Взрывная кольматация грунтов (упрочнение грунтов гидровзрывом)
Разнообразие физико-механических свойств грунтов и гидротеологических условий их залегания, а также особенности того или иного сооружения обусловливают необходимость применения наиболее эффективного способа укрепления грунтов.
Существующие способы укрепления грунтов условно подразделяются на две группы: механические (уплотнение катками, бетонирование, гидровибрирование, торкретирование и т. д.) и физико-химические (солонцевание, гидрофобизация и т. д.).
В последние годы как в России, так и за рубежом довольно в большом масштабе проводятся исследования применения энергии взрыва для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов. Хорошие результаты получены при уплотнении поверхностных и глубинных слоев грунтов взрывами при строительстве плотин. Применение взрывного способа может обеспечить увеличение относительной плотности несвязных грунтов до 70—85%. Однако при взрыве сконцентрированных зарядов ВВ при малом радиусе их действия уплотняется небольшой массив грунта по площади и по глубине. Для уплотнения более обширной площади приходится применять большое количество точечных зарядов, перекрывающих каждый свою зону уплотнения, вследствие чего усложняется технология производства взрывных работ, снижаются прочностные свойства грунтов, увеличиваются затраты времени на размещение зарядов и т. д.
Отдел гражданского строительства при Сиракузском университете несколько лет назад начал разработку взрывного метода упрочнения грунта с применением вспененного топлива. Большую площадь обрабатываемого грунта покрывают слоем пенистого вещества, которое взрывают с целью уплотнения. Указанное ВВ содержит: гидразин, перхлорат аммония и пенящий агент (пенящаяся жидкость на основе гидролизованного протеина). Кроме того, добавляют стабилизатор пены для увеличения срока его годности. Применение указанного метода весьма сложно и требует больших затрат средств.
В последнее время автором предложен новый метод укрепления грунтов гидровзрывом с применением различных цементирующих, цементно-грунтовых и гидрофобных вяжущих составов. Указанный метод можно отнести к особой промежуточной группