природное свойство хороших бентони-
тов. Но глину следует обрабатывать, для того чтобы
придать ей это свойство, это нелегко сделать, посколь-
ку для того чтобы раствор был приемлемым, прочность
его структуры в спокойном состоянии должна быть отно-
сительно высокой.
Именно в связи с этим пришли к необходимости при-
готавливать гели глины. Это не тиксотропные растворы
в прямом смысле слова. Впрочем, это и неважно, так
как обратимость не имеет очень большого значения в
инъекции. Это гели, аналогичные тем, которые получают,
используя химические продукты. Дальше мы к ним вер-
немся, а здесь укажем лишь, что вследствие высокого
содержания в них глины (500—600 г/!л) они почти ана-
логичны глинистым растворам.
Г«••• да адцатая
СТАБИЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ (окончание). СУСПЕНЗИИ
ТИПА ГЛИНА — ЦЕМЕНТ — ПЕСОК
ГЛИНО-ЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ
Недостаточно тиксотропный раствор из чистой глины
может размываться в процессе инъекции либо (если он
недостаточно обезвожен) ие оказывать впоследствии со-
противления напору воды Поэтому полезно обеспечить
конечному продукту5 некоторую механическую прочность
для закрепления в пустотах грунта Эта прочность мо-
жет. впрочем, быть незначительной, всего несколько
кгсрм2.
Это достигается добавлением к глнне цемента. Одна-
ко тем самым жертву ют основным теоретическим свойст-
вом глинистых растворов, поскольку невольно к очень
мелким частицам добавляются значительно более круп-
ные частицы цемента В принципе эти новые растворы
не должны обеспечивать водонепроницаемость таких же
мелких пор, которые перекрываются чистыми глинисты-
ми растворами. Практика показала, что в некоторых
случаях это неважно Это легко понять, поскольку очень
редко бывает, что в чисто глинистом растворе все части-
цы дефлокулированы Возможности раствора обусловле-
ны диаметром агрегатов, а ие частиц. Можно выбрать
цемент тонкого помола, что улучшит растворы. Так, иа
плотине Серр-Поисон применяли раствор из аптской гли-
ны и цемента с удельной поверхностью 6 000-7 000 см21е.
Добавление цемента позволяет получить из грубых
глин стабильные суспензии, обладающие некоторой
структурной прочностью Цемент дает необходимые для
этого коллоиды.
Реологическое исследование глино-цементных
растворов
Реологическое исследование этих смесей было прове-
дено М. Пападакисом (1955). На рис. 20-1 и 20-2 пока-
зано, что добавление глины увеличивает вязкость и
сопротивление сдвигу растворов при постоянном количе-
стве воды. Густые растворы более чувствительны к это-
му, следовательно, при постоянном количестве глины
232
Рпс 20-1. Влияние со
держания глины на вяз-
кость раствора и при
постоянном количестве
воды.
Рис 20-3. Влияние со-
держания воды И<1 вяз-
кость раствора при по
стоянием количестве це-
мента и глины
1 — портландцемент чис-
тый; 2 — портланлцсмент+
4 1<х> глины, 3 — портланд-
цемент I 2,5 я, ГЛИНЫ, 4 —
портландцемент -| 5*Х; гли-
ны, 5 — портландцемент 4-
+10'К глины
Рис 20 2 Влияние содержа
ння глины на сопротивле
Нис сдвигу раствора при по
стояиноы количестве воды.
Рис 204 Влияние содержания
воды на сопротивление сдвнп
при постоянном количестве це-
мента и глины
1 — портландцемент чистый: S —
портландцемент + 1% глины 3 —
портландцемент + 2,5% глины; 4 —
портландцемент 4- 5% глины 5 —
портландцемент 4-10% глины
233
увеличение объема воды снижает вязкость н сопротив-
ление сдвиг} (рис 20-3 и 20-4).
При постоянном количестве воды водоотделение рас-
творов уменьшается при добавлении глины (рис 20-5).
При сравнении растворов с одинаковым водоотделе-
нмем отмечается, что добавление глины уменьшает вяз-
кость и сопротивление сдвигу
30 40 50%
Рис. 20-5 Влияние
содержания воды на
водоотделение рас-
твора ори постоян-
ном количестве це-
мента и глины.
1—портландцемент чи-
стый; I — портландце-
мент +1% глины; 9 —
портландцемент + «,5%
глины: 4 — портландце-
мент + 5% глины; В —
портландцемент 4- 1В%
глины.
Рис 20-Ь Влияние со-
держания глины на
вязкость растворов с
одинаковым водоот
делением Q
I — портландцемент 4-
4- глина, г —портланд-
цемент + бентонит.
Рис 20-7 Влияние
содержания глины
на сопротивление
сдвигу растворов
с одинаковым во-
доотделением Q
I — портландце-
мент 4- глина; 2 —
портландцемент 4-
4- бентонит.
Это исследование показывает, что в зависимости от
принятого критерия — постоянного количества воды или
постоянной величины водоотделения выводы могут быть
противоположными, поэтому надо выбрать критерий так,
чтобы правильно определить физические свойства этих
растворов Ни содержание воды, ни величина водоотде-
ления не представляется подходящим критерием, по-
234
скольку они произвольны Истечение раствора через of
верстие схематически воспроизводит явления в грунте
при инъекции. Следовательно, описанные выше конусы и
воронки должны помочь определить критерий для срав-
нения вязкости и сопротивления сдвигу различных рас-
творов
Практические характеристики глино-цементных
растворов
Глипо цементные растворы обычно содержат немно-
го цемента и много глины в отличие от цементо-бентони-
товых растворов. Добавление цемента в суспензию гли-
ны позволяет увеличивать количество сухого материала,
Рис. 20-8. Влияние содержания це-
мента на сухую плотность d9 и рен-
табельность раствора R.
казано иа основе опытов, проведенных с обезвоженными
растворами Флорентином и Л’Эрито, что рентабельность
этих растворов почти постоянна, если содержание це-
мента превышает 20%. Это явление происходит, вероят-
но, в результате флокуляции, вызванной высвободив-
шейся при схватывании цемента известью, что подтверж-
дается снижением влияния качества глины при смеши-
вании ее с цементом на рентабельность раствора.
Если требуется уменьшить вязкость этик растворов,
используют разжижающие добавки. Так, можно обес-
печить стабильность, постоянно поддерживая ннъектиру-
емость при глинистом растворе низкого качества Ста-
бильности добиваются увеличением количества сухого
материала (Сагоп, 1953) (рис 20-9 п 20-10).
Добавление силиката обычно сгущает растворы. Од-
нако для некоторых растворов при небольших количе-
235
СТВйх силиката вязкость может сохраняться и даже
слегка снижаться (рис 20 II) Вероятно, эти результаты
зависят главным образом от природы глин и порядка
смешивания.
При получении раствора цемент — глина перемеши-
ванием суспензии цемента н глины одинаковой вязкости
Рис 20-9. Влияние смачивающих до
бавок на вязкость раствора, содер
жашего в 1 л 80 г цемента. 100 г
глины Гi и 400 г глины Г»
1—3 — смачивающие добавки I, 2 и 3
Рис 20 10 Влияние смачи-
вающих добавок на вяз-
кость раствора, содержаще-
го в I л 200 г цемента н
различное количество глины.
1 — глина, 890 г/л, разжи-
жающая добавка К 2 — гли-
на, 875 г/л, разжижающая
добавка 2. 3 — глина, 850 г/л.
разжижающая добавка 1;
4— глина. 630 г/л, разжижаю-
щая добавка 3, 5 — глина,
818 г,л, разжижающая до-
бавка 1
отмечается, что конечная вязкость весьма непостоянна
и зависит от состава смеси и типа глии (рис. 20-12).
Для некоторых глин вязкость практически постоянна
при всех составах, для других она значительно возра-
стает, что делает растворы неинъектируемыми. Такне
смеси, следовательно, обладают чрезвычайно сложными
качествами, и вывести для них общие правила трудно
(Е du Bois, 1963).
Очевидно, прочность иа одноосное сжатие после схва-
тывания зависит только от количества цемента или, точ-
нее, от цементно-водного отношения (Caron, 1953, Barbe-
dette — Sabarly, 1953)
236
Введение незначительного количества глины, умень-
шая величину цементно-водною отношения, несколько
снижает прочность (Postel — Barbedette, 1948, Caron,
1953) При цементно-водном отношении меньше0,5 полу*
чают прочности весьма небольшие, но не нулевые (Caron,
1953) Например, раствор, имеющий в возрасте 3 мес
Жочкость около 30 кгс1смг при
В=0,5, при Я/В=0,2 дает
3—4 кас/1сл£2. При меньших
Ц/В прочность быстро снижа-
ется до нуля.
м-
0123456789 10
Силикат, °/ос
Рис 20-12 Изменение
вязкости растворов, по-
лученных в результате
смешивания суспензий,
имеющих одинаковую
вязкость по конусу Мар-
ша (40 сек),
1 — бентонит — цемент; 2—
глина Г» — цемент, S —
глина Г — цемент. 4 —
глина Г. — цемент
Рис. 20*11. Влияние силиката на вяз
кость глино-цементных растворов
1 — цемент, 20D г/д, глина Fj 550 г{Л,
2 —цемент, 100 гл, глина Г( 250 г,'л,
глина Г2 100 г/д; 3 — цемент, 200 гл,
глина Л 450 г/л
На рис. 20-13 по данным испытаний 17 растворов
уточняется эта зависимость. Большой разброс результа-
тов вызван различными типами цементов, введением в
некоторые растворы пластифицирующих, разжижающих
и других добавок, определением прочности в возрасте
3 мес. при естественном либо ускоренном старении или
экстраполяцией.
При £{/!В=0,05 схватывания цемента не происходит.
Расстояние между его частицами слишком велико, и
они гидра тируются раздельно.
237
Твердение растворов при воЛО-цементиом отношений
ниже 0,5 идет очень медленно Отмечается тем не менее
через несколько часов четкое увеличение прочности
структуры. Следует, вероятно, видеть в этом консолида-
цию глины ионами кальция цемента.
Вывод по этим испытаниям был сделан следующий
Если требуется полачнть значительную прочность,
следует, чтобы Ц;В было больше 0,5
Ряс. 20 13. Изменение прочности на сжатие
глино-цементных растворов при не-
больших величинах ЩВ.
Кривая построена по данным испытаний
17 растворов.
Если хотят просто консолидировать раствор и огра-
ничить радиус действия инъекции за счет тиксотропии,
UiB должно быть выше 0,2 Эта тиксотропия, впрочем,
необратима в отличие от тиксотропии бентонита.
Наконец, если не требуется получить такой характер
тиксотропии, Ц/В может быть еще ниже.
В заключение укажем, что если вязкость конечного
раствора одинакова с вязкостью исходных цементного
и глинистого растворов, можно представить свойства
этого раствора с помощью треугольной диаграммы
(рис. 20-14).
Эта замечательная иллюстрация, составленная Бар-
бедетом и Сабарлн (1953), позволяет с помощью только
нескольких испытании определить плотность, вязкость,
прочность и стоимость всех возможных растворов, по-
238
лучаемых путем варьирования пропорций глины и не*
мента. К сожалению, такое изображение не универсаль-
но, поскольку, как было сказано выше, вязкость конеч-
ного раствора не совпадает с вязкостью исходных рас-
творов, а это условно было принято при составлении
.тиаграммы
бода
Глина
Цемент
ол
и, спз
11ГБ9
3000
ЛООО „
. 5000 Стоимость
6000 материалов
SOW NtL 1j*3
',8000 раствора,
'oil's WOOD
' аву^ООО
1^000
16000
, . 18000
№ ^20000
£№.'25000
J .30000
\о ц/в
глина цемент
Рнс. 20-14. Диаграмма свойств глиио-цсмснтиогр раствора
(Цена материалов, глина 3250 франков/т, цемент 17 000 франков/т)
ГЛИНО-ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЕ РАСТВОРЫ
Если заполняемые раствором пустоты достаточно ве-
лики, чтобы можно было не ограничивать максималь-
ные размеры частиц раствора, в гл н но-цементный рас-
твор можно добавлять песок.
Например, состав (на 1 и? раствора) воды 560 л,
глины 85 кг, мелкого песка 850 кг, цемента 280 кг обес-
печивает получение густого раствора практически без
водоотделения, конечная прочность которого составляет
50 кгс/см2.
Состав зависит от характеристик составляющих ма-
териалов, особенно глины и цемента.
Тиксотропный глино-цементно-песчаный раствор
Обычно глинистые или глино-цементные растворы в
некоторой степени тиксотропны. Этого достаточно для
блокировки раствора в мелких пустотах грунта Одиако
234
Рис 2015 Инъекция
тиксотропного раствора
под воду
если требхется закрывать более крупные пустоты, на
пример трещины с раскрытием около 1 дм, тиксотропия
подобного раствора проявляется слишком медленно, что-
бы ограничить продвижение раствора В этом случае
обрабатываемый участок должен быть окружен дешевой
«перемычкой* минимальной толщины, механическая
прочность которой не имеет особого значения.
Впервые эта проблема возникла во время консоли-
дации правобережного примыкания плотины Кастнльон
на р Вердон (Франция) Флорентин и Л'Эрнто разрабо-
тали раствор на основе бенто-
нита, песка и цемента, кото-
рый приобретал структу рную
прочность, как только он пере-
ставал течь. Через некоторое
время схватывание цемента
обеспечивало раствору оконча-
тельную прочность. Текучесть
такого раствора была доволь-
но значительной. Инъекция в
полость, ограничеину ю двумя
вертикальными и параллельны-
ми стеклами, показывает, что раствор, падая сверху,
скапливается в ннжней части, образуя откос с уклоном
14° к горизонту Падающая струя вибрирует уже ско-
пившу юся часть и разжижает ее.
Если же инъекционная трубка достигает дна полости,
образуется массив, ограниченный волнистой выпуклой
поверхностью (рис 20-15). В этот массив раствор посту-
пает через центральную часть, окружающую инъекцион-
ную трубку Загустевшие за счет тиксотропии стенки
массива перемещаются с трудом, что заставляет раствор
подниматься, а не растекаться горизонтально, как это
происходит с обычными растворами.
Под водой происходит аналогичное явление. Вода
остается прозрачной, что свидетельствует о неразмыва-
емости раствора. Подача воздуха через трубку освобож-
дает центральную часть массива, которая’снова тампо-
нирхется при возобновлении инъекции. Таким образом,
остановки не вызывают осложнений. Можно даже про-
мывать трубопроводы, не снижая качества работ.
Раствор, обеспечивший такие результаты, содержал
бентонит, песок, цемент н силикат натрия. Количество
бентонита было таким, какое необходимо для поддер-
240
жания песка во взвешенном состоянии, с тем чтобы м
снижать напрасно механическую прочность
Опыты показали, что неотсортированный песок с наи-
большим диаметром зерен 1 мм обеспечивал большую*
текучесть и лучшую прочность, чем однородный песок
Применялась также известковая мука, близкая по
гранулометрическому составу к цементу. Силикат обе-
спечивал раствору тиксотропность, цемент—конечную
прочность.
Окончательный состав раствора был определен на
строительной площадке с учетом используемых в дейст-
вительности материалов и воды. Раствор содержал на
1 ж3: воды 450 л, бентонита 38 кг, песка 810 кг, цемента
450 кг и силиката 90 л.
Прочность на сжатие в возрасте 28 дней составляла
около 50 кгс!см2.
Возможны различные составы раствора, даже с гра-
вием. Количество глины должно быть таким, чтобы гра-
вий находился во взвешенном состоянии. Вот возможный
состав такого раствора, воды —252 л, глины —42 кг,
бентонита — 6 кг, песка — 660 кг, гравия—1220 кг, це-
мента—122 кг. Этот раствор может служить для пере-
крытия значительных пустот Тиксотропия его может
быть улучшена добавлением силиката.
Систематическое исследование таких растворов пред-
ставляется сложным в связи со значительным количест-
вом составляющих элементов. Оно, возможно, будет ког-
да-нибудь проведено, ио в настоящее время имеются
лишь отдельные рецепты.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ
Если в состав раствора входит несколько составляю-
щих, порядок смеси может иметь огромное значение,
особенно если некоторые из этих составляющих содер-
жат коллоиды. Строительство всегда должно соблюдать
способ, разработанный в лаборатории. Мы отметим здесь
лишь два обстоятельства.
Поведение бентонита совершенно различно в зави-
симости от того, используют ли его сразу же после рас-
творения или через несколько дней. В последнем случае
все частицы бентонита успевают пропитаться водой и его
коллоидные свойства проявятся полнее.
М
Когда в растворе содержатся одновременно глина и
песок, имеет смысл затворять оба эти материала одно-
временно. Одна глина имеет тенденцию образовывать
плохо растворимые спстки, чего не происходит вместе
с песком. Практика показывает, что время перемешива-
ния для получения однородного раствора также снижа
ется в отношении Vs*
Глава двадцать первая
ЖИДКИЕ РАСТВОРЫ ИЗ ХИМИЧЕСКИХ
ПРОДУКТОВ. ТВЕРДЫЕ ГЕЛИ СИЛИКАТА
НАТРИЯ И ЛИГНОХРОМА
Размер частиц или агрегатов твердой фазы, находя-
щихся во взвешенном состоянии в обычном растворе,
ограничивает проникаемость растворов. Естественно по-
этому обращение к химии для выбора жидких раство-
ров, которые могли бы заполнить все поры грунта, в ко-
торые может проникнуть вода.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В 1886 г было предложено использование силиката
натрия и реагента. Эти растворы, улучшенные в даль-
нейшем, применяются и сейчас.
В связи с относительно высокой стоимостью матери-
алов можно попытаться уменьшить их расход добавле-
нием суспензии мелкого порошка, например цемента или
глины. Однако для сохранения высокой проиикаемости
нужна глина с очень малыми частицами, т е бентонит.
В 1910 г. появился патент на раствор из щелочи лиг-
носульфита и бихромата. Свойства этих растворов зави-
сят в основном от качества щелочи, которая, являясь
остаточным продуктом при переработке древесины, не
всегда имеет одинаковый состав. Только в последние
годы стали проводиться систематические исследования
этих материалов, и применение их еще незначительно.
Наконец, появились растворы из органических смол,
до полимеризации имеющие постоянную вязкость, почти
равную вязкости воды. Их, следовательно, можно инъ-
ектировать в грунт, весьма мало проницаемый. Кроме
того, подбирая соответствующие смолы, получают конеч-
242
иыи продукт сивершсшю упругий или, наоборот, более
прочный, чем бетоны хорошего качества
Смолы стоят в 10—20 раз дороже силиката Поэтому
с экономической точки зрения их можно использовать
только для самых необходимых работ и в ограниченном
объеме.
Несмотря на это, -применение смол возрастает, так
как теперь научились нагнетать
необходимые места, избегая их
чрезмерного распространения.
Работа с этими растворами, не-
смотря на кажущуюся простоту,
требует большого опыта, для то-
го чтобы выполнить ее эконо-
мично.
Изменение вязкости жидких
растворов является определяю-
щим требованием для проведения
инъекции. На рис. 21-1 показано,
что только органические смолы
имеют постоянную вязкость до
самого момента схватывания
Другие растворы постепенно сгу-
щаются. И если не принять мер,
то вместо проникания раствора в
пустоты грунта можно вызвать
образован!^ разрывов, чего сле-
дует избегать при использовании
столь дорогостоящих материалов.
хорошие растворы в
Рис 21 1 Изменение вяз
кости при твердении трех
различных раствс ров в
течение I ч.
I — лигносульфит. 2 — си-
ликат натрия; 3 — смола
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ СХВАТЫВАНИЯ РАСТВОРОВ
Время, за которое жидкий раствор превращается в
более или менее твердый, называется временем транс-
формации или схватывания. Нетрудно найти его, если
схватывание легко определимо, как, например, для смол
Но для случаи силиката натрия или лигносульфита это
обычно пс так.
Измерение вязкости не может дать хорошего крите-
рия схватывания. Известны вещества, которые являются
лишь исключительно вязкими жидкостями. Кроме того,
когда вязкость увеличивается постоянно, неизвестно, ка-
кое время выбрать (рис. 21-1 п 21-2).
При измерении прочности структуры выявляется
порог увеличения ее при схватывании (рис. 21-3). Одна-
213
ко постепенное появление этого порога препятствует
определению точного времени схватывания Кроме того,
измерения требуют очень точных приборов.
Непрямые измерения прочности структуры осуществ-
ляются путем наблюдений за погружением под действи-
ем собственного веса стального конуса, острие которого
вначале помещается на поверхности геля. Этот конус
весом 100 г имеет угол на вершине, равный 15°. Погру-
жение измеряется через 5 сек после опускания конуса.
Как и в предыдущем случае, эти измерения не позволя-
ют получить точное время схватывания
Рис 21-2. Изменение вязко-
сти двух гелей силиката
натрия во времени.
1 — гель, время схватывают
37 жия; 2 — гель, время схва-
тывания 67 жих.
Рис 21-3. Изменение структур-
ной прочности f гелей во вре-
мени.
1 — гель, время схватывания
8 мин; 2 — гель время схваты-
вания 17 мин.
Практически схватывание определяют, опрокидывая
сосуд, содержащий гель. Схватывание наступает, когда
гель не вытекает из сосуда.
Некоторые экспериментаторы удовлетворяются тем,
что кладут сосуд с гелем набок. Свободная поверхность,
которая при этом становится вертикальной, должна со-
хранять свое положение. Другие просто встряхивают
сосуд с гелем. Когда гель начинает отставать от стенок,
заметно сохраняя форму сосуда, считается, что он схва-
тился.
Каждому из этих простых критериев соответствует
различное время схватывания для одного и того же
геля. Эти величины близки при коротком времени схва-
тывания, но если оно превышг-ет 1 ч, они резко различа-
ются.
244
Небезынтересно тем нс менее знать, имеются ли дру-
гие методы, позволяющие более точно определить эту
трансформацию. Поскольку силикагель поглощает в зна-
чительной степени свет, можно было бы считать, что
схватыванию геля должно соответствовать изменение
величины поглощения В действительности этого ие про-
исходит (рис 21-4) Мож-
но лишь отметить, что
гель, схватывающийся
практически за четверть
часа, поглощает все боль-
ше и больше света в те-
чение 10 ч. Гелеобразова-
ние продолжается много
часов спустя после схва-
тывания.
Измерения величины
pH или удельного сопро
тивления не дают лучших
результатов. Эги величи-
ны остаются постоянными
Рис 21-4 Поглощение света гелем
во времени.
в течение процесса геле-
образования, что подтверждает, как будет ясно в даль-
нейшем, что гелеобразование силиката связано не с хи-
мической реакцией, а с нейтрализацией электрических
зарядов.
Эти методы субъективны и не позволяют точно опре-
делить время схватывания, однако они вполне достаточ-
ны для нужд строительных площадок.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕЛЯХ СИЛИКАТА НАТРИЯ
Добавление к силикату натрия1 соответствующего
количества реагентов: электролита, кислоты или другого
коллоидного раствора образует золь, который через ие-
1 Имеющиеся в продаже силикаты являются более пли менее
коллоидными жидкостями, которые можно уподобить растворам
в щелочи полисилпкатов и ыетакремневоп кислоты Эти растворы
стабильны, только если имеется достаточно щелочи, необходимое
количество которой тем больше, чем концентрированнее силикат
Силикат натрия, используемый в настоящее время во Франции,
имеет плотность 36 —38° по Боме. Он содержит 26,3—26,7% SiO2,
7,8--7,9% Na2O и 65,5-65,8% Н2О, характеризуется отношением
SiO2/Na2O, рапным 3,4. и вязкостью от 50 до 100 спз, Этот состав
имеет влияние на свойства растворов, что следует учитывать
245
который более пли менее длительный срок превращает-
ся в гель. Гель может быть пластичным или твердым.
Следовательно, эти продукты можно использовать
для обеспечения водонепроницаемости или консолида-
ции грунтов.
Идея заполнения пор грунта подобной жидкостью
достаточно стара, уже в 1886 г в Германии имелся па-
тент на это. Патент Джезпорского (Jeziorsky, 1887) дал
ясное описание метода, по которому в грунт раздельно
ннъектнрхют раствор силиката натрия, а затем раствор
хлористого кальция Силикат дает прочный гель, кото-
рый гкрспляет грунт, одновременно обеспечивая ему
водонепроницаемость. Этот метод был вновь разработан
Дж> стеком (Joosten) в 1926 г. и с тех пор известен под
этим названием
Другой старый патент Лемера — Дюмона (Lemaire —
Dumont, 1909) описывает иной метод Смешивается си-
ликат натрия с кислотой, и этот раствор, заннъектнро-
ванный в грунт, через некоторое время превращается в
гель. Получаемый гель непрочен и может служить толь-
ко для обеспечения водонепроницаемости. От этого ме-
тода пришлось отказаться после отрицательных испыта-
ний, однако принцип его остается в методах Гейрарда и
Родно 1 2 3.
Невозможно, не выходя за рамки данной работы,
распространяться обо всех явлениях коллоидной химии,
связанной с трансформацией этих растворов; напомним
лишь об основных свойствах (Caron, 1964).
Образование геля
Раствор силиката натрия содержит кремнекислые
коллоиды, заряженные отрицательно. Нейтрализация
этих зарядов путем добавления положительных коллои-
дов или катионов (Н+, тяжелые и щелочноземельные
металлы) вызывает образование сгустков или геля. Мы
не будем останавливаться на этом различии; некоторые
авторы полагают, что речь идет об одном и том же явле-
нии Такое превращение соответствует схватыванию рас-
твора.
1 В СССР этот метод называется методом двухрастворной си-
ликатизации. (Примем, п е р е в.)
3 В СССР такой метод называется методом однорас творнон си-
ликатизации (Пр и меч перев)
246
Нейтрализация электрических зарядов ис имеет ииче
го общего с химической нейтрализацией В настоящее
время приготавливают гели с переменным временем
Рис. 21-5. Сматывание геля прн нейтрализации кремнекислых ионов
ис зависит от pH и реактива
1 — слабая органическая кислота, 2 — сильная органическая кислота
или НС! + фосфат; з — сильные минеральные кислоты
схватывания добавлением
извести или алюмината на-
трия, т. е. при постоянной
величине pH. При примене-
нии кислоты имеет значение
ее количество, а не величи-
на pH. Следует брать всегда
одинаковое количество кис-
лоты в нормальном раство-
ре, в то время как величина
pH изменяется в довольно
значительных пропорциях в
зависимости от того, сильна
или слаба кислота. Это под-
Рис 21-6 Время схватывания
в зависимости от величины pH
(по Планку)
тверждается рис. 21-5, где
взяты только гели оснований. Кривая времени схваты-
вания в зависимости от величины pH имеет форму па-
раболы (рис. 21-6).
247
Если количества катионов достаточно для получения
электрически нейтральной среды, получается мгновенное
превращение. Если количества катионов недостаточно,
получается медленный переход системы в гель. Наконец,
если имеется избыток, кремнекислый коллоид заряжает-
ся положительно и происходит медленное превращение
в гель, как и в предыдущем случае.
Следовательно, имеются два способа инъекции: пер-
вый вызывает мгновенное образование прочного геля,
используемого для консолидации грунтов; силикат и его
реагент входят в контакт в грунте (методы Джезиорско-
го —Джустена и Франсуа) (Jeziorsky— Joostcn, Fran-
cois); при втором предварительная смесь силиката и ре-
агента дает (в заранее определенный cport) либо жела-
тинированную массу, позволяющую только обеспечить
водонепроницаемость (методы Лемера — Дюмона, Гей-
рарда, Родио) (Lemaire — Dumont — Gayrard — Rodio),
либо прочный гель, предназначенный для консолидации
(методы Диамон Алкали, Нобель — Бозель, Солетанш).
РАЗДЕЛЬНАЯ ИНЪЕКЦИЯ СИЛИКАТА И РЕАГЕНТА
Метод Джезиорского—Джустена
Этот метод заключается в инъекции через две сосед-
ние скважины (в крайнем случае через одну и ту же)
сначала силиката натрия при 37—38° по Боме, затем
раствора хлористого кальция при 35° по Боме. Смесь
этих двух жидкостей мгновенно дает очень прочный
гель. Многочисленные испытания показали, что этот
гель нерастворим и нечувствителен к химическим реак-
тивам. Заинъектированные таким образом пески имеют
прочность при одноосном сжатии от 20 до 80 кгс/см2.
Лабораторные исследования, выполненные проф. Гут-
маном на образцах, заинъектированных этим способом,
показали результаты, приведенные в табл. 21-1 (каж-
дый образец содержит 1 часть цемента и 10 частей песка
размером 0—7 мм).
Эти результаты показывают, что гель, полученный
этим способом, весьма прочен. Прочность образцов уве-
личилась в 4 раза после инъекции.
Если растворить силикат, доведя его, например, до
30 32г по Боме, прочность конечного продукта составит
248
окою трети величины прочности, соответствующей сияи
кату при концентрации 37 38° по Ьоме Контроль за
плотностью шгьектируемых материалов имеет, следова-
тельно, огромное значение.
Таблица 21-1
Прочность на одноосное
сжатие, нас/сл9» а нозрасте
Образцы
7 дней
28 дней
Чистые . . .
Инъектированн
53
202
Большая концентрация этих двух растворов не поз-
воляет вести инъекцию в мелкозернистых песках. Напри-
мер, инъекция силиката натрия при 37—38° по Боме в
мелкозернистый песок, содержащий 42% частиц разме-
ром менее 0,2 мм, требует давления до 10 кгс/см2, а инъ-
екция хлористого кальция при 35° по Боме должна вес-
тись при давлении 50 кгс/см2. Кроме того, обработка
получается неоднородной, песок инъектируется неравно-
мерно и закрепления не получается
Патент, полученный в 1938 г. фирмой Тиефбау (Tief-
bau), описывает метод, не обладающий подобными не-
достатками. Он заключается в увеличении щелочности
силиката добавлением гидратов окиси или карбонатов
щелочей. Раствор силиката при концентрации 37—38° по
Боме доводится, таким образом, до концентрации
30—35° по Боме. Тогда он легко инъектируется. Мелко-
зернистый песок, о котором говорилось выше, инъекти-
руется этим методом без применения высоких давлений
силикатным раствором, доведенным до 32° по Боме; до-
статочно давления 8 кгс/см2 для нагнетания раствора
хлористого кальция с концентрацией 32° по Боме
Песок обрабатывается равномерно н его прочность
на одноосное сжатие достигает 70 кгс/см2. Можно счи-
тать, что этот метод значительно уменьшает вязкость си-
ликата и обеспечивает ему такие свойства, что взаимо-
действие его с хлористым кальцием становится менее
резким.
Следует напомнить, что добавление раствора хлори-
стого кальция в силикат натрия мгновенно вызывает об-
249
разевание очень прочного геля. Это простое .лаборатор-
ное испытание доказывает» что подобный метод неприме-
ним для инъекции, посколыл как только две жидкости
соединяются, образуется гель, который не может больше
течь. Если этого не происходит, то только потому, что
хлористый кальций распространяется в силикате, запол-
няющем поры грунта, идентично тому, как происходит
разжижение растворов, смешиваемых с водой (см
гл. 3). Спустя некоторое время весь силикат вокруг инъ-
екционной скважины прореагирует и дальнейшая инъек-
ция хлористого кальция становится невозможной.
Ясно, что радиус действия такой инъекции ие может
быть большим. Действительно, практика показывает,
что скважины должны быть расположены на расстоянии
от 0,60 до 1 м друг от друга в зависимости от качества
обработки, которое требуется получить.
Использование концентрированных продуктов' и
слишком небольшое расстояние между скважинами де-
лают этот метод очень дорогим. Поскольку, кроме того,
он требует высоких инъекционных давлений, его можно
применять только в особых случаях. Эти осложнения
объясняют причину появления других методов консоли-
дации грунта.
Метод Франсуа
Как было сказано выше, в методе Франсуа, запатен-
тованном в 1911 г., силикагель используется для облег-
чения инъекции цемента в пористые скальные породы.
В этом методе коагуляция силиката происходила
мгновенно, как только ои входил в соприкосновение с
концентрированным раствором сульфата алюминия.
Впрочем, при соответствующем разжижении сульфата
алюминия можно также приготовить пластичные гели с
замедленным схватыванием.
Теоретически этот гель, содержащий сульфат, не дол-
жен контактировать с каменной кладкой или бетоном,
содержащим портландцемент. В этом случае образуется
сульфоалюминат, который разрушает каменную кладку
и бетон. В действительности же известны многочислен-
ные случаи, когда инъекция геля прн контакте с бето-
ном ие вызывала никаких нарушений в нем. Как часто
случается, очень логичные теоретические рассуждения
не подтверждаются в действительности. Реально только
то, что дает практика.
250
ИНЪЕКЦИЯ СМЕСИ СИЛИКАТ — РЕАКТИВ
Методы Джустена и Франсуа характеризуются ис-
пользованием двух жидкостей, ииъсктирусмых одна по-
сле другой; коагуляция происходит в момент их контак-
та Это требует применения высоких давлений и пред-
полагает небольшой радиус действия
В следующей главе будет идти речь о множестве ге
лей, созданных одним раствором, с регулируемым вре-
менем схватывания К сожалению, все эти гели, кон-
систенция которых после схватывания сравнима, напри-
мер, со смородинным желе, не имеют никакой меха-
нической прочности. Приходится, следовательно, искать
формулу такого раствора с замедленным временем
схватывания, для того чтобы обеспечить проведение
инъекции, который после схватывания дает гель такой
же твердости, как и при использовании метода Джу-
стена.
К 1957 г. лаборатории фирм Солетанш и Нобель —
Бозель во Франции, а также Диамон Алкали в США
провели исследования в этой области. Все три лаборато-
рии получили удовлетворительные результаты, исполь-
зовав в качестве реактивов ацетат этила (Солетанш),
глиоксаль (Нобель—Бозель) и формамид (Диамои Ал-
кали). Гель с этиловым ацетатом на 30—40% дешевле
двух других.
Общей чертой этих трех методов является введение
в чистый или слегка разведенный силикат органическо-
го реактива, который не должен оказывать непосредст-
венного воздействия на натрий силиката Этот органиче-
ский реактив должен медленно превращаться в иовые
вещества, которые и являются гелеобразующими реак-
тивами силиката.
При введении этилового ацетата происходит реакция,
которая высвобождает кислоту и спирт, являющиеся
реактивами силиката.
При введении глиоксаля происходит внутренняя ре-
акция Каницаро (Canizzaro), которая превращает его в
гликолевую кислоту.
При введении формамида происходит гидролиз, прев-
ращающий формамид в формиат аммония, взаимодейст-
вующий с натрием силиката.
Эти три типа превращений происходят достаточно
медленно, и органический реагент можно добавить в
251
чистый силикат, не опасаясь преждевременного гелеоб-
разования в смесителе пли трубопроводах.
Гель характеризуется очень высокой механической
прочностью: около 20 кгс/см2 в чистом геле и около
30 кгс/см2 в смеси геля с песком.
На рис. 21-7 показано изменение прочностей геля с
ацетатом в зависимости от времени, соответствующее,
как и для цементов, логарифмическому закону
Рис 21 7. Изменение проч-
ности на сжатие твер-
дого геля (Солетанш) в за-
висимости от времени н до-
зировки реактива.
Рис. 21-8. Ползучесть
образцов чистого геля
прн нагрузке 3 кгс/см2.
1 — гель Солетанш; 2 —
гель Джустена.
Здесь речь идет о прочности на одноосное сжатие
чистого геля под действием нагрузок, прилагаемых очень
быстро. В противном случае отмечается ползучесть.
Точнее, под действием постоянной нагрузки отмечаются
упругая мгновенная деформация, упругая запаздыва-
ющая деформация —обе небольшие и обратимые и,
наконец, значительная деформация ползучести, пропор-
циональная времени и необратимая.
Такое поведение отмечается, впрочем, хотя и менее
выражено, в опытах с гелем Джустена (рис. 21-8). Мож-
но считать, что эти гелн являются жидкостями, облада-
ющими очень большой вязкостью. Напротив, песок за-
инъектнрованный таким раствором, совсем не имеет
ползучести. Прочность почти удваивается (рис. 21-9).
252
Инъекция раствора происходит при таком же давле
нин, как и при инъекции чистого силиката в первой фазе
метода Джу стена. Высокое давление вызвано относи-
тельно высокой вязкостью раствора (100 спз) и обычны-
ми расходами инъекции. В этих условиях нельзя пропи
тать грунт проницаемостью менее 10 дарси (10-4 м/сек)
Следовало бы в 20 раз сократить расход, чтобы инъек
тировать грунт с проницаемостью 1 дарси Столь малые
расходы не годятся для проведения работ.
Рис. 21-9. Прочность
на сжатие твердого
геля (Солетанш) в
чистом виде и заннъ-
ектнрованиого в пе-
сок.
Рис 21-10 Вязкость рас-
творов силиката натрия
1 — с песком; 2 — без
песка.
Для инъекции в малопроницаемые грхнты следует
снизить вязкость раствора. Наиболее простой способ —
добавить в раствор воды. Вязкость очень быстро снижа-
ется. Для этого достаточно 30-40% воды (рис 21-10).
К сожалению, прочность геля очень быстро снижается
при разведении раствора. Этот недостаток можно воз-
местить лишь с помощью многочисленных добавок Тог-
да прочность поднимается до приемлемой величины. На-
пример, мелкозернистый песок после инъекции приобре-
тает прочность на сжатие около 16 кгс/см2.
Несмотря на то, что ацетатные гели самые дешевые
из трех названных, они стоят очень дорого: в 3 раза до-
253
роже, чем гели с алюминатом натрия, о которых бхдет
сказано ниже, и на 10% дороже гелей, полученных мето-
дом Джустена Однако можно надеяться, что их приме-
нение будет стоить в 3 раза дешевле, чем при методе
Джустена. в связи со значительно меньшим количеством
скважин. Если нет необходимости в получении очень вы-
соких прочностей, применяют растворенные гели, кото-
рые, естественно, дешевле.
Однако эти гели обладают не только достоинством.
Следует также знать и о их недостатках. Состав чистого
или несколько растворенного силиката имеет первосте-
пенное значение. Растворы с органическими или мине-
ральными реактивами чувствительны к ошибкам в дози-
ровках
Гели обладают синерезисом, зависящим от состава и
типа реактива. Формамид обычно приводит к наиболее
сильному синерезису.
Лабораторные опыты н практические результаты по-
казывают тем не менее, что синерезис происходит в по-
рах грунта только в том случае, когда они имеют боль-
шие размеры. Например, синерезиса ие бывает в песке,
частицы которого имеют диаметр около 0,1 лен, в то вре-
мя как он появляется при размерах частиц от 1 до 2 мм
(см. гл. 9).
Наконец, отмечается некоторая растворимость чистых
гелей в воде, хотя в лабораторных условиях не удалось
растворить гель, заинъектированный в песок, несмотря
на интенсивную промывку. Можно считать, что раство-
рения ие происходит, пока не появляется синерезис. По-
этому неудивительно, что инъекция этих растворов в
реальный малопроницаемый грунт всегда дает вполне
удовлетворительный результат.
ЛИГНОСУЛЬФИТНОХРОМОВЫЕ ГЕЛИ
Лигносульфитные концентрированные щелочи1, яв-
ляющиеся отходом обработки древесины, могут образо-
вывать гели при добавлении бихромата калия или нат-
рия. Этот гель, менее прочный, чем получаемый из чис-
того силиката, может все же использоваться для работ
по консолидации.
1 Например, состав сухого экстракта бисульфит кого щелока со-
держит сульфонированного лигнита 76%, сахара восстановителя
19% в минеральной золы 4%.
254
Метод был запатентован впервые в 1910 г Затем он
изучался Смитом (Smith, 1952), Анжером (Anger, 1955),
Перлем и Бейером (Pearl, Beyer, 1956), Аальцио и Ро-
шье (Aaltio, Roschier, 1957) и Кароном (Caron, 1961—
1961).
Перль и Бейер установили, что гелеобразование про-
исходит в результате сложной основной реакции, на ко-
торой мы не останавливаемся, и реакций окисления-
восстановления, нежелательных в связи с бесполезным
Рис. 21-11. Влияние концен-
трации С лигиосульфнгной
щелочи на время схваты-
вания гелей.
Рис 21-12 Влияние содержания
бихромата Б на время схватыва
ния гелем
потреблением солей хрома. Время схватывания геля1
зависит от концентрации твердых веществ щелочи, кото-
рая, являясь отходом переработки, имеет различный со-
став. Эта концентрация С выражается, например, отно-
шением веса сухого остатка (в граммах) к объему
щелочи (в кубических сантиметрах) (рнс 21-11). Это
отношение также зависит от содержания бнхромата, ко-
торое выражается отношением веса бнхромата к весу
сухого остатка щелочи (рис. 21-12).
Ясно, что если раз и навсегда установить это послед-
нее отношение, то достаточно варьировать количество
воды, для того чтобы получить гели с различным време-
1 В этих исследованиях экспериментаторы определяли время
схватывания по глубине погружения стального конуса
255
нем схватывания Это принцип получения некоторых
коммерческих веществ Однако очевидно, что при этом
метод теряет свою гибкость, поскольку при определен’
ном растворении нельзя регулировать время схватыва-
ния Величина pH щелочи оказывает ощутимое влияние
на время схватывания (рис 21*13), низкие температуры
оказывают относительно значительный замедляющий
эффект (рис 21-14).
Рис. 21-13. Влияние pH на
время схватывания гелей
Рис 21-14 Влияние температуры
на время схватывания.
Устранение сахара ферментацией щелочи увеличива-
ет скорость гелеобразования (рис. 21-15). Это может
быть объяснено окислением сахара бихроматом. Когда
сахар устранен, весь бихромат может вступить в реак-
цию с лигносульфонатами. И тогда, естественно, реак*
ция должна проходить быстрее.
Определение времени схватывания четырех различ-
ных лигносульфитов при одинаковом растворении пока-
зало влияние щелочи (рис. 21-16) на время схватыва-
ния. Невозможно заранее определить дозировку би-
хромата для получения геля с определенным временем
схватывания. Каждая новая партия должна быть опро-
бована.
На рис 21-17 и 21-18 показаны прочности, которые
позволяют получить эти четыре лигносульфита для чис-
того геля или заинъектированного песка. Конечная проч-
ность 4—5 кгс/см2 уже позволяет проводить консолида-
цию.
256
Рис 21-15 Сравнение времени
схватывания геля ферментиро-
ванных и неферментпроваиных
щелочен
1 — щелочь ферментированная,
pH -= 2,8; 2 — щелочь нефермен-
тировднная; pH 2,6
Рнс 21-16 Изменение времени
схватывания четырех разлнч
них лнгносульфнтов в завис»
мости от количества бихромата
(по Карону)
Содержание бихромата на
рис 21 16—21 18 указано в
процентах содержания лигно
сульфита
I, 2, 3, 4 — лигносульфиты
Рнс. 21-17 Сцепление чистых
гелей в зависимости от коли-
чества бихромата.
1, 2, 3, 4 — лигносульфиты.
Рнс. 2118 Прочность на сжа-
тие гелей с песком (по Ка-
роиу).
I, 2, 3, 4 — лигвосульфкты.
257
Наконец, pH раствора довольно значительно в шлет
на вепичнт сцептения геля (рис 21-19) Небольшие
величины pH дают лучшие прочности, однако их следует
избегать в известковых песках
Если свежеприготовленный
гель погрузить в воду, она окра-
шивается непрореагировавшим
растворяющимся в воде бихрома
том в желтый цвет, что некото-
рые склонны принимать за рас-
творение геля. По мере развития
реакции диффузия бнхромата за-
медляется, а затем прекращается
Однако лишь твердые гели нераз-
мываемы.
В некоторых условиях, в ча-
Рис 21-19 Влияние pH стности при приготовлении йе-
на сцепление чистых го растворимых гелей с небольшим
хей (по Карону). временем схватывания, реакция
1, з-лигносульфмты дает большое количество токсич-
ного шестивалентного хрома.
Следует принять необходимые меры предосторожности,
чтобы не загрязнить подземные воды.
Глава двадцать вторая
ЖИДКИЕ РАСТВОРЫ ИЗ ХИМИЧЕСКИХ
ПРОДУКТОВ (продолжение). ПЛАСТИЧНЫЕ ГЕЛИ
СИЛИКАТА НАТРИЯ
И ДЕФЛОКУЛИРОВАННОГО БЕНТОНИТА
Пластичные гели силиката натрия образуются при
замедленном превращении в гель раствора, остающегося
жидким в течение всего периода инъекции. Для приго-
товления раствора используют минеральные реактивы,
в то время как для получения твердых гелей при тех же
условиях схватывания применяют органические реак-
тивы.
Прочность таких растворов (несколько десятков
грамм-сил на квадратный сантиметр) дает возмож-
ность использовать их только для обеспечения водоне-
258
проницаемости Растворы эти имеют хорошую проникав
мость п прекрасно дополняют гл и ио-цементные растворы
при инъекции аллювия, содержащего мелкие пески.
СИЛИКАТНЫЕ ГЕЛИ
(методы Лемера — Дюмона, Гейрарда, Родио и др.)
Для всех этих методов характерно замедленное ге-
леобразование раствора силиката натрия с недостаточ-
ным количеством катионов для образования электриче-
ски нейтральной среды При избытке катионов гели ста-
новятся менее стабильными и более дорогими из-за
большого количества реактива.
Лемер и Дюмон использовали соляную кислоту,
Генрард—смесь бикарбоната натрия или калия, хлори-
стого натрия и ги похл ори да натрия или калия, Родио —
известковое молоко. Действительно, для получения од-
ного п того же результата достаточно иметь любой кати-
он в соответствующих пропорциях. Однако далее будет
ясно, что выбор 1акого катиона имеет определенное зна-
чение.
Факторы, влияющие на время схватывания
Реактив. Определение времени схватывания гелей,
приготовленных с применением силиката, раствореииого
на ’/4, и реактива в нормальном растворе, содержащего
следующие вещества: HCI- H2SO4 — HNO3 - Н3РО4 —
СН3СО2Н — НСО2Н — Al2O4Na2 — HCI+C11SO4 - НС1 +
4- гекса метафосфат — НС1 4- лигносульфит, показывает,
чго если i — время схватывания геля; С—концентрация
реактива, имеем:
t =
где k — постоянная, зависящая от качества данного си-
ликата, выражаемого отношением SiO2/Na2O, степени
его растворения и температуры (рис. 22-1)
Разброс результатов происходит за счет невозможно-
сти точного определения времени схватывания. Разно-
образие реактивов прекрасно подтверждает, что здесь
не происходит химической реакции. Это показывает ог-
ромное значение точности дозировки реагента для со-
хранения заданного времени схватывания геля.
Эб»
Растворение. Если необходимо получить гель с по-
стоянным временем схватывания на основе данного си
лпката и реактива заданной концентрации при изменяе-
Рис 22-1 Изменение
времени схватывания ге-
ля в зависимости от со-
держания различных ре-
активов.
Объем реактива в куби-
ческих сантиметрах на
100 см1 силиката, раз-
веденного на (/4.
мом количестве воды, то необхо-
димый объем реактива определя-
ется в линейной зависимости от
содержания воды в геле (рис
22-2).
Отмечается, что чем концент-
рированнее гель, тем более за-
медляется его схватывание при
добавлении воды. Следовательно,
гели, имеющие меньшу ю концент-
рацию активных веществ, менее
подвержены растворению.
Температура Для гелей ха-
рактерно повышение температу-
ры на 2—3°С в момент смешива-
ния силиката с реактивом. Реак-
ция высвобождает более 15000
г-кал тепла на разряженную кис-
лотным ионом или поливалент-
ным катионом молекулу кремне-
кнелоты. Затем гелеобразование
Рнс. 22-2 Влияние степени рас-
творения на время exeat ывання
Количество силиката остается
одинаковым
Рис 22-3 Влияние тем-
пературы на время схва-
тывания.
происходит при постоянной температуре, однако повы-
шение температуры ускоряет реакцию. Скорость удваи-
вается каждый раз, когда температура повышается на
10° С (рис. 22-3).
260
Давление и перемешивание не влияют на время схва-
тывания, если они не вызывают изменения температуры
Инъектируелюя среда. Если обрабатываемый грунт
содержит горячмо подземную воду, схватывание будет
ускорено Ускорение схватывания произойдет, если эта
вода окажется минерализованной и раствор смешает-
ся в некотором степени с водой в начале инъекции. Оба
эти явления можно учесть, с тем чтобы определить зара-
нее необходимый состав раствора. Практика, однако,
показывает, что гранулометрический состав и природа
инъектнруемого песка также оказывают влияние на
время схватывания геля Так, в лаборатории кварце-
вый песок Фонтенбло проницаемостью 15 дарси
(1,5-10~4 м/сек) не удавалось заннъектировать при дав-
лении менее 2 кгс/см2; для закачки 800 см3 раствора в
течение 25 мин требовалось давление 2—5 кгс/см2. Об-
работанный песок имел проницаемость от 0,6 до
3 -10 4 дарси.
Слюдянистый, более мелкий песок проницаемостью
3,3 дарси обрабатывался за 40 мин при давлении
1—2 кгс/см2. За это время было заинъектировано 4 л
раствора Конечная проницаемость составила от 2 до
3- Ю 3 дарси, кроме одного удаленного от места закачки
раствора места, где проницаемость была 3 10“2 дарси.
Разница в поведении этих двух типов песков может
быть отнесена лишь за счет разной природы их частиц
Одни способствуют быстрому схватыванию геля, что зна-
чительно замедляет процесс инъекции Более того, обра-
ботка становится неоднородной, чего не бывает в других
песках, которые обрабатываются равномерно и довольно
легко.
Физические и механические характеристики гелей
Содержание воды в геле с замедленным временем
схватывания всегда довольно велико Оно вполне может
достигать 1 500%. Это значит, что в 100 г геля содержит-
ся около 6,3 г твердого вещества. Это количество может
показаться очень малым, однако если представить себе,
что медуза содержит 2 г сухого вещества на 1 000 г
ткани, становится понятным, почему такие гели вполне
достаточны для обеспечения водонепроницаемости.
Вода содержится в связанной и свободной форме.
Для разделения этих двух фаз Карон (1964) использо-
вал центрифугирование. Очевидно, это дало лишь при-
261
ближеиные резхльтаты, однако данные оказались ните*
ресными (табл. 22-1 и 22-2)
Эти две таблицы нс вполне сравнимы, поскольку во
втором геле с алюминатом содержится меньше двуокиси
кремния, чем в последнем геле с бикарбонатом.
Лишь третий гель с бикарбонатом и первый с алю-
минатом содержат одинаковое количество двуокиси
кремния.
Таблица 22-1
Гель с бикарбонатом
Основные составляющие Содержание до геюобра- аомиия, к Центрифугированный ген.. %
Твердая фаза Жидкая фаза
HtO S1O, 86.1 13,9 4,1 2.5 82 П.4
Н,0 SIO, 88.3 ИЛ 8.6 4,7 79,7 7
HtO SiOf 89.8 10,2 12.4 6.1 77.5 4.1
н,о SiO, 90,1 9.9 17.8 7 72,8 2.9
Тем не менее отмечается, что с бикарбонатом прев-
ращение силиката в гель увеличивается при разведении
геля Кроме того, число молекул связанной воды увели-
чивается при растворении от 5,6 до 8,4 на молекулу
кремнезема твердом фазы
В гелях с алюминатом превращение силиката в гель
более постоянно. В твердой фазе число молекул связан-
ной воды на молекулу кремнезема колеблется от 18 до
30. Оно намного больше, чем в гелях с бикарбонатом.
Эти изменения указывают, кроме того, что силикат
всегда имеется в жидкой фазе. Эти гели с замедленным
схватыванием были получены при недостатке катионов,
что не должно вызывать удивления. Как будет ясно из
дальнейшего, считается естественным обнаружение дву-
окиси кремния в омывающих гели водах.
262
Таблица 22 2
Гель с алюминатом
Основные составляющие Содержание до reseобразования, Центрифугированный гель, К
Твердая фаза Жидкая фаза
НаО 84 40,8 43,2
S1O. 10,2 7,9 2.3
Л 1,0, 1.6 1.6 0
Na2O 4,2 1,2 3
н2о 85,5 45,1 40.4
S1O, 8,8 6,3 2.5
А1ЯО, 1.7 1.7 0
Na2O 4 1 3
Н2О 88,8 34,2 54,6
SiO, 6,4 4,6 1.8
А1аО, 1,6 1.4 0,2
NasO 3,2 0,6 2,6
Н2О 89,7 36.5 53,2
SiO, 5.6 4 1.6
Д12О, 1.7 1.5 0,2
Na2O 3 0.5 2,5
Прочность на срез. Выше (см. рис. 21-3) приводились
исследования прочности структуры (или сопротивления
срезу) некоторых гелей до и после схватывания Здесь
приводятся некоторые дополнительные сведения.
Наиболее любопытным является тот факт, что неза-
висимо от реактива гели с постоянным содержанием си-
ликата и одинаковым временем схватывания имеют в
одинаковом возрасте одну и ту же величину прочности
на срез, принимая во внимание погрешности при изме-
рениях (рис. 22-4).
Были использованы 12 различных реактивов, хотя не
все они приведены на рисунке. Это подтверждает, что
гелеобразование связано нс с химическими, а с электри-
ческими явлениями.
263
Через 10 ч сопротивление сразу практически не уве
лнчнвается для гелей со временем схватывания 20 мин
Максимальная величина прочности на срез невелика,
около 30 гс/см2. Напротив, количество воды, которое
значительно изменяет время схватывания, оказывает
отчетливое влияние на прочность Чем более увеличива-
ется кат и честно воды, тем меньше прочность геля (рис
22-5) (Rousselle, J955. Barbedetlc — Sabarly, 1958)
Рис 22*4 Изменение прочности
структуры f различных гелей с
одинаковым временем схватыва
ния в зависимости от времени
1— алюминат натрия; 2 — бикар-
бонат натрия, 1 — HCI, < — Я>РО«
Рис 22-5 Изменение
прочности структуры f
различных гелей с оди-
наковым временем схва-
тывания в зависимости
от количества волы или
силиката.
Отмечается также, что гели с одинаковым содержа-
нием кремнезема становятся все менее и менее прочны-
ми по мере увеличения их времени схватывания Такое
замедление схватывания происходит в результате все
возрастающего недостатка катионов; разряженных ионов
силиката, способных к гелеобразованию, становится все
меньше и меньше, н сопротивление сразу соответственно
уменьшается Это явление также закономерно. Этим
можно объяснить, почему гель с замедленным схватыва-
нием, даже приготовленный из концентрированного си-
ликата, ие может обладать такой же прочностью на срез,
как гели с мгновенным схватыванием, применяемые в
методах Джустена и подобных им.
264
Линейная зависимость сопротивления срезу f от об-
щего количества кремнезема геля S (рис 22 5) записью
вается как
* В
Рис 22-6 Остановка для изуче-
ния размываемости гелей
1 — счетчик. 2 — манометр. 3 — ре-
гулятор давления; 4 — песчаный
фильтр; 5 — инъектируемый песок
6 — камера для измерения удель-
ного электросопротивления
где k— постоянная; В — количество воды
Постоянная k мало зависит от вида реактива, но
уменьшается с увеличением времени схватывания. Веро-
ятно, она будет независима от времени схватывания,
если за S принять количество кремнезема, участвующего
в гелеобразовании.
Размывание гелей с одинаковым временем схватыва-
ния должно определяться
кремния в вымывающей
воде, поскольку ее в жид-
кой фазе геля находится
довольно много, а по во-
допроницаемости промы-
того геля.
Были проведены ис-
следования с отсортиро-
ванным песком Сены, за-
ннъектированным различ-
ными гелями (рис. 22-6).
Гидравлические гради-
енты фильтрации состави-
ли в первой серии опытов
25, а во второй 50. Это
исключительно жесткие
условия, поскольку прак-
тически заинъектирован-
ный грунт никогда не
подвергается воздействию
столь высоким градиен-
там. 60 дней, в течение которых проводились опыты,
можно приравнять к нескольким годам воздействия
для реальных случаев. До начала промывки гель вы-
держивали в течение суток для завершения гелеобра-
зования.
Одновременно исследовались шесть гелей. Они были
приготовлены со следующими реактивами: НС1, Н3РО4,
AI2(SOi)3, AI2O4Na2, NaIICO3 и НС1 -I- CuSO4 Количест-
во силиката и воды было одинаковым во всех гелях и
265
количество реактива бралось из расчета, чтобы время
схватывания геля составляло 20 мин. Во время проведе-
ния опытов измерялись проницаемость заинъектирован-
ного песка, удельное электросопротивление и содержа-
ние двуокиси кремния в профильтровавшей воде Нач-
нем с проницаемости заинъектированной среды, которая
ныеет основное значение в практике и позволяет пра-
вильно интерпретировать измерения удельных сопротив-
лений и содержания двуокиси кремния.
До начала инъекции песок имел проницаемость около
10 дарси (Ю4 м/сек). Водопроницаемости во время
промывки показаны на рис 22-7
Время прСмыВяи.* дни
Рис 22-7 Изменения в процессе промывки водо-
проницаемости песка, заинъектированного различ-
ными гелями, имеющими одинаковое время схва-
тывания.
Отмечается, что лишь гели с фосфорной кислотой,
алюминатом и бикарбонатом практически не изменяют
проницаемости. Три других геля становятся все более и
более проницаемыми и поэтому нс могут считаться удов-
летворительными. Любопытно отметить, что добавление
сульфата меди к соляной кислоте заметно улучшает ре-
зультаты, не обеспечивая, однако, надлежащего качест-
ва геля. В этом можно усмотреть лишь воздействие на
синерезис геля, который одновременно определяет и
размываемость, и проницаемость заинъектированной
среды.
Именно это и было подтверждено второй серией
опытов, проведенных с песком и гравием, запнъектиро-
ванными гелем с 60% силиката, отвержденного этилаце-
татом (Карон, 1964). Промывка значительно увеличива-
ет водопроницаемость гравия н почти не увеличивает
266
водопроницаемость песка Сены (рис 22-8) Достаточно
обратиться к рис 9 6, чтобы подтвердить, что змачи
тельный синерезис, наблюдаемый в гравии, становится
ничтожным в песках. Именно он определяет изменения
проницаемости, а не размывание геля. Поэтому необхо-
димо не только избегать инъекции грунтов с крупными
порами, но также выбирать соответствующий реактив,
для того чтобы гель не был разрушен синерезисом.
Именно этим и объясняются неудачи при проведении
противофильтрационных работ с помощью некоторых
епчнкагелеп Однако было бы ошибкой осуждать метод,
гак как инъектировался непригод-
ный гель. Практика показывает, что
когда правильно выбран материал,
водонепроницаемость заинъектиро-
вапных песков сохраняется в тече-
ние многих лет и, вероятно, будет
постоянной.
Данные об удельном сопротивле-
нии и содержании двуокиси крем-
ния в фильтрующей воде приводят-
ся лишь в качестве иллюстративно-
го материала, поскольку они не вно-
сят ничего нового (рис. 22-9 и 22-
10). Гели с алюминатом, соляной
кислотой п фосфорной кислотой да-
ют наибольшее количество двуокиси
кремния в начале фильтрации Од-
нако если определить общее коли-
чество двуокиси кремния, выделяю-
щейся с течением времени с учетом
количества профильтровавшей во-
ды, непосредственно связанного с
проницаемостью среды, то можно
отметить, что (рнс. 22-11) больше
Время промыВки^Вни
Рис. 22-8 Измене
ния водопроницаемо-
сти эаинъектирован-
ных грунтов в зави-
симости от их гра-
нулометрического со-
става и продолжи-
тельности вышел ачн
вания (Карон)
1 — гравий крупно-
стью 1—3,2 мм. 2 —
лесок, крупностью
0.06—1,5 ММ
всего двуокиси кремния теряют ге-
ли с соляной кислотой, меньше всего — гели с алюми-
натом и фосфорной кислотой.
Увеличение проницаемости некоторых гелей соответ-
ствует общим величинам потерь кремнезема. Следова-
тельно, твердая фаза этих гелей понемногу растворя-
ется.
Проницаемость гелей с различный содержанием во-
ды изучалась на гелях с алюминатом после 15 дней про-
267
мывки Предшествующие опыты показали, что посчс
этого срока силикат практически больше не теряется
(рис. 22-11) и что проницаемость этого геля нечувстви-
тельна к размыву (см рнс 22-7) Результаты этих опы-
тов приводятся на рнс. 22-12 Здесь можно заметить.
Рнс. 22 10. Содержание лвуокнен кремнии
в профильтровавшей воде
что проницаемость увеличивается с 1 до 10. когда перво-
начальное содержание двуокиси кремния снижается
с 3 до 1.
Увеличение содержания воды в геле увеличивает,
следовательно, его проницаемость. Однако даже в са-
мых неблагоприятных случаях конечная проницаемость
268
Рис 22-12 Воло
проницаемость за-
ннъектпрованнего
песка в зависимо-
сти от количества
силиката в геле
Реактив A!2O4Na2
Рис 22-11 Общее количество рас-
творенного кремнезема
порядка 5 I0-2 дарси достаточно
мала Основное состоит в том,
чтобы гель не размывался, а это
осуществимо.
ГЕЛИ С БЕНТОНИТОМ, ГЛИНОЙ ИЛИ ЦЕМЕНТОМ
Все эти растворы, которые являются бингамовыми
суспензоидами, не могут быть причислены к истинным
растворам, коллоидным или ньютоновским, хотя схва-
тывание их происходит аналогично Действительно, по-
ливалентные растворимые ионы, способные вызвать геле-
образование силиката, находятся в определенном коли-
честве в бентоните, глине или цементе. Гель можно полу-
чить, добавляя эти материалы к силикату. Если это не
дает достаточного количества поливалентных ионов, сле-
дует добавить еще небольшое количество реактива. Это
количество всегда меньше того, которое необходимо,
когда эти твердые материалы не добавляются. Так при-
готавливаются экономичные гели.
Растворы, содержащие цемент, силикат, воду, имеют
весьма неприятное свойство — быстрое оседание цемен-
та. Для того, чтсбы избежать этого, следует добавлять
1-2% бентонита, который даст возможность поддержи-
вать цемент во взвешенном состоянии. Возрастающие
количества бентонита резко убыстряют время схватыва-
ния. Так, можно получить гель на базе цемента, бентони-
та, силиката и воды со временем схватывания, которое
можно регулировать путем изменения пропорций состав-
ляющих. Эти гели представляются более прочными и
менее проницаемыми, чем чистые гели.
269
С\спензню глины или бентонита в воде можно отвер
днть добавлением силиката и реактива Это новое свои
ство позволит гелю остаться в грунте после инъекции
даже прн наличии больших гидравлических градиентов.
Время схватывания этих гелей также легко регули-
руется.
Как правило, используемые для приготовления таких
гелей реактивы, являются флокулянтами глины Поэто-
му в гелях находятся сравнительно крупные сгустки,
хотя и состоящие из весьма мелких частиц. Поэтому
этими растворами нельзя инъектировать такие мелко-
зернистые структуры, которые инъектируются чистыми
силикатными гелями. Чтобы преодолеть это затрудне-
ние, используют пептизирующий реактив, уменьшающий
размер частиц глины. Получаются экономичные раство-
ры, содержащие 500--600 г/л глины с пределом теку-
чести 50—60, т. е. много ниже, чем у бентонита. Такие
rem не намного менее проникающие, чем чисто си-
ликатные.
Вследствие небольшой величины структурной проч-
ности (приблизительно 10—15 гс/сч2) все эти гели год-
ны лишь для уменьшения проницаемости мелкозерни-
стых структур.
В качестве любопытного примера укажем на раствор
следующего состава: бентонит 10—15%, силикат 2—6%
и реактив. Обычно этот раствор ведет себя, как и ожи-
дается, однако с некоторыми сортами бентонита в нем
отчетливо проявляется реопексия. Это явление, противо-
положное тиксотропии, соответствует сгущению в резуль-
тате перемешивания. Это происходит за счет перегруп-
пировки молекул под действием медленного перемеши-
вания. Достаточно медленно перемешать такой раствор,
чтобы увидеть, как он начинает все более и более сгу-
щаться. Быстрое перемешивание не дает сгущения, од-
нако схватывания больше не происходит. Изменение
порядка составляющих в смеси также устраняет реопек-
сию и схватывание.
Этот пример ярко иллюстрирует всю сложность химии
коллоидов и необходимость проведения лабораторных
испытании с материалами, применяемыми на строитель-
стве.
Глава двадцать третья
ЖИДКИЕ РАСТВОРЫ ИЗ ХИМИЧЕСКИХ
ПРОДУКТОВ (окончание). ОРГАНИЧЕСКИЕ
СМОЛЫ
Жидкие органические смолы, полимеризующиеся че-
рез некоторое время, образуя твердое вещество, можно
использовать в качестве инъекционных растворов.
Необходимо, чтобы жидкость имела вязкость, позво-
ляющую легко производить инъекцию. Полимеризация
должна происходить в присутствии воздуха при темпе-
ратуре п давлении, которые фактически имеются в грун-
те. Fla до также, чтобы контакт раствора с водой не ме-
шал полимеризации и, наконец, чтобы материалы не
стоили слишком дорого. Эти разнообразные условия в
значительной степени ограничивают количество раство-
ров, которые могут быть использованы. Здесь рассмат-
риваются растворы, уже применявшиеся на практике,
а не известные лишь по патентам.
Используемые смолы подразделяются на две боль-
шие группы: водные мономеры, которые после полиме-
ризации превращаются в однородную массу средней
прочности (Карон, 1963), и конденсационные полимеры,
которые образуют исключительно твердую массу, более
прочную, чем бетон.
Очень немногие водные мономеры схватываются в
холодном состоянии, если они не были частично предва-
рительно конденсированы. Среди них АМ-9 и фенопла-
сты, используемые в виде резерцпн-формальдегида, или
аминопласты
В обоих случаях 5-40%-ные растворы мономеров
имеют вязкость, близкую к вязкости воты. Такие раство-
ры полимеризуются без усадки в сроки, регулируемые
с помощью катализатора.
Полимеризованный раствор АМ-9 представляет собой
гель с небольшой прочностью (всегда меньше 1 кгс/см\
даже при максимальной концентрации), однако весьма
эластичный. Он допускает упругие деформации бо-
лее 40%.
1 В СССР практическое применение получили карбамптныс смо-
Ibi (Примем, п е р е в )
27|
Если необходимо получить растворы большей проч-
ности, но менее эластичные, используют феиопластовые
пли амннопластовые смолы, прочность их в зависимости
от концентрации составляет от 1 до 100 кгс/см2, упру-
гая деформация — 1 % Следует отметить, что сильно
разбавленные смолы этого типа при инъекции нечув-
ствительны к присутствию влаги или воды в обрабаты-
ваемой зоне.
Среди конденсационных полимеров имеется более
значительный выбор, так как все предприятия по произ-
водству пластмасс вырабатывают на определенной ста-
дии производства частично полимеризующиеся продук-
ты После схватывания они имеют прекрасные по
сравнению с бетоном механические характеристики:
прочность на сжатие более 1000 кгс/см2 и на растяжение
более 300 хгс/си2
В продажу обычно эти полимеры поступают в каче-
стве клеев, которые наносятся кистью или мастерком.
Для получения растворов следует так изменить их со-
став, чтобы снизить вязкость до полимеризации Обычно
контакт с водой задерживает полимеризацию и необхо-
димо применять добавки для устранения этого дефекта.
РАСТВОР АМ-9
Гидратация нитриловой группы цианистоводородной
кис юты дает акриламид или АМ-9. Напомним, что циа,-
ннстоводородная кислота и ацетон дают метакрилат ме-
тила или плексиглас, и что с ацетиленом получают
акрилонитрил, из которого в форме волокон получают
орлон.
Использование АМ-9 в строительстве вследствие его
состава ие безопасно Необходимо строго соблюдать
правила техники безопасности, обеспечить работающих
с препаратом АМ-9 перчатками, очками и специальной
одеждой Продукт полимеризации безвреден, как пле-
ксиглас или орлон.
АМ-9 применяется в водном растворе концентрации
от 3 до 10%. Для полимеризации используют катализа-
тор в количестве нескольких тысячных части.
Вследствие столь значительного разбавления раствор
имеет вязкость 3—4 спз, т е. чуть больше вязкости во-
ды. Это весьма существенное достоинство, так как мож-
но считать, что повсюду, где проходит вода, может
272
проптп и раствор АМ-9. который не содержит коллоид
пых частиц
Второе достоинство раствора — постоянство его вяз-
кости вплоть до момента схватывания (в то время как
у силикатов вязкость увеличивается с момента приготов-
ления раствора) (рис 23-1). Инъекционное давление
остается поэтому постоянным,
значительно снижается опасность
возникновения разрывов грунта
Время схватывания можно регу-
лировать от нескольких минут до
нескольких часов, меняя количе-
ство (рис. 23-2) или тип катали-
Рис. 23-1 Изменение
вязкости и органиче-
ской смолы н сили-
катного геля во вре-
мя схватывания.
I — силикатный гель,
2 — гель АМ-9.
Рис 23-2. Зависимость времени
схватывания 15 %-кого раствора
АМ-9 от количества катализатора
затора. При этом следует учитывать температуру раство-
ра (рис. 23-3), величину pH окружающей среды и за-
грязнение металлами или кислородом.
Твердое вещество, появившееся после схватывания
раствора, обладает упругостью даже при очень больших
деформациях (рнс. 23-4) в отличие от силикагелей
(рис. 23-5). Его модуль упругости колеблется от 0,1 до
0,4 кгс!см- в зависимости от количества катализатора.
Прочность на сжатие заинъектированного песка за-
висит от его гранулометрии и концентрации АМ-9
(рис. 23-6 и 23-7). Даже при концентрация 10%. а это
весьма дорогой раствор, прочность оказывается ниже
прочности жестких силикатных гелей Области примене-
ния этих растворов поэтому различны.
273
-50 Ю 20 30W 50 607080
Рис. 23-3 Зависимость време-
ни схватывания раствора VI9
от томперат>ры при различ-
ных категориях катализаторов
Л, Б, В. Г и Д (материалы
фирмы Cyanamld and Со)
Рис 23-4 Деформация геля \Ч-9
в зависимости от нагрузки Сос-
тав. 10% АМ-9 и 0,15% NTP.
Цифры на кривой обозначают ко-
личество каталю а тор а
Рис. 23-6. Изменение
прочности /?с>« в зави-
симости о г концентра-
ции раствора \М-9
1 — чистый гель; 2 — не-
виГ>рированна>1 смесь с
песком. 3 — вибрировян-
Ндя смесь с песков
Рис 23-5. Деформация и зависи-
мости от времени
ц — силикагеля, б — геля АМ-9
Рис. 23-7. Деформация
песка крупностью 0,1—
0,3 мм, заинъектнрован-
ного раствором АМ-9, в
зависимости от нагрузки.
Рис 23-8. Деформация рас-
твора \М-9 с добавкой
минералоного порошка в
зависимости от нагрузки
(материалы фирмы Соле-
танш) Разрушение насту-
пило при Р— 10,2 кгс/см2.
Рис. 23-9. Деформация раствора АМ-9 с до-
бавкой минерального порошка в зависимо-
сти от нагрузки. Разрушение произошло при
нагрузке 0,65 кгс/сй2
Добавляя к раствору АМ-9 минеральный порошок,
бентонит, глину или очень мепкий песок, можно полу-
чить экономичный и прочный эластичный материал, ко-
торый может служить для заполнения швов или трещин
инженерных сооружении (рис. 23-8 п 23-9).
275
РЕЭЕРЦИНО-ФОРМАЛЬДЕГИДНЫЕ РАСТВОРЫ
Смесь резерцвн — формальдегид — вода — катализа*
тор твердеет с большим количеством воды при обычных
давлениях и температурах Таким образом, такой рас-
твор. разработанный фирмой Солетанш, можно считать
инъекционным.
При большом разбавлении раствор имеет вязкость
3 спз, сохраняющуюся постоянной до момента схваты-
вания
Смола образуется из следующих составляющих:
1) альдегид;
2) фенат. замещаемый, например, резерпином, обыч-
ный фенат. используемый для приготовления бакелитов,
не реагирует в катодном состоянии и прн избытке воды;
вероятно, можно заменить резерцин мочевиной, однако
приготовление смолы тогда несколько усложняется1;
3) катализатор, который может быть в зависимости
от требуемого времени схватывания слабой кислотой,
основанием, окислителем либо смесью перечисленных
веществ
Возможен большой диапазон дозировок альдегидфе-
ната. Оптимальный состав определяется испытаниями
на сжатие образцов чистой смолы или смолы с песком.
Прочность не зависит от типа и концентрации ката-
лизатора, наоборот, время схватывания является его
функцией и может изменяться от нескольких минут до
нескольких суток (рис. 23-10 и 23-11).
Полимеризация сопровождается высоким тепловыде-
лением Повышение температуры тем больше, чем боль-
ше объем раствора.
На рис 23-12 показаны изменения температуры прн
схватывании 100 см3 раствора различного состава. Сле-
дует учитывать это явление при подборе в лаборатории
составов с определенным временем схватывания на не-
больших по объему образцах. Так, раствор, схватываю-
щийся в лабораторных условиях за 3 ч, твердеет в те-
чение 1 ч прн приготовлении его в большом количестве
на строительной площадке.
Однако если раствор нагнетается сразу после приго-
товления, время схватывания его почти нормальное. Эти
1 Применяемая в СССР карбамидная смола — крепитель М
представляет собой мочевнио-формальдегшшую смолу, стабилизиро-
ванную аммиаком (При меч перев)
276
происходит за счет Теплоемкости песка, которай задер
жпвает повышение температуры.
Если гель АМ-9 является упругим, то гель резериин-
формальдегида — упругопластичным
Рис 23-10. Влияние ка-
тализатора на время
схватывания реэерцино-
формалцдегидного рас-
твора (быстрый ката-
лиз).
1-В=б40; Р=1М; Ф-=180;
2—В=910; Р- 125. Ф 150;
3— В = 64О; Р~=90; Ф=180
(В — вода; Р — резерцин;
Ф — формальдегид).
Рис 23-11 Влияние ка-
тализатора на время
схватывании резерцнно-
форм альдегидного рас-
твора (катализ медлен-
ный).
I, 2, 3 см рис 23-10, 4 —
В=910; Р=120; Ф=15О
Мгновенные деформации пропорциональны на~р\ з-
кам (рис. 23-13), в то время как при постоянной нагруз-
ке наблюдается упругая мгновенная и обратимая де-
формация с последующей упругой тоже обратимой де-
формацией, которой предшествует необратимая теку-
честь (рис. 23-14).
Песок после инъекции имеет прочность на сжатие
намного выше прочности смолы (см. гл. 9).
Вследствие наличия скелета модуль упругости зна-
чительно увеличивается и текучесть устраняется.
При желании смолу можно очень сильно разбавить
(рис. 23-15). При этом получается раствор незначитель-
277
Рис. 23-12 Тепловыделе-
ние при схватывании
трех резерпине-формаль
дсгидных растворов раз
личного состава
1 — время схватывания
22 жив, 2 - то же 7 -мин
30 сек, 9 —то же 10 лик
Рис 23-13 Деформация резерцн-
н<i-формальдсгпдного раствора н
зависимости от нагрузки
1 — смесь с песком в возрасте
9 мес. разрушение при Р"
~12,2 кге-сл, 2 —чистый гель в
возрасте 3 мес; разрушение при
Р - 65 кге/сл , 3 — чистый гель в
возрасте 1 дней; разрушение при
Р=6 хгг/сл
P11C. 23-14. Цикл
мгновенной дефор-
мации и текучесть
чистого геля рс-
зерц1Н1-(|юрмаль-
дегида.
Рис 23-15. Прочность резерцпио-
форм альдегидного раствора в за-
висимости от концентрации.
1 — смесь с песком А; 2 — смесь с
песком В; 3 — чистым гель А; 4 —
чистый гель Б
ной прочности с очень большим временем схватывания,
пригодный, вероятно, для придания водонепроницаемо-
сти илистым пескам с коэффициентом фильтрации около
0,1 дарси (10 6 м/сек)
278
РАСТВОРЫ ИЗ КОНДЕНСАЦИОННЫХ ПОЛИМЕРОВ
Эти растворы чрезвычайно дороги. Они применяются
лишь в тех случаях, когда для инъекции требуются не-
большие объемы раствора При этом можно использо-
вать их прекрасные механические свойства, например,
для восстановления растрескавшегося бетона, заделки
анкеров, устройства высокопрочных наконечников на
сваях и т п
Эти растворы т1редставляют собой по существу инъ-
ектируемые клеи и состоят из полимеров класса эпокси-
дов, полиэстеров, полистиренов, акрилов или их смесей.
Так, эпикот готовится из эпоксидной полиамидной смо-
лы, иногда с добавками полиотрэна и эластомеров для
уменьшения хрупкости; полиэстер является смесью раз-
личных полиэстеров (малеиновый, фталевый и т. п.),
алкидов полистпрэна н при необходимости эластомеров.
Полиэстеры, более жидкие, чем эпикоты, дают при
полимеризации большую усадку.
Вязкость эпикотов, достигающая нескольких пуаз,
препятствует их инъекции. Однако Карону удалось по-
лучить путем изменения пропорций различных мономе-
ров к добавления цругих жидких и весьма активных
пластмасс растворы с вязкостью 15 спз. Трещины тол-
щиной от нескольких сантиметров до I мм легко ими
инъектируются.
Механическая прочность этих полимеризованных рас-
творов прн сжатии выше 1 000 кгс/см2 и растяжении
(испытание по бразильскому методу) выше 300 кгс/см2
Естественно поэтому, что разрушение образца, состоя-
щего из двух полуцилиндров, склеенных в диаметраль-
ной плоскости, происходит в бетоне (рис. 23-16).
Время схватывания может колебаться от нескольких
минут до 10 ч. Его регулируют, изменяя концентрацию
катализатора и ускорителя (рис. 23-17).
Варьируя количество катализатора и ускорителя,
удается также компенсировать влияние колебаний тем-
пературы. Так же, как и для фенопластов, объем приго-
товленной смолы влияет на время схватывания
Обычно столь ценные растворы требуют применения
миниатюрного оборудования. Необходимо иметь хорошо
обученный персонал нс только для подбора состава рас-
твора, ио и для учета особенностей, возникающих в каж-
дом конкрснюм случае, как-то: размер трещин, наличие
воды, выходы на поверхность н т. д
279
Раствори на основе органических смол явтяются, не
сом нешю. растворами б\д\шего Все они имеют превос-
ходи) ю проннкаемостъ Лишенные структурной прочно
сти л имеющие вязкость, сравнимую с вязкостью воды,
они способны заменить вод\ везде, где она может нахо-
диться, при условии, что фильтрация ие будет затрудне-
на. как, например, в глинах или иле Все они обеспсчн-
Рис. 23 16 Схема испы-
тания образца бразиль-
ским методом на проч
кость при растяжении
1 — пресс I — бегом; 9 —
Трещина разрыва, 4 —ва-
инъсктмрованиый шов
0 0,05 0,1 0,15 %
Рис 23-17 Время схватывания
жидкой смолы при 20 С в за
виси мостя от количества ката
лизаторов А и Y
вают водонепроницаемость. Подбором состава можно
пат)чить материалы вполне упругие или более прочные,
чем бетон
Сегодня они еще очень дороги. Однако можно на-
деяться, что завтра появятся продукты, быть может,
менее чистые н отличающиеся от уже используемых, но
вполне пригодные для инъекции грунтов, которая тогда
может стать одним из удивительных строительных ме-
тодов
Глава двадцать четвертая
РАСТВОРЫ НА ОСНОВЕ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ
Отсутствие зерен, пластичность, водонепроницаемость
и инертность ко всем коррозионным агентам делают ор-
ганические вяжущие почти идеальными материалами
для инъекции. К сожалению, как будет показано ниже,
их не всегда легко удается применить Кроме того, эти
материалы в Европе еще слишком дороги. Поэтому их
использование в качестве инъекционных растворов край-
не ограничено. Выделяют две группы материалов:
каменноугольные гудроны;
битумы или асфальты.
Группы различаются по происхождению, однако они
весьма сходны по составу и свойствам. Битумы лучше
исследованы для целен инъекции, но, очевидно, можно
отнести эти результаты и к гудронам.
Эти вяжущие выпускаются в чистом виде или в виде
водной эмульсии. Каждая из этих форм может быть
использована для инъекции в чистом виде либо с добав-
кой наполнителя, цемента или химиката в зависимости
от требуемых результатов.
Полагая, что читателю известны свойства органиче-
ских вяжущих, напомним лишь, что раствор должен
быть достаточно текучим, чтобы можно было выполнить
инъекцию, но она эффективна только при условии, что
раствор теряет текучесть в грунте. Следует напомнить
также, что органические вяжущие, будучи весьма вязки-
ми, не обладают структурной прочностью и могут при-
меняться лишь для обеспечения временной водонепронн
цасмости. Любые работы по консолидации возможны
лишь при добавках к ним, обеспечивающих структурную
прочность конечному продукту.
БИТУМЫ
Использование разжиженного битума достаточно
пластичной для возможности инъекции консистенции не
дает никакого результата, поскольку он остается столь
же пластичным в грунте Необходимо поэтому, чтобы
битум обладал твердостью. Но тогда его консистенция
препятствует инъекции. Разжижение битума раствори-
281
телем или даже смесью Летучих растворителей, казалось
бы, могло разрешить проблему, но, к сожалению, раство
рнтель, каким бы летучим он нн был, не испаряется в
грунте и это средство, следовательно, не имеет эффекта.
Остается только одно решенье: взять битум, плотный
при обычной температуре, н разжижить его на время
инъекции, повышая температуру После охлаждения би-
тум приобретает первоначальную консистенцию Так,
применяют обычны» легкий битум Тяжелые и пористые
бит} мы непригодны, так как они слишком быстро твер-
деют и радиус действия будет очень незяачительным.
Температура подогрева битума может быть от 70 до
200 н даже до 22(гС Вследствие плохой теплопровод-
ности битума прн нагревании больших масс трудно из-
бежать местных перегревов, которые вызывают дистил-
ляцию тяжелых масел н образование вара.
Как показали некоторые опыты (Карон, 1952), под-
тверждаемые теорией, сохранение высокой температуры
при инъекции не всегда возможно. В частности, на кон-
такте с мелкими песками биту м немедленно охлаждает-
ся н инъекция прекращается. Поэтому такой раствор
может использоваться лишь для перекрытия относитель-
но крупных пустот Кроме того, чистые битумы не
имеют структурной прочности, т. е. сцепления после
инъекции Это ограничивает область их применения, так
как материал, обладающий лишь вязкостью, каким бы
густым он ни был, всегда может течь.
Битумы с наполнителями. Введение в битум частиц
минерального порошка или песка теоретически не пред-
ставляет неудобств, поскольку горячий битум в чистом
виде не проникает в очень мелкие пустоты, в которые не
могут пройти эти частицы. Наполнители позволяют эко-
номить дорогостоящий материал.
Одной вязкости прн отсутствии структурной прочно-
сти недостаточно для поддержания во взвешенном со-
стоянии частиц, удельный вес которых больше удель-
ного веса битума.
С учетом времени инъекции и скорости седиментации
можно оценить диаметр наибольших частиц наполнителя
в 1 мм.
Вязкость битумных растворов с наполнителями очень
быстро возрастает с увеличением содержания наполни-
теля (рис. 24-1). Для того чтобы раствор был инъекти-
руемым, нельзя увеличивать количество наполнителя
282
свыше 60% Этот предел, очевидно, приблизителен, од
на ко с уверенностью можно сказать, что при 70% на-
полнителя раствор неинъектируем.
Увеличение вязкости требует повышения температу-
ры раствора для облегчения инъекции. Так. ясли чистый
битум нагнетают, например, при тем-
пературе 60--120° С, то тот же битум
с наполнителем — при 120—170° С.
При приготовлении этих растворов
во избежание пенообразования в мо-
мент введения влажного и холодного
наполнителя в горячий битум целесо-
образно подогревать отдельно битум и
наполнитель Это усложняет установку
п оправдано лишь при больших объе-
мах работ.
БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ
Вместо того чтобы временно раз-
жижать консистентный битум, можно
приготовить для инъекции специаль-
ную эмульсию битума в воде. Это
очень жидкий продукт, который легко
ипъектируется: капли проникают без
труда между частицами тонкого песка.
Для достижения водонепроницаемости
после инъекции достаточно вызвать
Рис. 24-1 Зависи-
мость вязкости би-
тума от количест-
ва наполнителя.
распад пропитавшей грунт эмульсии. Битум в эмульсии
находится в виде взвешенных в воде капель диамет-
ром от I до 10 мк. Вес воды и битума одинаков. Такая
50%-ная эмульсия имеет относительную вязкость в
4 раза больше вязкости воды. Она, следовательно, течет
очень легко. Можно назвать четыре основных типа
эмульсин:
малостабильные дорожные эмульсии, нарушаемые в
момент контакта с заполнителями; диаметр капель би-
тума составляет 5—10 мк;
стабильные эмульсии, в состав которых входит нат-
риевое мыло, не нарушаемые при контакте с заполните-
лем; диаметр капель 2—4 мк\
сверхстабнльиые эмульсии, которые содержат стаби-
лизирующее вещество — казеин; диаметр капель 3 кк
(рнс. 24-2);
наконец, обратные эмульсии типа вода в масле; вме-
щающая фаза — гудрон, эмульсионная фаза—вода.
283
Нархшение обратных эмульсин происходит при кон-
такте с прямой эмульсией (битум в воде) Впрочем, оба
типа эмхльсий влияют взаимно. Поскольку и одна, и дру-
гая эмульсин очень легко проникают в грунт, можно
добиться его водонепроницаемости инъекцией этих двух
продуктов через соседние скважины К сожалению, не-
котооые опыты показали, что нарушение было локализо-
вано в зоне контакта этих продуктов Тако|1 метод по-
этому не следует применять.
Дорожные эмульсии
слишком нестабильны, что-
бы можно было их ниъекти-
ровать Остаются лишь ста
бильные и сверхстабнльные
эмульсин
Метод Шеллперм (Shell-
perm) изобретен фирмой
Рпс 24-2 Размеры капель Шелл в 1932 г. и имеет не-
эм)льснн которое применение. ‘В нем
используются эмульсин с
рассчитанной стабильностью, к которым добавляются
вещества, вызывающие уменьшение стабильности, с тем
чтобы вызвать распад эмульсии
Шеллперм содержит, следовательно, эмульгатор н
стабилизатор — казеин. Дозировка его должна быть та-
кой, чтобы эмульсия могла проникнуть в грунт, не раз-
рушаясь Разрушение должно быть замедленным. Этого
можно добиться за счет эфира, который при гидролизе
высвобождает кислоту, разрушающую эмульсию. Обыч-
но берется этилформнат — эфир сильной кислоты, к ко-
торому добавляют небольшое количество алюмината
натрия для облегчения реакции. Дозировка эфира регу-
лирует скорость коагуляции, а алюминат обеспечивает
полную коагуляцию Принцип, следовательно, весьма
прост, однако практика показывает, что бывают ослож-
нения, из-за того что казеин не сохраняется бесконечно
долго и при приготовлении имеется тенденция к чрез-
мерному его добавлению Это ведет к получению либо
слишком стабильной эмульсии, которая не разрушается,
либо мало стабильной эмульсии, которая разрушается в
момент введения эфира или при первом же контакте с
грунтом.
Казеин может быть поглощен мелкими частицами
грунта, при лтом коагуляция ускоряется. То же проис-
284
ходит, если в грунте находятся кислоты, которые могут
нейтрализовать омылнтель эмульсии Однако это дей-
ствие бывает обычно слабее, чем поглощение казеина.
Во избежание этих затруднении следует подбирать
раствор в соответствии с грунтом Казеин может добав-
ляться на стройплощадке, но по крайней мере за 24 ч
до инъекции Может оказаться полезным варьировать
дозировку этилформиата во время инъекции Минималь-
ную вначале дозировку постепенно увеличивают, учи-
тывая объем закачки и показания манометров
Наконец, большое влияние может оказывать бакте-
риологическое состояние среды, так как бактерии могут
вызвать биохимическое разрушение казеина. Если тре-
буется, бактериологическое состояние улучшают путем
добавления, например, фекальных веществ в эмульсию
Когда раствор приобретает гнилостный запах, его мож-
но инъектировать. Для этого требуется 24 ч или более.
Для обеспечения лучшего разрушения эмульсии фир-
ма Шелл (1942 г.) разработала следующий способ: к би-
туму добавляется поверхностно-активное вещество, на-
пример амин или его соль, затем на месте приготавли
вают эмульсию, добавив к воде необходимые стабили-
заторы и эмульгаторы.
К сожалению, приготовление эмульсии на стройке
сопряжено с большими трудностями, на которые можно
пойти лишь при сооружении очень крупных объектов.
В методе Солетанш (Карон, 1952) используется фи-
зический способ, исходящий из того, что стабильная
эмульсия с 50% воды распадается, если содержание
воды уменьшается до 20—30%.
В грунте эмульсия не может высыхать, поэтому не-
обходимо найти такие химические реакции, при которых
поглощалась бы вода и которые происходили бы с за-
медлением. Можно использовать два типа реакций
1. Образование силикагеля. Известно, что вода яв-
ляется составляющей частью геля Достаточно поэтому,
чтобы эта вода и была водой эмульсии, для того чтобы
распад произошел в момент образования геля. Деистви-
тельно, эмульсия с добавлением силиката натрия и ре-
актива разрушается через определенное, регулируемое
время (рис. 24-3). Распад бывает полным в отличие от
метода Шеллперм. Кроме того, гель придает конечному
продукту структурную прочность, которой не обладает
битум. Так, образцы песка, обработанные этим методом,
285
выдерживали давление воды 7 кг с/с.и2 Прочность не оы
вает очень высокой, и материал не может быть исполь
зова в для укрепления
2. Образование водной смолы Существует небольшое
Рнс. 24-3. Время схватыва-
ния эмульсионного битум-
ного раствора в зависимо-
сти от добавок. Различ-
ные кривые соответствуют
растворам с различным со-
держанием воды.
1 —с алюминатом, 2 — cHCI.
катизации.
количество смол, схватываю
ЩНХСЯ в холодном состоянии
при избытке воды Как извест-
но, жидкие резерцн но-форм аль-
дегидные смолы в холодном со-
стоянии и при избытке воды
твердеют, соединяясь с этой
водой. Катализатор позволяет
регулировать время схватыва-
ния, хотя и с большим трудом,
чем в предыдущем случае.
КонечныГг продукт получа-
ется довольно прочным, не-
смотря на наличие битума
(рис. 24-4).
Образны заииъектирован-
ного таким образом грунта
разрушаются при напряжени-
ях 5—10 кгс/см2
Вследствие замедленного
схватывания смолы эти рас-
творы имеют гораздо большую
- проннкаемость, чем предыду-
щие Однако метод с использованием смол весьма до-
рогой, приблизительно в 10 раз дороже обычной сили-
Рис. 24-4. Песчаные образцы, заннъектированные смеся-
ми типа смол.
286
Кроме возможности регулировать время распада
эмульсии, структурной или даже существенной прочно
стн конечного продукта, можно отметить, что вся вода
эмульсии эффективно участвует в создании конечного
продукта п, следовательно, удаления избыточной воды
в обрабатываемый грунт не происходит. Это большое
преимущество при инъекции малопроиицаемых грунтов
с мелкозернистой гранулометрией, которые можно пол-
ностью и однородно заинъектировать
Так, в лаборатории проницаемость грунта, содержа-
щего 60% частиц размером менее 500 мк и 20% частиц
размером менее 50 мк, уменьшилась с 10“3 дарси
(10~8 м/сек) до 2 • 10'6 дарси. Давление инъекции под-
нималось до 7 кгс/см^
При методе Солетанш можно использовать обычные
стабильные эмульсии. Метод применим при наличии
горячих грунтовых вод, так как температуры до 100° С
не изменяют свойств материала.
БИТУМНЫЕ ЭМУЛЬСИИ С НАПОЛНИТЕЛЯМИ
Фирма Шелл (1935 г.) называет в одном из своих
Рис 24-5. График мгиовениоГ! деформации
и текучести смеси эмульсия — смола — зола
Прочность на раздавливание около
10 кгс/см2. Цифры иа графике обозначают
время текучести.
вает в подобных случаях, при экономии дорогостоящего
продукта приходится сокращать возможности метода.
Эмульсии с добавками, как бы малы они ни были, не
могут проникать, как чистые эмульсии, в структуры
287
с очень тонким гранулометрическим составом То же от
носится и к растворам Солетанш
Таким образом, можно получить сильно деформируе
мые под действием достаточно больших усилии пластич
ные массы (рис 24-5) Методом Шеллперм можно по-
лучить лишь вязкие массы, так как битум является
жидкостью, лишенной структурной прочности В зависи-
мости от требуемого результата следует использовать тот
или иной из этих методов
Наиболее важным заполнением является цемент. Ему
посвяшается следующий параграф.
ЭМУЛЬСИИ ИЗ БИТУМА И ЦЕМЕНТА
Добавление сухого цемента в дорожную эмульсию
приводит независимо от типа цемента и способа сме-
шения к немедленному и неравномерному распаду
эмульсии Но если цемент добавляется к стабильной или
сверхсгабнльиой эмульсии, получается однородная пла-
стичная масса с консистенцией желатина. Эта структура
разрушается простым перемешиванием. Переход из
структурного состояния в жидкое может происходить
сколько угодно раз, пока не произойдет схватывания це-
мента, т е получится тиксотропный раствор
Рис. 24-6 График мгновенной деформации н теку-
чести смеси эмульсия — сухой цемент. Цифры на
графике обозначают время текучести.
Время от окончания перемешивания до образования
структуры мало зависит от времени приготовления сме-
си эмульсия — цемент. Оно может быть значительно со-
кращено и доведено до нескольких секунд добавлением
некоторого количества раствора сульфата алюминия.
Как и в методе Солетанш, схватывание раствора
происходит без выделения воды Однако поскольку це-
мент состоит из частиц не пренебрежимо малых разме-
ров, такой раствор может служить только для инъекции
288
пустот значительной величины. При желании к нему
можно добавить наполнители.
Такие смеси обладают после схватывания очень
большом пластичностью (рис. 24-6), которую можно еще
более увеличить добавлением глины или бентонита.
Прочность на раздавливание
конечного материала полу-
чается менее 1 кгс^м2.
Можно добавлять в би-
тумную эмульсию и цемент-
ный раствор при соблюдении
следующих условий.
использование эмульсии,
хотя бы несколько стабили-
зированной;
эмульсия вводится в це-
ментный раствор.
Полученные таким обра-
зом смеси будут более про-
чными и менее пластичными,
чем предыдущие (рис. 24-7).
Более пластичную смесь
можно получить при исполь-
зовании глино-цементного
раствора. Этот метод экономичнее, но он приводит к
более значительным усадкам, чем при использовании
битума. Естественно, можно добавлять наполнители к
полученным растворам.
Рис 24 7. График мгновенной
деформации и текучести смеси
эмульсия — цементный раствор.
Цифры на графике обознача-
ют время текучести.
РАСТВОРЫ НА ОСНОД6 КАУЧУКА
Для того чтобы описание инъекционных растворов
было более полным, следует указать также на возмож-
ность использования продуктов на основе каучука. Ими
могут быть:
либо эмульсии с латексом, содержащие 60—75% кау-
чука,
либо продукты, содержащие каучук и пластифици-
рующие добавки с растворителями или без них.
Необходимость добиться распада эмульсии или испа-
рения растворителя в значительной степени ограничи-
вает область применения этих растворов. Они использо-
вались для перекрытия тонких трещин в инженерных со-
оружениях, однако в настоящее время от них пришлось
289
отказаться в пользу органических смол» которые, как из-
вестно, полимеризуются сразу и позволяют получить по
желанию заполнение либо упругое, либо, наоборот, весь-
ма прочное.
Главе двадцать пятая
АЭРИРОВАННЫЕ РАСТВОРЫ
Опыт показывает, что обычно раствор не заполняет
полностью пустоты в грунте. Это естественно, так как
пустоты неодинаковы по размеру. Получаемая водо-
непроницаемость тем не менее удовлетворительна, из
чего следует, что эти незаинъектированные пустоты изо-
лированы друг от друга. Поэтому представляется воз-
можным инъектировать пену, твердеющую с течением
времени, для создания водонепроницаемости с таким же
успехом, как и другие растворы.
Изучение этих растворов было начато по экономиче-
ским соображениям. Пузырьки газа в пене заменяют
большое количество сухого материала, поэтому пред-
ставляется, что такой раствор не должен стоить очень
дорого. В действительности же для придания пене ка-
честв, необходимых для инъекции, приходится добав-
лять в нее дорогие химикаты. В итоге аэрированные
растворы стоят почти столько же, сколько н другие.
Однако анализ этих растворов показал, что ими мож-
но инъектировать структуры, неинъектируемые соответ-
ствующим неаэрироваиным раствором.
Лабораторные исследования показали, что можно
аэрировать любые инъекционные растворы, кроме рас-
творов некоторых органических смол, время схватыва-
ния которых замедляется за счет присутствия воздуха.
В зависимости от способа приготовления пузырьки
воздуха могут быть микроскопическимй или просто ма-
ленькими. Даже силикат натрия и битумную эмульсию
можно аэрировать при условии добавления желатини-
рующего вещества, которое стабилизирует пену на время
схватывания жидкой фазы. Следовательно, время схва-
тывания должно быть с точностью отрегулировано.
Поскольку эти растворы сами по себе^ являются весь-
ма проникающими, их аэрирование не'дает большого
преимущества. В некоторых особых случаях аэрация мо-
290
жег дать некоторую экономию Но цементные, глинж-
стые и глино-цементные растворы значительно увеличи-
вают проникаемость за счет аэрации и поэтому пред-
ставляют практический интерес. Рассмотрим нх основ-
ные свойства.
ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Плотность
Плотность конечного продукта, измеренная прн атмо-
сферном давлении, колеблется в больших пределах в за-
висимости от количества пузырьков газа Легко получить
плотности менее единицы. Рекордом является величина
0,15 с использованием чистого бентонита.
До схватывания раствор сжимаем. Введенный газ
подчиняется закону Мариотта. Результаты немного ме-
няются в зависимости от вида раствора.
Так, аэрированный бентонитовый раствор точно сле-
дует закону Мариотта.
Раствор из цемента и бентонита (d — 0,455), в кото-
ром воздух находится в форме микропузырьков, менее
сжимаем, чем следует из закона Мариотта, тогда как тот
же раствор (d = 0,59) с крупными пузырьками воздуха
более подвержен сжатию.
Имеются также различия между сжатием и расши-
рением одного и того же раствора. Они могут возникать,
например, по одной из следующих причин или их сово-
купности: сжатие частично изотермическое, частично
адиабатическое; изменение температуры во время про
ведения опыта; поверхностное натяжение жидкой фазы,
различное для разных растворов, и т. д.
Для практических нужд применение закона Мариотта
вполне допустимо.
Структурная прочность
Против ожидания аэрирование придает раствору
структурную прочность. Так, первичный раствор
(d = 1,250), не имеющий структурной прочности, имеет
после аэрирования (d = 0,415) структурную прочность,
равную 0,047 гс/\см2. Для гл ин о-цементного раствора
(d = 1,63) с .прочностью 0,040 гс/см1 получают после
аэрирования (d = 1,24) структурную прочность порядка
0,095 гс/!сл2.
291
Водоотделение
При равной степени инъектируемости аэрированные
растворы более стабильны, чем обычные. С этим легко
согласиться, поскольку их плотность близка к плотно-
сти воды. Когда раствор имеет плотность менее едини-
цы, отделяющаяся вода находится под раствором, а не
сверху
Взвешенное состояние составляющих раствора, вклю-
чая цемент, обеспечивается при приготовлении раствора
Однако, несмотря на увеличение структурной прочно-
сти, вызванной вовлечением воздуха, невозможно под-
держивать во взвешенном состоянии тонкий песок Это
является следствием небольшой плотности этих раство-
ров и противоречит их основному качеству — исключи-
тельно высокой проннкаемости
Проникаемость
Очень хорошая проникаемость аэрированных раство-
ров — их основное свойство. Ниже приводятся результа-
ты двух опытов, организованных для лучшей иллюстра-
ции этого положения.
Первый опыт прово-
дился с песком (рис. 25-1,
кривая /). Этот песок
инъектируется лишь раз-
веденным цементным рас-
твором (ЩВ<\). Кроме
того, радиус действия
инъекции очень мал.
Прн цементно-водном
отношении между 1 и 1,5
инъекция осуществляется
лишь частично. Она улуч-
Рнс. 25-1. Гранулометрический со
став заинъехтированных песков.
1 — но| мольный песок, 2 — изме-
ненный песок.
шается при введении сма-
чивающей добавки. При
других дозировках обыч-
ный раствор перестает
проникать, в то время как
аэрированные растворы, даже очень густые, инъектиру-
ются превосходно.
Во втором опыте был выбран гранулометрический со-
став (рис. 25-1, кривая 2), не инъектируемый сильно
292
разведенным цементным раствором (ЩВ — ’/ю) Бела
добавить в этот раствор поверхностно-активную непено-
образующую добавку, эффективность инъекции увеличи-
вается на 10%. Тот же результат можно получить с
помощью аэрированного раствора без поверхностно-ак-
тивной добавки (водород из алюминиевого порошка).
Однако при инъекции аэрированных растворов с по-
верхностно-активной добавкой удается повысить эффек-
тивность до 50%; для получения 100% необходимо при-
менить смачивающую добавку и пеностабилизирующее
вещество Эти опыты представляются весьма интерес-
ными, поскольку они показывают, что высокая прони-
каемость аэрированных растворов получается не толь-
ко за счет использования поверхностно-активных ве-
ществ. Они неоспоримо имеют существенное значение,
так как результаты зависят от их наличия и природы.
Но, кроме того, необходимы микропузырьки газа. Эти
пузырьки не играют роли лишь смачивающей добавки,
как при воздухововлечении в бетоне, так как растворы
имеют такую же точно вязкость, измеренную конусом
Марша.
Более того, они увеличивают структурную прочность
раствора. Однако, как видно было из предыдущего,
будучи деформируемыми, пузырьки препятствуют об-
разованию стабильных сводов из зерен или хлопьев инъ-
ектируемого материала и пузырьков между частицами
грунта (рис. 2-1). Раствор больше не задерживается на
входе в мелкие поры, поэтому удается максимально ис-
пользовать малые размеры частиц глины и цемента.
Во время проведения этих опытов удалось проверить
путем простых измерений плотности, что количество во-
влеченного воздуха сохраняется после инъекции. Если
этот результат теоретически очевиден, его тем не менее
следовало проверить.
Сопротивление сжатию
Прочность на сжатие аэрированных растворов с це-
ментом обычно бывает небольшой. Она увеличивается
линейно с увеличением логарифма времени, как и для
обычных растворов (рис. 25-2). Предел, вероятно, до-
стигается при весьма значительном возрасте. Зависи-
мость прочности от содержания цемента (рис. 25-3) ана-
293
логична зависимости для обычных растворов, если со-
став выражен как Ц В + Воздух (вода и воздух — по
объему)
Вследствие небольшой прочности этих растворов их
используют только для уменьшения проницаемости
Однако в лаборатории можно получить для песка, за-
инъектироваииого аэрированным раствором (4 = 0,57),
прочность на одноосное сжатие около 10 кгс^м2 в воз-
расте 7 дней (рис 25-4) Такого
Рис 25-3. График проч-
ности на сжатие аэриро-
ванного п деаэрирован-
ного глиио-цемеитных
растворов.
1 — аэрированные в воз-
расте 7 дней; г — неаэри-
роваяные в возрасте
7 дней: 3 — аэрированные
в возрасте 2В дней; 4 —
неаэрированные в воз-
расте 28 дней.
Рис. 25-2. Зависимость прочности
на сжатие аэрированных глино-
цементных растворов а, б, в и г
от времени
леска удалось добиться только с
более дорогими материалами.
Поэтому возможно, что аэриро-
ванные растворы из цемента могут быть использованы
благодаря их значительной проникаемости и для консо-
лидации.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ
Первый способ приготовления растворов состоит в
использовании веществ, выделяющих газ, например пе-
рекиси водорода, карбида кальция или порошка алюми-
вмя. Последний выделяет водород в присутствии осно-
294
вания Поэтому можно использовать основание, кото-
рое имеется в растворе с цементом
Представляется, что пузырьки газа, полученные та-
ким способом, будут крупнее, чем при использовании
пенообразователей (рис. 25-5). Проникаемость этих рас-
творов может оказаться меньшей, чем растворов с мик-
Рис. 25-4. Песок, эаинъектнроваи-
ный аэрированным цементным
раствором.
Рис. 25-5 Различные по круп-
ности пузырьки аэрированного
раствора (десятикратное уве-
личение).
ропузырьками, вследствие капиллярных сил, которые
могут проявляться в порах инъектируемой среды.
Во втором способе при приготовлении к аэрируемо-
му раствору добавляют пенообразующую, желатинизи-
рующую п стабилизирующую добавки.
Пенообразователь — поверхностно-активное вещество,
выбираемое в зависимости от вида составляющих рас-
твор элементов.
Желатинизирующая добавка имеет целью предупре-
дить всплывание пены над твердыми веществами. Для
силикагелей или битумных эмульсий берется коллоид,
размер частиц которого много меньше размера частиц
295
минеральных коллоидов, для того чтобы не снизить
величину проникаемости первичных растворов. Для це-
ментных растворов в случае необходимости можно ис-
пользовать бентонит.
Стабилизирующая добавка предохраняет пену от
разрушения. В зависимости от вида добавки может из-
меняться размер пузырьков. Поэтому необходимо про-
вести испытания с действительно применяемыми на
стройке материалами.
После добавления всех этих материалов к раствору,
который требуется аэрировать, достаточно лишь пере-
мешать его для получения пены Однако обычные сме-
сители для этого не годятся.
Имеет смысл использовать смесители с большой ско-
ростью вращения, определив оптимальное время сме-
шивания Наконец, следует указать, что небольшое уве-
личение температуры повышает эффективность про-
цесса.
Гляяя двадцать шестая
ВЫБОР РАСТВОРОВ
Эта глава является обобщением предыдущего мате-
риала. Здесь имеются повторения, но они помогут со-
ставить представление о целесообразности выбора того
или иного раствора. Если этот выбор произведен не-
удачно, инъекция обречена на провал независимо от
применяемых при ведении работ приспособлений и ко-
личества заинъектированного раствора.
В 30-х годах считалось, что усовершенствованием ме-
тодов можно добиться получения настоящего бетона, на-
гнетая цементные суспензии в песок и гравий. До сих
пор в большинстве случаев этого еще не удавалось до-
стигнуть и, несомненно, никогда не удастся. Такая идея
возникла в связи с успешными результатами, получен-
ными на нескольких объектах, для которых оказалось
возможным использовать чисто цементные растворы.
В некоторых случаях может применяться один хо-
рошо подобранный раствор, в иных приходится выби-
рать, начиная от растворов тина ниъектируемых смесей
и кончая аэрированными растворами, причем некоторые
296
композиции могут состоять из двух или трех вариантоЕ
составляющих.
Тип инъектируемого грунта, разнообразные цели
инъекции, стоимость материалов, их доставка, большая
или меньшая легкость приготовления раствора, его про-
иикаемость, способ проходки скпажин и ведения работ»,
климат — все это должно учитываться при выборе рас-
творов.
Здесь затрагиваются лишь технические аспекты проб-
лемы, например результаты изысканий, проникаемость
растворов и характер грунта. Но прежде следует дать
некоторые сведения о физических и механических свой*
ствах основных типов растворов, а также их относитель-
ной стоимости.
СОПРОТИВЛЕНИЕ СЖАТИЮ И ВЯЗКОСТЬ
ЗАИНЪЕКТИРОВАННЫХ ГРУНТОВ
При инъекции несвязного грунта, все частицы которо-
го соприкасаются, получается твердое тело, не имеющее
текучести под нагрузкой. Внутреннее трение скелета пре-
пятствует этому. Следовательно, с помощью инъекции
вязких растворов можно осуществлять консолидацию
грунта.
Напротив, бетонная или растворная смесь, получен-
ная при избыточном объеме инъекционного раствора,
образует псевдотвердое тело, которое может обладать
текучестью под нагрузкой (патент фирмы Солетанш).
Такой пластичный бетон может найти широкое приме-
нение в строительстве. С его помощью можно, например,
создать зуб, деформируемый без разрывов под земля-
ной или набросной плотиной. Текучесть таких бетонов
происходит от того, что все зерна скелета обволакива-
ются более или менее толстым слоем вязкого раствора»
имеющего характер ньютоновской или неньютоновской
жидкости.
Такие растворы, подверженные быстро возрастающей
нагрузке, обладают вполне определенной прочностью на
сжатие. Однако если соответствующим образом подо-
брать эту нагрузку и одновременно измерить деформа-
ции в зависимости от времени, можно сделать вывод
о наличии вязкости. Это исследование предполагает, чго
изучаемое тело является ньютоновским. И это соот-
ветствует действительности, если раствор приготовлен
29Т
на основе химических веществ, и безусловно неправо-
мочно. если речь идет о глино-цементном растворе
•Однако в этом случае можно при очень большом при
ближеннн допустить, что имеет место ньютоновское те-
ло. и определить его вязкость лишь для получения по-
рядка величины.
На рнс. 26-1 приведен результат таких измерений,
проведённых иа растворных или бетонных смесях, обра-
Ркс. 26-1 Прочность иа сжатие Лсж заннъекти-
рованиых грчнтов в зависимости от их вязкости и.
1 —гели с CHjCOH. 2 — гели с НС!. 3 —гели с
алюминатом. 4 —твердые гели Солетанш; 5 —гели
Джустена^ • — битум-цемент; 1 — глино-цемент, S —
стекло при размягчении.
зова иных инъекцией растворов. Разброс данных проис-
ходит отчасти за счет того, что толщина слоя раствора,
окружающего зерна скелета, не везде одинакова.
Для сравнения приводятся величины вязкости не-
скольких материалов (лз):
Стекло в точке размягчения . 10,в
Кристаллическая скала при 800® С 108
Обрабатываемое стекло 104
Расплавленное стекло 102
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ РАСТВОРОВ
Невозможно дать точную стоимость растворов, на ко-
торую влияют многие факторы. Поэтому рассмотрим от-
носительную стоимость.
298
Предположив, что стоимость приготовления одинако-
ва для всех растворов (лишь приблизительно), и не учи-
тывая транспортных расходов на доставку необходимых
материалов, можно составить табл. 26-1, в которой стои-
мость классического глино-цементного раствора принята
за единицу Ясно, что речь идет лишь о порядке величин
По этой таблице невозможно определить даже в об-
щих чертах стоимость инъекции. С одной стороны, ско-
рости инъекции неодинаковы для всех растворов, если
необходимо избегать разрывов, а с другой — количество
скважин может быть продиктовано характером грунта.
Так, например, метод Джустена, требующий большого
сближения скважин, является более дорогостоящим, чем
метод Солетанш, хотя по таблице следует обратное.
Таблица 26-1
Раствор
Относительная
стоимость
Суспензия цемента в воде1.............
Глино-цементный (классический раствор:
300 кг глины и 200 кг цемента)
Гели Джустена.........
Твердые гели Солетанш8 .
Гели с лигнохромом2 ..................
Пластичные гели из силиката и алюмината8
Дефлокулированный бентонит
Дефлокулированная глина
Масло-бентонит1
АМ-9..................
Резерцнн-формальдегид2 • .
Конденсационные полимеры
Эмульсии битума г силикат .
Эмульсин битума h резерцин-
4,2
1
юл
6,3 11,4
6,5-8
2—4
1.8
1.1
20-35
50-130
10—40
150 -500
6
25
* Принято, что речь идет об 1 .к3 * * * * цемента, от томившегося в трещи-
нах. Удельный вес втого осадка принято считать равным 1,5. Высокая
стоимость этих растворов, так же как к бочьшне сроки инъекции, ком-
пенсируется небольшим объемом трещин в трещиноватой скальной поро-
де по сравнению с объемом пустот атзюзиального массива, для которого
этот раствор не подходит.
8 Стоимости возрастают с увеличением прочности nocie схватывания
ИНЪЕКЦИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ СКАЛЬНЫХ ПОРОД
Скальные породы обычно бывают разбиты тонкими
трещинами. Их раскрытия около 0,1 мм достаточно для
прохождения некоторого количества воды.
299
Реже встречаются открытые трещины, еще более
редко попадаются полости.
Основным раствором для инъекции скальных пород
является простая суспензия цемента (отношение Ц В в
среднем составляет Ч* или ’/а).
Можно сэкономить цемент, заменив часть его мине-
ральной м}кой Однако часто стоимость муки бывает
выше стоимости цемента. Такая замена может подойти
только для строек больших масштабов.
Если происходят выходы раствора на поверхность, до-
бавляется хскорнтель схватывания или изменяется ме-
тод инъекции Чаще предпочитают последнее решение
С помощью таких растворов, иногда с добавками,
производят как противофильтрациовные, так и укрепи-
тельные работы.
Трещины в пористом скальном массиве с трудом под-
даются инъекции цементными суспензиями. Пористые
стенки трещины быстро поглощают вод\ раствора, н це-
мент откладывается вблизи скважины. Во избежание это-
го перед цементом нагнетают силикагель, который про-
никает в поры породы и, схватываясь, перекрывает их.
Этот гель не должен быть очень прочным, с тем что-
бы. оставшись в трещине, он мог быть легко вытеснен
при инъекции цемента. Тогда цементный раствор будет
проходить нормально
Открытые трещины и пустоты обрабатываются раз-
лично в зависимости от того, следует ли обеспечить во-
донепроницаемость нлн консолидацию.
Для обеспечения водонепроницаемости можно удов-
летвориться глнно-цементным раствором с большим со-
держанием глины, однако следует избегать применять
чисто глинистый раствор, который может уйти по тре-
щине слишком далеко и не остаться в том месте, где не-
обходимо.
Для консолидации, следует использовать раствор
с большим содержанием цемента. Чистый цемент необя-
зателен Эти растворы, обладающие высокой прочностью,
обычно слабо тиксотропны и проходят очень далеко.
Поэтому необходимо перекрыть все преимущественные
проходы очень густым раствором с большим содержа-
нием глины, сильно тиксотропным, но обычно не обла-
дающим большой прочностью. Этот раствор инъекти-
руется перед раствором, обладающим прочностью,
и оконтурнвает укрепляемую зону.
Если в полостях происходит значительная циркуля-
ция воды, растворы будут, несмотря на все их качества,
размыты и унесены весьма далеко. В этом случае сле-
дует изменить метод инъекции, попытаться установить
фильтр в потоке воды и, возможно, использовать горя-
чий битум, который застывает немедленно при контакте
с водой
При широких трещинах и полостях можно добавлять
в прочный раствор заполнители. Необходимо при этом,
чтобы растворы имели незначительную седиментацию.
Такое изменение типа раствора оправдывается лишь при
значительных работах. Часто перекрывают раскрытые
трещины очень густым цементным раствором, даже ког-
да укрепления не требуется. Нельзя дать определенного
правила, поскольку почти всегда приходится сталкивать-
ся с особым случаем.
После перекрытия крупных пустот следует нагнетать
сильно разбавленную цементную суспензию, как в слу-
чае слабо трещиноватых пород, для того чтобы запол-
нить мелкие трещины, в которые густой раствор не смог
проникнуть, и пустоты, возможно оставшиеся открытыми
после первой инъекции.
И при противофильтрационной, н при укрепительной
инъекции совершенно бесполезно учитывать усадку рас-
твора после схватывания. Раствор образует столь тон-
кие пласты, что уменьшение их толщины за счет усадки
пренебрежимо мало. С другой стороны, растрескивание
такой прослойки не очень опасно. Оно может произойти
лишь в сухом состоянии, т. е. при некоторых укрепитель-
ных работах, так как при повышении водонепроницаемо-
сти раствор всегда находится в контакте с водой н усад-
ки не происходит. Впрочем, если бы она н произошла,
это не имело бы большого значения, поскольку при инъ-
екции никогда не удается заполнить все трещины и по-
лучить нулевую проницаемость.
Напомним, наконец, что протнвофильтрацнонное
уплотнение трещиноватой скалы только горячим биту-
мом дает удовлетворительные результаты лишь внача-
ле, а затем примерно через 10 лет начинают появляться
утечки воды. Гидростатическая нагрузка бывает доста-
точной для того, чтобы битум, который представляет со-
бой вязкую жидкость, не обладающую структурной
прочностью, потек. Это решение, каким бы экономичным
оно пи казалось, неприемлемо.
30t
ИНЪЕКЦИЯ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ГРУНТОВ
Инъекция аллювия теми же цементными растворами,
что и скалы, не дает хороших результатов К сожале-
нию. результаты нескольких успешных работ иногда
приводят к предположению, что путем усовершенствова-
ния метода можно всегда прийти к отличному резуль-
тату- Для того чтобы использование этих растворов
было возможным, необходимо, чтобы в аллювии не бы-
ло песка, а гравий наименьшего размера имел диаметр
порядка 5—10 мм. Только при этом условии чисто це-
ментный раствор может проникать далеко.
Естественных формации, обладающих такими харак-
теристиками, в природе практически не существует.
В нескольких успешных случаях удалось удалить очень
мелкий песок промывкой и заменить его цементом
Однако достаточно иметь минимальную практику в
области аллювиальных отложений и их гранулометриче-
ского состава, чтобы представить себе, что речь здесь
идет лишь о действительно очень редких исключениях,
на которые не приходится рассчитывать.
Аэрированные цементные растворы имеют лучшую
проникаемость, чем простые суспензии. Предел инъек-
тируемостн у них шире, но ие вполне достаточен для
большинства случаев.
Издавна известны химические продукты н битумные
эмульсин, которые позволяют проводить укрепление н
снижать проницаемость мелких песков. Однако это до-
рогие продукты н целесообразность их использования на
строительствах больших масштабов, где они не оправ-
дываются технически, сомнительна. Это объясняет появ-
ление относительно новых растворов на базе бентонита,
глины и глино-цемента
В противоположность предыдущим все этн новые
расгворы имеют зернистую структуру. Теоретически ча-
сгяцы бентонита, диаметр которых составляет примерно
1 мк, достаточно малы, чтобы обеспечить водонепрони-
цаемость мелких песков. Практика тем не менее показы-
вает, что даже с применением дефлокулянта такого ре-
зультата получить не удается. Частицы раствора обра-
зуют хлопья, которые не могут пройти в мельчайшие
поры грунта.
То же происходит с глиной н цементом. Ясно, что
гранулометрический состав материала недостаточен для
определения его проиикаемостн.
Ж
Кроме размеров частиц или неизвестных по размеру
хлопьев, следует рассмотреть также возможность обра-
зования сводов на входе в поры. Это явление мало изу-
чено. Однако, не слишком ошибаясь, можно сказать,
что своды образуются, если размеры пор имеют ту же
величину, что и размеры частиц илн хлопьев в инъек-
ционном растворе, и если жидкость, транспортирующая
частицы, может легко отделиться от них, другими сло-
вами, если раствор имеет значительную седиментацию
Практика подтверждает, что инъекция аллювиаль-
ных отложении возможна только раствором с неболь-
шой величиной седиментации нли совсем без нее в те-
чение всего времени инъекции; при этом частицы рас-
твора бывают значительно меньше, чем пора, в которую
они должны проникнуть, а размеры хлопьев остаются
неизвестными.
Выбор раствора для инъекции аллювия диктуется
поэтому двумя принципами, которые следует соблюдать.
частицы раствора должны быть значительно меньше,
чем размеры основной массы пор грунта, с тем чтобы
образующиеся хлопья были бы меньше, чем эти поры;
раствор должен обладать пренебрежно малой седи-
ментацией, с тем чтобы своды ие могли образовываться
на входе в поры грунта, или, что то же самое, для того
чтобы грунт не отфильтровывал раствор.
Этим условиям удовлетворяет много растворов Не-
которые стоят дорого, другие — дешевле Указать нан-
лучшие невозможно.
На рис. 2-5 и 2-6 указаны пределы проникаемости
различных растворов. Эти не очень точные пределы, од-
нако, достаточны для правильного ведения инъекции.
Аллювиальные массивы всегда содержат среди пес-
чаной массы слои с мелким гравием. Для экономичной
и правильной обработки такого грунта следует начать с
инъекции продуктов, имеющих небольшую проницае-
мость, которые служат для перекрытия сильно прони-
цаемых слоев. Затем можно ввести более проникающим
раствор для уплотнения песка.
Такая двойная инъекция производится через одни и
те же скважины, однако результат, несомненно, будет
лучше, если устроить для каждого раствора специаль-
ные скважины.
Не следует, однако, забывать, что очень часто аллю-
вий инъектируется не только за счет проникания раство-
303
ра. Пустоты в слоях с открытой структурой заполняют-
ся раствором, а мелкозернистые слои просто сжимаются
разрывами, которые нх пересекают или проходят от од-
ного валуна к другому Если условия позволяют принять
этот способ обработки, можно несколько менее строго
подходить к выбору раствора.
При изучении растворов следует уточнять возможное
влияние грунтовых вод В зависимости от химического
состава подземные воды могут вызвать флокуляцию
раствора при инъекции и лишить его свойств, которые
с трудом удалось получить.
Напомним, что придать водонепроницаемость влаж-
ным н водонасыщенным пескам горячим битумом невоз-
можно Битум немедленно охлаждается при контакте с
грунтом, и инъекция прекращается. Этого не происходит
лишь в относительно больших пустотах, которых прак-
тически в аллювии не бывает.
До сих пор укрепление аллювия осуществлялось
тишь методом Джустена Две различные жидкости инъ-
ектировались одна за другой и инъекция проводилась
при очень высоких давлениях С новыми растворами
этого не требуется Их ннъектируют сразу при относи-
тельно умеренных давлениях.
Для этого можно применять
раствор из этнлацетата, который дает такой же проч-
ный гель, как и гель Джустена прн одинаковой прони-
каемости;
аэрированный цементный раствор (лишь для аллю-
вия с относительно крупным гранулометрическим соста-
вом);
эмульсия битум-смола, которая проникает лучше пре-
дыдущих растворов, но ие имеет высокой прочности;
наконец, раствор АМ-9 и резерцин-формальдегнд —
жидкости столь же подвижные, как н вода, которые мо-
гут заместить воду во всех слоях, где она имеется, вклю-
чая самые мелкозернистые пески.
К сожалению, все эти растворы очень дороги. Их
используют лишь в тех случаях, когда другого инже-
нерного решения принять невозможно или оно не будет
дешевле
Поэтому такие растворы используются в исключи-
тельных случаях Об этом приходится сожалеть, ибо
инъекция таких растворов часто может дать весьма
элегантные решения.
304
РЕМОНТ КЛАДОК
Восстановление кладки заключается в придании ей
прочности, которая была утрачена по топ или ннои прн*
чине. Обычно речь идет о старении нлн, скорее, о кор-
розии цемента в растворе. Сюда можно включить также
инъекцию скоплений камня в бетоне, образующихся в
результате дефектов производства работ
Методы укрепления, применяемые в скальных поро-
дах и аллювиальных грунтах, вполне подходят и для
кладки.
Если работы ведутся в бутовой кладке, в которой
имеются раскрытые швы, следует инъектировать цемент*
пып раствор, как в трещиноватой скале Toi же метод
применяется при скоплении камня в дефектном бетоне.
Если же имеется обычная коррозия цемента при на-
личии песка, строительного раствора или скелета бетона
в швах, инъекция цемента невозможна. Годятся только
твердые гели силиката натрия и органические смолы.
Необходимо также, чтобы местные условия позв олили
правильно использовать эти растворы.
Для повышения водонепроницаемости следует вы-
брать в зависимости от состояния швов или бетона один
из растворов, используемых для инъекции трещиноватой
скалы или аллювия.
Выбор типа цемента может быть обусловлен нали-
чием агрессивных вод. Некоторые авторы обращаю?
внимание на опасность контакта, например, сульфато
стойкого цемента с портландцементом кладки. Однако
можно утверждать, что многие работы, проведенные
именно в этих условиях, не вызвали никаких осложне-
ний. Эта область мало изучена. В конце главы будет
приведен и другой пример этого.
Уплотнение трещин, которые могут появиться в клад-
ке, армированной или неармированной, может произво-
диться любым раствором, не имеющим слишком боль
шой усадки. Пластичные растворы более желательны,
так как они, перекрывая трещины, обеспечивают воз-
можность некоторой подвижки. При инъекции цемент-
ными растворами этого преимущества нет. Трещины мо-
гут вновь раскрыться или рядом могут образоваться
другие.
Инъекция швов производится теми же растворами
Укажем, что часто встречаются швы, заполняемые би-
тумом, которые приходится инъектировать цементом
305
Таблица 26-2
Характеристики и некоторые показатели основных инъекционных растворов
Прочность М СЖ1ТКС* Относи- тельная стоимость Об засть приме- нения" Веление инъекции
Сус- пен- зии Не стабиль- ны о раст- воры Суспензии цемента в воде (-н песок) Ц/В — 1/10 — I/1 или 1,5/1 Сравнима с бетоном 4.2 Трещины В скале или кладке Неограничен- ные количест- ва, но полу- чение давле- ния отказа
Стабиль- ные раст- воры (во- доотделе- ние нес- колько сантимет- ров) Активированные цементы н 1 смеем (прел а кт. термокол, колькрет) То же Заполнение больших пус- тот
Цемент —глина ( +песок) 1 — 50 кгс/см1 1 Широкие тре- щины пе- сок и гравий Ограниченные количества
Обработан»! <1 2С/СМ' 1,1 й> 5-10-* м/сек
( +С,СЦ иМпиГ Ч-ЭТПЛ натрия I лиртлт Твердые 1 ацетат гели , . лнгносульфит 4- бпхромат 10 — 20 кгс/см' (с песком 40 кгс/см') 300 гс/см' (с песком 4 — 5 кгс/см') 10.7 11 6.5-8 Ъ> ю-4 м/сек А >5-10’ м/сек Инъекция в два приема Одни раствор
Жидкие растворы (химичес- кие про- дукты) Плас- тичные гели силикат натрия 4- - реагент дефлокулированный бентонит 50 гс/см* 10 — 20 гс1см* 2-4 1,8 й>10 8 м/сек £>10 * сек Количества ограниченные
Органи- ческие смолы АМ-9 резерцин-форма - дегид мочевнно-формаль- дегид (кислым раст- вор) конденсационные полимеры (эпок- сиды) <1 кгс/см* 10 ?с1см1 — 100 кгс/см1 20 — 100 кгс/см* 50-130 10-10 Для инъек- ции деформи- руемых сред м/сек
Сжатие 1000 кгс/см'\ растяжение 300 К2С/СМ* 150—500 Обработка трещин в бетоне
Органи- ческие вяжу- щие ' эмульсия бигума i-Ь силикат { 4- резер- 1 цнн (орячий битум 100 гс/см* (с песком 10 кгс/см1) Очень вязкая жидкость 6 12 й>10’8 м/сек Значительная циркуляция воды
'Там, где нет огоиорок, приведены прочности чистого раствора (для очень малых ветнчнч прочность бып при шта ранной двой*
ной величине структурной прочности).
•Приведены закупочные цены продуктов, необходимых для заполнения j мл пустот. Ни транспорт, нн время инъекции» кото-
рые могут колебаться в широких пределах дли разных растворов, не были учтены Если имеются две величины, то бо iec высокая
соответствует максимальным прочностям. Принятая за основу 1 соответствует-^ ка глины и 200 «л цемента на 1 мл Ди суспензии
цемента принято, что осадок имел плотность н сухом виде, равную 1,5.
’Проницаемости k относятся к сыпу шм грунтам, которые могут быть пропитаны раствором Если раствор им- ет небольшую
СО структурную прочность, не следует его и 1ьектнровать и слишком проницаемые 1рупты (нропитынани? не является единственным удов-
Ц яетворительным метолом инъекции).
после выдавливания битума давлением воды Для пред-
отвращения текучести можно заменить чистый битум
инъекцией эмульсии битум — смола, силиката или рас-
твора АМ-9 с заполнителем, который дает конечный про-
дукт. обладающий структурной прочностью. По нашим
сведениям еще никогда не использовался глино-цемент-
ный раствор Теоретически представляется, что этот рас-
твор. обладающий меньшей прочностью, чем чистый це-
мент. мог бы дать удовлетворительные результаты, если
он все время будет находиться под водой.
АНКЕРОВКА
Заделка анкеров в грунт должна быть столь же
прочной, как и сам анкер Следовательно, должен быть
использован только цементный раствор Прн анализе
растворов мы достаточно подробно останавливались на
этом случае.
СВЯЗЫВАЮЩАЯ ИНЪЕКЦИЯ
Связывающая инъекнвя, как указывает само назва-
ние, предназначается для перекрытия пустот, которые
могут быть между кладкой и окружающим грунтом.
В зависимости от случая требуется укрепление нлн обес-
печение водонепроницаемости От этого зависит выбор
раствора
Для заданного результата состав раствора будет за-
висеть от вероятного размера перекрываемых пустот.
Приведенные выше указания достаточны для того, чтобы
выбрать раствор в соответствии с условиями. Очевидно,
что для такой связывающей инъекции выбор раствора
будет более широк и что условия экономичности будут
наиболее важными.
Следует обратить внимание на мало известное боль-
шинству инженеров явление* воздействие цемента на
глины.
Лабораторные опыты показали, как было отмечено
выше, что суспензия глины, практически стабильная при
pH = 11,6, очень быстро седиментировала при pH = 12,6.
Поэтому следует ожидать, что глина илн мергель будут
чувствительны к величине pH инъекционного раствора
или даже к величине pH кладки.
308
В некоторых случаях происходило размягчение грун
та и наблюдались неудачные случаи при цементации в
туннелях.
Объяснение, которое здесь дается, ни в коей мере
нельзя считать ии хорошим, ни единственным, ибо этот
вопрос еще очень мало изучен. Однако в ожидании, ког-
да это явление будет хорошо известно, стоит, очевидно,
предупреждать возможность контакта оснований цемен-
та и некоторых глино-мергелистых пластов.
Для того чтобы показать наши ничтожные знания в
этой области, следут указать, что поглощение ионов
Са++ глиной в основном ведет к ее консолидации. По-
скольку сильно щелочные цементы содержат большое
количество извести, с одной стороны, разумно было бы
избегать их использования, а с другой — следовало бы
принять Иными словами, нам ничего не известно, за
исключением того, что в некоторых случаях полученные
результаты совпали с предусмотренными.
Глава двадцать седьмая
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАБОТ
Кроме нескольких особых случаев, для проведения инъекции
всегда необходимо иметь скважину Мы не останавливаемся здесь
на различных способах бурения скважин, что не входит в понятие
собственно инъекции н что было описано (Камбефор, 1955)
Исходя из предположения, что скважина уже готова, инъек-
ция заключается в приготовлении раствора в смесителе, подаче его
под давлением насосом и введении в обрабатываемую эону через
любой интервал скважины.
Здесь приводится краткий обзор оборудования, которое необ-
ходимо для осуществления этих операций, не затрагивающий дета-
лей выполнения работ Необходимо лишь, чтобы были соблюдены
основные характеристики, что может быть достигнуто многочислен-
ными н разнообразными механизмами
СМЕСИТЕЛИ
Некоторое время назад чисто цементные растворы для инъек-
ции скальных пород приготавливали путем засыпки цемента в ре-
зервуар с водой и перемешивания его лопатой. Несмотря на прими-
тивность этого способа, он был вполне удовлетворителен при малых
объемах инъекции.
1 Сведения об оборудовании для инъекция, применяемом
в СССР, см., например, в обзоре «Оборудование н механизмы для
специальных гидротехнических работ в энергетическом строитель-
ство, Оргэнергострой, 1967. (Прн меч. пер ев.)
300
Впервые механизация была введена, когда в нижней части рс
зервуара был помещен винт для перемешивания, приводившийся
в действие рукояткой (рис 27 1) Лопатки, закрепленные на внут
рекнях стенках резервуара, препятствовали закручиванию всей мас-
сы жидкости.
Для обеспечения непрерывной инъекции необходимо иметь два
мраллсльно работающих смесителя Пока один резервуар опорож-
няется, в другом приготавливается раствор Новое усовершенство-
вание заключалось в расположении двух резервуаров один над тру-
тни и установке на смесителях двигателей (рис 27-2). Раствор,
Рис. 27 1 Смеситель с
одним резервуаром
Рис. 27-2 Смеситель с двумя ре-
зервуарами
приготовленный в верхнем резервуаре, переливался в нижний, от-
куда он всасывался насосом Перемешивание в этом резервуаре
служило лишь для предупреждения седиментации цемента. Объем
каждого из резервуаров составляет около 100 л.
Этот тип смесителя применялся вплоть до 1945 г Именно с по-
мощью этого оборудования были проведены первые инъекции гли-
но-цементных растворов
Однако современные смесители, появившиеся к этому времени,
значительно больше подходили для приготовления глино-цементных
растворов, чем *то оборудование Новые смесители имели турбо-
насосы или систему цилиндров, вращающихся со скоростью 1500—
3000 об/зшя.
Раствор не просто перемешивался Ему сообщалась высокая
скорость, при которой частицы сплющивались или, наоборот, рас-
щеплялись, попадая в зону кавитации Кроме того, высокая ско-
рость быстро вызывает повышение температуры, что, как известно,
способствует образованию суспензий цемента.
Первые такие смесители типа Колькрет (рнс 27-3) вначале
использовались при приготовлении коллоидных растворов для раз-
310
Рис 27-3 Смеситель ти-
па Колъкрет.
1 — вода; 2 — первичная
смесь вода — цемент, з —
цемент; 4 — тангенциаль-
ные входные отверстия
для создания завихрений;
5 — песок; 6 — двухходо-
вой клапан; 7 — центро-
бежный насос; В — вто-
ричная смесь песок — це-
мент и вода.
Рис. 27-4. Смеситель Солетанш.
311
дельного бетонирования Коллоидный цементный раствор приготав
ливался в первом резервуаре, затем после перекачки во второй
к нему добавлялся мелким песок В нижней части каждого резер
вуара имеется турбина, обеспечивающая циркуляцию- раствора по
замкнутой схеме или из одного резервуара в другой
Появились и другие смесители, дающие столь же хорошие ре-
зультаты (рис. 27-4).
В высокотурбулентном смесителе
(рис. 27-5 и 27-6) смешивание раствора
происходит при вращения с высокой ско-
ростью двух больших вертикальных и
параллельных цилиндров, вращающихся
в противоположных направлениях.
Все эти смесители работают лишь с
порошком, цементом или сухой глиной,
которые вводятся в воду или в раствор.
Однако из экономических соображений
часто приходится использовать глину из
карьера Можно подсушить ее и затем
размельчить. Но обычно предпочитают
готовить раствор из комовой глины,
вводя его затем в одни из описанных
смесителей, куда добавляются и другие
компоненты. Такую обработку глнны
можно производить в винтовых мешал-
ках (рис. 27-7)
Используются также щековые и дисковые дробилки, в некото-
рой степени аналогичные коллоидным мельницам В продаже
имеется большое количество аналогичного оборудования, которое
можно легко комбинировать и получать хорошие результаты.
Рис. 27-6. Высокотурбулентный смеситель фир-
мы СИФ.
Рис 27-7. Винто-
вая мешалка.
ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Это оборудование промежуточного типа между смесителем н
насосом (рис. 27-8). Ввод сжатого воздуха в нижнюю часть обес-
печивает перемешивание раствора, затем под давлением при закры-
той крышке раствор нагнетается.
Это весьма простое устройство. Но прн работе с ним требуется
особая сноровка, чтобы не ввести в грунт столько же воздуха,
сколько н раствора Этот воздух может оставаться в грунте между
последовательно нпъектируемы-
ми порциями раствора н пре-
пятствовать тем самым запол-
нению пустот
Но самое значительное не-
удобство этого механизма —
прерывистость его работы.
Между двумя замесами давле-
ние в скважине резко падает.
Подземные воды, вытесненные
прн инъекции, текут по направ-
лению к скважине, вовлекая и
раствор, который еще не успел
схватиться, или рыхлые отло-
жения. которые могут быть в
трещинах. Кроме того, такая
прерывистость не позволяет
полностью воспользоваться рас-
крытием трещин под действи-
ем давления. Это явлеиие мо-
жет проявляться лишь во вре-
мя инъекции одного замеса.
Между двумя инъекциями тре-
щины смыкаются. Ясно, что
резкие изменения раскрытия
трещин, сопровождающиеся
Притоком и оттоком раствора,
не обеспечивают столь хороший
результат, как при непрерыв-
ной инъекции. Этот метод
следует применять не для соб-
ственно инъекционных работ, а
Рнс 27-8 Пневматическая
установка
1 — опора; 2 — гибкий шланг, 3 —
воздух; 4 —два ввода воздуха; для
перекрытия колокола и опорожне-
ния; 5 — герметичное резиновое
уплотнение, 6 — рукоятка для за-
крытия колокола*. 7 — трехходо-
вой кран.
для подачи столь густых растворов
или растворов, содержащих настолько крупные частицы, что насосы
не могут их перекачивать. Эти растворы, предназначенные для пе-
рекрытия крупных пустот, вводятся при небольших давлениях, и
если вместе с раствором попадает воздух, это не столь важно, по-
скольку' заполнение пустот всегда сопровождается дополнительной
инъекцией обычными растворами
В настоящее время эти механизмы работают прн максимальном
давлении 6—7 кгс/см*, и уже давно отказались от громоздких
установок, рассчитанных на давление, например, 25 кгс/см*
НАСОСЫ
Центробежные насосы не используютси для инъекции из-за
сложности при работе с растворами и малых давлений нагнетания
Обычно применяют поршневые насосы
313
Наиболее простим является шпрнц-насос Это наиболее прак
тнчное оборудование для заполнения тонких weuiHH инженерных
сооружений, прн котором високне давления не обязательны и объем
инъекции незначителен (рис. 27-9).
Рве. 27-9 Схема пнъекцпн трещин ручным насосом с иг-
лами.
а — инъекция сверху вниз б — горизонтальная инъекция,
в — инъекция снизу вверх, 1 — игта, 2 — наконечник-, 3 — шов
из быстросхватывающегося цемента
Диафрагмовые (ряс. 27 Pi и плунжерные насосы (рнс. 27-11)
имеют ручной привод или небольшой двигатель. Лучше двигатель
с легко регулируемой переменной скоростью Пневматические дви-
гатели вполне пригодны, но тре-
буют компрессорной установки,
нерентабельной в условиях не-
больших строительных площа-
док Эги насоси обеспечивают
давления от 10 до 20 кгс/см2.
Они используются для выпол-
нения сложных инъекционных
работ, ие требующих больших
объемов раствора; чаще всего
их приводят в действие вруч-
ную.
Насосы с винтом Архимеда
(рнс. 27-12) имеют небольшую
мощность. Это почти единствен-
ный тнп насоса, используемый
для инъекции енлыю аэриро-
ванных растворов, так как
поршневые насосы прн работе
Рис. 27-10. Днафрагмовий насос.
1 — диафрагма (перемещение огра-
ничено); 2 — поршень; 3 — чистая
вода; 4 — раствор; 5 — предохрани-
тельный клепан, С — амортизатор
давления
с такими растворами имеют
ничтожный к. п. д.
Д1я инъекционных работ
большого масштаба применяют-
ся более мощные насосы, обыч-
но с двумя плунжерами (рнс.
27-13)
Максимачьный расход составляет около I л/сек, я давление до
400 кгс/crf (до 400 кгс/см2 прн инъекции стволов глубоких шахт).
Некоторые насосы имеют более високне расходы, однако их при-
менение нецелесообразно, если хотят набегать разрывов грунта.
314
Всасывающий и нагнетлтечьиын кпнынЫ насосов представляют
собой, как правило, крупные шары из твердой стали
Большинство насосов обеспечивает подачу раствора, содержа
щего песок, при условии что наибольший размер частиц не превы-
шает 0,5—1 мм Некоторые из них могут пропускать более крупные
Рис. 27 11 Плунжерный насос
1 — всасывающий клапан, 2 — нагнетательным кла-
пан.
Рис. 27-12. Винтовой иасос
частицы размером до 8 лыг Износ оборудования, достаточно высо-
кий при работе с чистым цементом, становится чрезмерным при
использовании растворов, содержащих песок.
Для обеспечения гибкости в работе этого оборудования, такой
же, как при использовании ручных насосов, и\ снабжают обычно
пневматическими двигателями. Пневматический двигатель имеет
поршень двойного действия с сечением, достаточным для того,
чтобы при давлении воздуха до 7 кгс[слР обеспечить подачу рас-
твора с максимальным давлением. Кран позволяет регулировать
подачу воздуха, т. е. расход насоса. Обычно расход определяется
числом ходов в минуту.
315
Рис 27-13. Насос с двумя плунжерами
В некоторых случаях воздух заменяют водой Для того чтобы
обеспечить в этом случае гибкость в работе механизма, необходимо
установить водяной насос, легко регулируемый во время работы.
АМОРТИЗАТОРЫ ДАВЛЕНИЯ
Для того чтобы устранить колебания давления, возникающие в
связи с переменным ходом механизма, на нагнетательный трубо-
провод помещают резервуар со сжатым воздухом. Этот резервуар
не подходит для всех давлений. Креме того, он быстро заполняет-
ся раствором; таким образом, уже через несколько часов работы он
выходит из строя
Можно набежать этого, заменив на нагнетательном трубопрово-
де несколько метров стальных труб эластичной трубой. Это решение
удачно, но в настоящее время такие эластичные трубы разрываются
при давлениях порядка 50 кгс/см3
Напомним, что не следует путать амортизацию инъекционного
давленая, о которой только что говорилось, с амортизацией мано-
метра, предназначенной лишь для измерения среднего давления и
не влияющей на действительные давления, которые всегда имеют
пульсации (рис 27-14).
ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ДЛЯ МАНОМЕТРОВ
Нельзя непосредственно подключить манометр к растворопро-
воду, так как он будет немедленно зацементирован. Необходимо
поэтому, чтобы раствор передавал давление на манометр через
инертную жидкость Проще всего использовать воду или масло, от-
деленное от раствора гибкой н герметичной мембраной Эта мембра-
не бывает чаще всего плоской или в форме пальца (рис. 27-15).
316
Рис. 27-14. Измерение амортнзнро
ванного и неамортизированного
инъекционных давлений
1 — без амортизации г —с амортиза-
цией
Рис. 27-15. Обычные предо-
хранители манометров.
1 — герметичная мембрана; 2 —
масло; 3 — раствор; 4 — трубо-
провод; 5 — манометр; 6 — ре-
зиновый наконечник.
Рнс. 27-16. Предохранитель
манометра со сквозным про
ходом.
1 — манометр; 2 — масло; 3 —
раствор; 4 — герметичная
мембрана.
Иногда она разрывается. При подключении прибора к трубопроводу
через ответвление раствор на контакте с мембраной не движется,
поэтому он начинает здесь схватываться и манометр показывает
постоянное давление, которое через некоторое время не имеет ни-
чего общего с давлением инъекции
317
Этот недостаток устранен в предохранителе с упругой трубча
той мембраной заменяющей несколько сантиметров трубопровода
СТАЦИОНАРНЫЕ ИНЪЕКЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
На строительной площадке смеситель и насос устанавливаются
рядом сташюиарио Обычно они располагаются в помещении, ко
торое одновременно служит складом для хранения материалов Это
помещение предпочтительнее размещать из склоне, с тем чтобы
воспользоваться гравитацией для перемещения материалов или при
необходимости для слива раствора
Остановка может находиться иа расстоянии нескольких сотен
метров от наиболее ) да ле иной части строительной площадки Г imi-
Рнс. 27 17 Пульт управления установки На стене —
схема установки (материалы фирмы Солетанш).
ственным неудобством будет большая длина трубопроводов, под-
водящих раствор к местам инъекции Следует поэтому оценить по-
терн напора, сравнивая показания регистрирующего манометра иа
установке (рнс 27-17) и манометра у скважины Это необходимо
сделать для различных расходов и типов раствора Это единствен-
ная правильная мера, так как раствор, находясь в состоянии кол-
лоидной суспензии, обладающий структурной прочностью и тиксо-
тропностью, не подчинен нм одной из известных формул, определяю-
щих потери напора После того как jto сделано, можно в основ-
ном удовлетворяться давлениями, определяемыми на установке.
Однако для некоторых растворов, которые налипают на стенки
трубопроводов, учитываются лишь давления у скважины.
Если потерн напора слишком велики, имеет смысл установить
подкачивающую станцию в том нлн ином месте строительной пло-
щадки Такой случай встречается редко.
Типовых схем установок не существует. Прн выбранном обору-
довании его размещение зависит от топографии местности, типз
раствора, состояния материалов цемент в мешках мчи навалом.
318
глина r порошке нли пляжная, химические вещества в порошке
или в жидком виде и т п
На крупных инъекционных установках используются весовые
дозаторы для порошкообразных материалов и объемные для жид-
костей. Некоторые установки в какой-то степени автоматизированы.
В качестве примера приводится несколько установок, созданных
для разных условий работы (рис 27-18—27-20)
Рис. 27-18. Небольшая инъекционная установка (ма-
териалы фирмы Солетанш)
Рис. 27 19. Инъекционная установка. Слева — смеси-
тели, справа — насоси (материалы фирмы Соле-
танш).
319
Рнс 27-20. Инъекционная хстановка полукруглой фор-
мы. На переднем плане насосы (материалы фирмы Со-
летанш).
ПЕРЕДВИЖНЫЕ ИНЪЕКЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
Инъекция в туннелях может проводиться с помощью стацио-
нарных установок, если обрабатываемые участки не слишком уда-
лены от них Но это случается ие часто, и поэтому применяют пере-
движные установки
Рнс 27-21. Подача инъекционного сое га
в« в туннель метрополитена (материалы
фирмы Солетанш).
Обычно пользуются наличием железной дороги и создают инъ-
екционный узел п вагонах Для упрощения используют материалы
только в порошкообразном состоянии Однако ничто не помешало
320
бы сначала вне вагона приготовить основной раствор, например из
влажной глины, который хранился бы в вагонах-цистернах
Передвижные узлы имеют по нескольку вагонов. Необходимо по
крайней мере иметь два вагона один — со смесителем и насосом,
другой — с материалами. Часто приходится добавлять еще одни
вагон, в котором расположено буровое оборудование. Так создают-
ся инъекционные составы (рис 27-21 и 27-22)
Рис. 27-22. Вагон, оборудованный под
рабочую платформу.
ТАМПОНЫ
Как известно, скважины следует инъектировать относительно
короткими зонами.
Только в скальных породах, инъектируемых нисходящими зона-
ми, можно просто подключить инъекционный трубопровод к тру-
бе, заделываемой в устье скважины. Во всех других случаях следует
иметь тампон для установки в необходимой точке скважины.
Это те же тампоны, которые применяются для гидравлических
опробований; они состоят либо из нескольких кожаных манжет
(рис. 27-23), либо из одного или нескольких упругих резиновых
колец, которые обжимают вдоль оси скважины, с тем чтобы они
утолщались (рис. 27-24), либо из упругой оболочки, разжимаемой
под давлением с помощью жидкости, воздуха, воды, масла или
даже инвестируемого раствора (рис. 27-25).
Тампоны монтируются на конце трубопровода, который прохо-
дит через их ось.
Первый тип тампонов годен для скважин с гладкими стенками,
выполненными, скажем, алмазным бурением в бетоне или слабо
трещиноватых скальных породах Второй тип тампонов годится для
всех случаев, однако поскольку установка их на больших глубинах
321
4)
27-23.
ПОН CKO-
ЫМН
жетамн.
Рис 27 24. Тампон c
кольцом из упругой ре-
зины.
1 —кольцо из мягкой ре-
кииы; 2 — труба диамет-
ром 41 дюйма, 3 — стан-
дартная труба диаметром
1 дюйм, 4 — нажимная
гайка; 5 — соединительная
муфта для подводящего
трубопровода.
Рис 27-25. Расширяю-
щийся тампон.
1 — соединительная муф-
та для воздуховода; 2 —
резиновая оболочка, рас-
ширяющаяся с помощью
сжатого воздуха
> J *
$ J
Рнс 27-2G Двой-
ной тампон для
инъекции с ман-
жетными трубами.
J — двойкой там-
пон. 2 — стенка
скважины. 3 — от-
верстие для инъек-
ции; 4 — резиновая
манжета; 5 — тру-
ба, заделываемая в
скаажине, 6 — инъ-
екционная труба;
7 — полупластич-
ная обойма
сложна п требует много времени, нх используют только в тех слу-
чаях. когда кожаные манжеты не подходят.
При инъекции аллювия < использованием манжетных труб не-
обходимо направлять раствор через одну манжету Этого удается
добиться путем применения двойного тампона (рис 27-26)
ЛИТЕРАТУРА
Anger G (1955), Tappi 38, 242, 1955
Arguillere Г (1927), Cimentahoii des gres Vosgicns, Revue
de Tlnduslrie Miner ale, 1. Nov 1927.
Atherton Г G.GarettW. S (1959), The history of cemen-
luhon in shaft sinking. Symposium on shaft sinking and tunneling.
Institution of Mining Engineers, London, 1959.
Baker W J. (1955), Flow in fissured formations, 4-me Congres
Mondial du Petrole, Rome, 1955, Section 11/E, p. 7
Barbcdettc R, S a b а г 1 у F (1953), Etude cl utilisations
recentes des coulis d’injection a г pile— ciment, 3-me Congres de Me-
conique des Sols, Zurich, 1953 (1958), Contribution a I’amelioration
technique et economique de la silicatisation, 6-me Congres des Grands
Barrages, New York, 1958.
В a rd out G. (1956). Construction d’une gaferie telephonique
sous la Seine entre la place Saint-Michel et la place du Chatelet,
Ann a les de I'lnstitut Technique du Batiment et des Travaux Publics,
Oct. 1956.
Bauzil V. (1952), Traite d'irrigation, Eyrolles, Paris
Bernatzik W. (1948), The control of cement injections by
means of bore cores, 2-me Congres des Mecaniques des Sols, Rotter-
dam, 1948.
E. du В о i s (1963), Injections with high pressure in deep mines.
Conference sur Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice,
Butterworths — London, 1963.
Boycott A. E. (1920), Sedimentation of blood corpuscules, Na*
hire, 104, 532, 1920.
Brice L. P. (1949), Mortier utilisable en particulier comme pate
d’injection (Brevet fran^ais).
Brisson de Laroche—Jeannin (1937), Nouveau mode
d’obtention economique de suspensions colloidales dans Teau (Brevet
franca is).
Cambefort H. (1951), Les alluvions graveleuses feuilletees et
a structure ouverte, 4-me Congres des Grands Barrages, New Delhi,
1951;
1955, Forages et sondages, Leur emploi dans les Travaux Publics.
Eyrolles, Paris;
1955, Mesure de la porosite des roches par des methodes elec-
triques. Revue de I'lnstitut francais du p^trote, Oct. 1955;
1963, Reconnaissance des sols et fondations speciales, Eyrolles,
Paris.
Cambefort H, Caron C. (1953), Procede pour I’etanchement
ou la consolidation ties sols permcables ou autres masses porcuses
323
ct produit Industrie! permettanl de meltre en oeuvre ledit procede
(coulis aere) (Brevet Frankish
1957. Le delavage des gels de silicate de soude, 4-me Congrds
des Mecanique des Sols. Londres, 1957.
Capdecomme L. Farran J., Orliac M. (1953), Geotech-
nique et Mmcralogie, La Technique Modeme, Construction, Mai 1953
Caron C., Nombreuses notes internes Soletanche sur les carac-
lenstiques des coulis et les brevets Soletanche suivants.
(1952) Procede de rupture des emulsions bitummeuses ou analo-
gues et applications, notamment en injection pour elancher ou conso-
lider des sols permeablcs ou autres masses poreuses.
(1955) Produit pour r&anchement des sables fins,
(1957) Nouvelle methode de gehfication des silicates alcalins et
1'apphcation des produits nouveaux en resultant, a l^tanchement ou
la consolidation des sols ou autres masses poreuses;
(1959) Nouveau procede d’injeclion de coulis d’argile et produit
utilise pour la mise en oeuvre du dit proced€;
(1959) Procede d'injection des terrains peu permtables par for-
mation d’une resine ph€noplaste;
(1963) The development of grouts for the injection of fine sands,
Conference sur Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice.
Butterworths — London. 1963;
(1964) Etude phystco-chimlque des gels de silice (These de Doc-
toral).
Chadeisson R. (1962), Quelques resultats de traitement par
injection de terrains sans cohesion (efficacite et permanence), Genie
Civil, 1—15 Septembre, 1962.
Corps of Engineers —U. S. Army (1956), Pressure grou-
ting of fine fissures. Technical Report 6—457, Vicksburg, Mississippi.
Daxelhofer J. (1946), Essais de resistance et de retrait de
divers coulis d’injection. Note interne Solexperts.
Dubrisay R. (1936), Phenomenes colloidaux, Armand Colin,
Pans.
Duriez M. (1944), Methodes d’obturation de fissures dans les
ouvrages en beton, Annales des Ponts et Chausstes, Mai/Juin 1944.
(1950) Traitfc de materiaux de construction, Dunod, Paris.
(1953) Les adjuvants du bfcton plastifiants entraineurs d’air et
produits colloidaux. Conditions d’emploi, Annales de 1’Institut Tech-
nique du Batiment et des Travaux Publics, Juin 1953.
(1956) Largile colloidale et les revetements hydrocarbones de
chaussles, La Technique modeme, Construction, Sept. 1956.
Duriez M., Arrambide J. (1954). Liants hydrocarbones.
Dunod — Pans.
Dutron (1934), Le retrait des ciments, mortiers, et betons.
Bull. Technique, 23.
Laboratoire de Recherches et des ContrOles du groupement profes-
sionnel des fabricants de ciment de Belgique, Bruxelles, 1934.
Florentin J., L’Heriteau G. (1950), Le coulis de ciment
thermocolloidal et ses possibilites d’application aux injections, aux
travaux routiers, etc , Colloque international de Mfecanique Ra-
tionnelle, Poitiers, Avril 1950.
Francois A (1923), Sur les travaux miniers executes par les
precedes de la cimentation el de la silicatisation, Revue universelie
des Mines, 15 Juillet, 1923.
324
Irilsch Volker (1956). Geoelektnsche Messungen in der
Betonbaulechnik. Zement und Belon, Nov 1956
Gibcrt R (1960). Transport liydraulique et refoulement des
mixtures cn conduces, Annales des Ponts et Chausstes, Mai—Juin,
Juil—Aofit 1960
Gignoux M, Barbier R (1955), Geologic des barrages et
des amenagements hydrauliques, Masson et Cie, Paris
Haffcn M (1955), Barrage de к Chau da one, Travaux de con-
solidation el d’elanchements, 5-me Congres des Grands Barrages.
Paris 1955
Hatschek E. (1932), La viscosite des hquides, Dunod, Paris
Hill R. (1950), The mathematical theory of plasticity, Clarendon
Press, Oxford
Hubbert M K, Willis D C. (1957), Mechanics of hydraulic
fracturing, AIME Petroleum Transaction, vol. 210, 1957.
I sen у E. (1948), Digue du lac Noir Lutte conlre les Erosions
souterrames, 3-me Congres des Grands Barrages, Stockholm, 1948,
Quest 10-R; 37—2 me Congres des M^canique des Sols, Rotterdam, Tra-
vaux. Juin 1948.
Jones G. K- (1963), Chemistry and flow properties of bentonite
grouts. Conference sur Grouts and Drilling Muds in Engineering
Practice, Butterworths — London, 1963
Little A. L, Stewart J. C., Fookes P. J. (1923), Bedrock
grouting test at Mangla dam, Conference sur Grouts and Drilling
Muds in Engineering Practice, Butterworths — London, 1963.
Karol R. H., Swift A_ M. (1961), Grouting in flowing water
and stratified deposits, Symposium on Grouting, Proceedings ASCE,
paper 1797, SM, April 2, 1961.
Keil K-, Die physikalisch-chemischen Grund la gen des Hydraton-
verfahrens, Die Bautechnik, Nov. 1954.
Kino si ta K- (1949), Sedimentation in tilted vessels, J. Colloid,
Sci — 4, 525—36—1949.
Lane R. G. T. (1963), The jetting and Grouting of fissured
quartzite at Kariba, Conference sur Grouts and Drilling Muds in
Engineering Practice, Butterworths — London, 1963.
Langer G. (1937), Nouveau produit argileux susceptible de
donner un gel d'argile, son procede de preparation et ses applications
(Brevel franca is).
Leonard M. W., Dem ps eу J. A. (1963), Clays for clay grou-
ting, Conference sur Grouts and Drilling Muds m Engineering Prac-
tice, Butterworths — London, 1963.
Leveque P. (1954), Geologie appliquee aux Grands Trauaux
du Maroc, Fasc. 11, Etudes des quclques emplacements de barrage.
Editions du Service Geologique du Maroc, Noles et Memories № 9H.
Rabai, 1954;
(1957), Contribution й I’etude du cheminement de divers coulis
d'injection. Bull, de la Societe Gfeologique de France, 6-me sene,
tome 7. Fasc. 7, Paris, 1957.
Hermite R. I. (1947), Le retrail des ciments. mortiers et
betons. Annales de 1'Institut Technique du Bailment et des Travaux
Publics. F. 37. 1947;
(1951), Nouveaux procedes de traftement du beton. Annales de Г
I T.B.T.R, Mars —Avril 1951
Loudon A. G (1953), The computation of permeability from
simple sod tests, Geotechnique, Dec. 1953.
325
Lu geon M. (1933). Barrage et geologic. Dunod, Pans
Maehls Jun A (1946). Experimental observations on grouting
sands and grMeis, Proceedings ASCE, Nov 1946
Maigre R (1955). Realisation par injection dun ecran imper
meable en matenau alluvionnaire. 5-me Congres des Grands Barrages,
Pans. 1955. Quest 16. R. 79
Mandel J (1943), Equillbre limites plans des milieux plastiqucs,
Travaux
Mars land A, London A. G (1963), The flow properties
and A teld gradients of bentonite grouts in Sands and capillaries
Conference sur Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice,
Butterw orths — London. 1963
Masscnhove H Van (1930), Les applications des precedes
de cimentation Francois au fon^age de puits, reparation de cuvelagc
et trace des galenes en terrain aquifcre. Congres International des
Mmes, de la Mctallurgie et de la Geologic Appliquee, Liege, 1930.
Metro! R (1951). La rh£ologte des suspensions, Application
aux boues de forage, Revue Institut francais du petrole, Janvier a
AoOt (951
Neumann H. (1956), Injektionen zur Bodemerfcstigung und
Abdichtung mit Silikatgelen, Die Bautechnik, 6 Juin, 1956;
(1958), Das Scdimentvolumcn als Kenngrosse fur die Untersu-
chung \on Injeklionszementen, Zement — Kalk — Gips, № 8, 1958.
Pa pa dak is M. (1955), Rheologie des suspensions de ciment.
Revue des matenaux de construction. Mai 1955,
(1957), Recherches sur le malaxage a haute turbulence des
suspensions de ciment. Revue des Matenaux, Edition C, Mars 1957,
X» 498,
(1959), L'injectabilitt des coulis et mortiers de ciment, Revue
des Materiaux de Construction. Dec 1959.
Pearl I. A. Beyer D L. (1956), Tappl. 39, 171. 1956.
Poisson Y. (1948), Injections de suspensions d'argile 2-me
Congres de Mecanique des Sols, Rotterdam, Travaux, Jum 1948.
Polivka M, Witte L. P., Gnaedinger J. M (1957),
Field experiences with chemical grouting. Proceedings ASCE, vol. 83,
SM 2. paper 1204.
Postel R., Barbedette R. (1948), Les melanges argiles-
ciment dans les traxaux d’injection de sols, 2-me Congres de Meca-
nique des Sols. Rotterdam Travaux. Juin 1948.
Ract —Madoux X., Basset— C ambef or t (1955), Etude
et realisation des parafouilles des batardeaux et du barrage des
Echelles d'Annibal a Aigueblanche, 5-me Congres des Grands Barra-
ges, Pans, 1955, Quest Г6, R. 89.
Riviere—Lescail (1955). Rapport concernant les travaux
d’etanchement de la retenuc de I’amenagcment de Charmine — Моих,
5-me Congres des Grands Barrages. Paris 1955, Quest. 16, R. 76.
Rod io G (1938), Las inyecciones quimicas en los terrenos, Las
Ingemera, Buenos — Aires. Juin- Juillet 1938
Romanovsky V (1948), Recherches sur les proprietes physi-
ques des sediments mcubles, Annales de I'lnstitut Technique du Bail-
ment et des Travaux publics. Mars 1948
RouselleJH. (1955), Traversee d'un banc de quartzite
fluente et sous pressinn par la galerie de Malgovert. Annales de
I'lnstitut Technique du Bailment et des Travaux Publics, Janv 1955
326
Scott R A. (1963), Fundamental considerations governing the
penetrability of grouts and their ultimate resistance to displacement.
Conference sur Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice,
Butterworths- London, 1963
Shell (1932), Precede pour impermeablliser ou fixer des couches-
de terre permeables ou mobiles, telles que des sols sableux, et autres
masses poreuses (Brevet fran^ais);
(1935), Procede pour rendre impermtables et etanches les terrains,
masses terreuses et pierreuses et ma^onneries, et pour en remplir les
vides. cavites et fissures (Brevet fran^ais).
Shell Development Co (1942), Process for ground fixation
(Brevet U. S.).
Simonds A. W. (1951), Final foundation treatment at Hoover
Dam, Proceedings ASCE, Separate 109, Dec. 1951, Sep D-109,
Oct. 1952
Skempton A. W.— Cattin P. (1963), Full Scale alluvial
grouting test at the site of Mangla Dam, Conference sur Grouts and
Drilling Muds in Engineering Practice. Butterworths - London. 1963
Skipp В. O. — Renner L. (1963), The improvement of the
mechanical properties of sand, Conference sur Grouts and Drilling
Muds in Engineering Practice, Butterworths — London. 1963.
Smith J. C (1952), The chrome-lignin process and ion exchange
studies. Proceedings of the Conference on Soil Stabilization M. 1 T,
1952.
Stefan (1963), Contribution й I'gtude du cheminement dun
coulis d’injection dans un milieu poreux permeable These d'ingdnieur
Doctcur, Toulouse, 1963.
Ta lob re J. (1957), La mecanique des roches appliqute aux
Travaux publics, Dunod, Paris
Tcherkezoff N. (1962). Aper^u des theories modernes de la
viscosite des liquides. Revue de I'Institut fran^ais du pdtrole, Juillet -
/tout 1962.
Les Travaux Souterrains (1934), Procede pour imper-
meabiliser et consolider les terrains ou maconneries (Brevet francais)
Wells J. M. (1950), Experimental grouting investigation for
chief Joseph Dam, Journal o) the American Concrete Institute,
Janv. 1950.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие переводчиков 3
Введение 5
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Глава первая. Инъектируемые среды 7
Каменная и бетонная кладка 7
Закарстованная скала 8
Трещиноватая скала .... 8
Испытания по методу Люжона 8
Несвязные грунты .... 10
Испытания по методу Лефранка . . 11
Неоднородность аллювиальных грунтов 11
Глубина разведки......................................16
Изыскания при сооружении противофнльтрацнонных
завес.............................................. 17
Изыскания для укрепительной инъекции 19
Глава вторая. Различные виды растворов 19
Жидкие растворы . . 20
Нестабильные растворы 20
Стабильные растворы 22
Разделение фаз . 24
Пределы ннъектируемости 24
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ТЕОРИЯ И ПРИНЦИПЫ ИНЪЕКЦИИ
Глава третья. Течения в процессе инъекции. Сыпучие
среды................................................. 28
О коэффициенте фильтрации...........................28
Инъекция в водопроницаемую однородную н изотропную
среду 30
Инъекция в неоднородную водопроницаемую среду 32
Разжижение растворов прн смешивании с водой 34
Инъекция вблизи непроницаемой стснкп 35
328
Глава четвертая Течения в процессе инъекции (окон*
чаиис). Трещины 38
Инъекция неньютоновскон жидкости в грещпну 38
Инъекция ньютоновской жидкости в трещину 40
Влияние давления на раскрытие трещин . 41
Влияние количества и величины раскрытия трещин 43
Инъекция нестабильного раствора в трещину 44
Глава пятая. Давление инъекции 49
Инъекция отдельной трещины ... 49
Давление подъема Противодавление 49
Инъекция стабильного раствора 54
Инъекция нескольких трещин..............................55
Давление инъекции и отказа для нестабильного раствора 57
Влияние диаметра скважин на давление отказа 60
Давление инъекции н деформации грунта 61
Глава шестая. Давление инъекции (окончание). Разры-
вы грунта 62
Направленность разрывов................................ 63
Разрывы прн отсутствии напряжений орогенеза ... 64
Разрывы в аллювиальных породах вблизи противофильт-
рационной завесы...................................... 69
Исследование разрывов. Их последствия 72
Инъекция без разрывов 74
Глава седьмая. Экспериментальное изучение инъекции.
Лабораторные исследования 75
Инъекция трещиноватой скалы 75
Инъекция песка н гравия 81
Глава восьмая. Экспериментальное изучение инъекции
(окончание). Полевые исследования 84
Инъекция трещиноватой скалы . . 84
Инъекция песчаных и гравийных грунтов 93
Глава девятая. Физические и механические свойства
заинъектированных пород................................... 95
Сопротивление сжатию заниъектированиой трещины . . 96
Сопротивление раскупориванию заниъектированной тре-
щины ..................................................97
Сопротивление сжатию заинъектированных аллювиальных
пород..............................., . 98
Сопротивление раскупориванию заинъектированных аллю-
виальных пород .... 102
Проницаемость после инъекции 104
Размыв растворов 106
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ИНЪЕКЦИИ
Глава десятая. Инъекция трещиноватых пород 108
Инъекция широко раскрытых трещин 108
Промывка трещин 109
Блокировка глинистого заполнения 110
329
Инъекция тонких трещин П2
Гидравлическое опробование 112
Инъекция зонами..................................... 112
Нисходящая и восходящая инъекция 114
Инъекция сильно трещиноватой скалы 116
Инъекция стабильного раствора . 116
Инъекция нестабильного раствора......................118
Давление отказа при инъекции нестабильных растворов 122
Глава одиннадцатая. Инъекция трещиноватых пород
(окончание) 123
Инъекция поверхностных слоев 123
Выходы на поверхность ..............................124
Инъекция трещиноватой скалы с микропроницаемостью 125
Разрывы в слабых породах . 125
Диаметр скважин . 126
Способ бурения .... 126
Расстояние между скважинами . 127
Наклон н отклонение скважин . 129
Галереи для производства работ 129
Глава двенадцатая. Инъекция песка и гравия 130
Общие сведения 130
Восходящая инъекция . . 132
Инъекция через трубы с манжетами 134
Опережающая инъекция 137
Давление инъекции.................................. 138
Объем инъекции и конечная проницаемость 139
Глава тринадцатая. Инъекция песка и гравия (окон-
чание)
Разрывы..................
Деформация грунта основания
Инъекция поверхностных слоев
Инъекция нарушенных пород
Выходы на поверхность
Диаметр скважин и способ бурения
Расстояние между скважинами
Угол наклона и искривление скважин
Глава четырнадцатая. Контроль результатов инъекции
Инъекция пропитыванием
Инъекция с разрывами .
Средства локального контроля
Скорость бурения скважин
Гидравлические испытания
Окрашенные растворы . .
Радиоактивные индикаторы...........................
Измерение удельного электрического сопротивления
Индикаторы перемещений . .
Общий контроль качества работ
141
141
142
145
145
146
147
147
149
149
150
151
152
152
153
154
157
158
163
165
330
I лапа пятнадцатая Опытная инъекция 169
Определение расстояния между скважинами в скальных
породах......................................... 170
Опытная инъекция в аллювиальных грунтах . 172
Проходка горных выработок в заинъектнрованной среде 174
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
РАСТВОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Глава шестнадцатая. Характеристики растворов 177
Основные характеристики растворов 178
Измерение вязкости .... 180
Измерение прочности структуры 182
Измерение водоотделення 184
Влияние седиментации 186
Г л а в а семнадцатая Нестабильные растворы. Суспен-
зии чистоцементные и с отстающими добавками 188
Цементные растворы 188
Растворы с отстающими добавками 198
Глава восемнадцатая. Стабильные растворы. Цемент-
ные суспензии с высокой конечной прочностью 199
Цементно-бентоинтовые растворы 200
Цементно-силнкатные растворы . 203
Цементно-бентоннто-силнкатные растворы 204
Активированные цементные растворы 205
Химическая диспергацня цемента 205
Физическая диспергацня цемента 212
Механическая диспергацня цемента 214
Быстросхватывающнеся растворы 215
Экономичные растворы: цемент — зола уноса 216
Инъектируемыс смесн 221
Глава девятнадцатая. Стабильные растворы (про-
должение). Суспензии глины 223
Обработанные глинистые растворы 223
Аномалии вязкости 227
Выбор глии .... 229
Масло-бентоннтовые растворы 231
Гели глины 231
Глава двадцатая Стабильные растворы (окончание).
Суспензии типа глииа — цемент — песок 232
Глино-цементные растворы..............................232
Реологическое исследование глино-цементных растворов 232
Практические характеристики глино-цементных раство-
ров .... . . 235
Глнно-цемеитно-песчаные растворы..................... 239
Тиксотропный глнно-цемеитно-песчаный раствор 239
Приготовление растворов 241
331
Глава двадцать первая. Жидкие растворы из хими-
ческих продуктов Твердые гели силиката натрия и лигно-
хрома 242
Используемые материалы 242
Определение времени схватывания растворов 243
Общие сведения о гелях силиката натрия 245
Образование геля . 246
Раздельная инъекция силиката и реагента 248
Метод Джезиорского ~ Джустена 248
Метод Франсуа 250
Инъекция смеси силикат — реактив 251
Лигносульфитнохромовые гели 254
Глава двадцать вторая. Жидкие растворы из хими-
ческих продуктов (продолжение). Пластичные гели силика-
та натрия и дефлокулированного бентонита
Силикатные гели ..............
Факторы, влияющие иа время схватывания .
Физические и механические характеристики гелей
Гели с бентовнтом, глиной или цементом
Глава двадцать третья. Жидкие растворы из хими-
ческих продуктов (окончание). Органические смолы
Раствор АМ-9......................
Резерцнно-формалъдегядиые растворы .
Растворы из конденсационных полимеров
Глава двадцать четвертая. Растворы на основе
органических вяжущих
Битумы
Битумные эмульсин ....
Битумные эмульсин с наполнителями
Эмульсии из битума и цемента
Растворы на основе каучука
Глава двадцать пятая. Аэрированные растворы
Физические и механические характеристики
Плотность ....
Структурная прочность
Водоотделение
Проникаемостъ
Сопротивление сжатию
Приготовление
Глава двадцать шестая. Выбор растворов
Сопротивление сжатию и вязкость заинъектированных
грунтов ..........................
Относительная стоимость растворов
Инъскшш трещиноватых скальных пород
332
Инъекция аллювиальных грунтов
Ремонт кладок
Анкеровка .
Связывающая инъекция
Глава двадцать седьмая. Оборудование для
ционных работ
Смесители ....
Пневматическая установка
Насосы ....
Амортизаторы давления . .
Предохранители для манометров
Стационарные инъекционные установки
Передвижные инъекционные установки
Тампоны
Литература
ннъек-
302
305
308
308
309
309
313
313
316
316
318
320
321
323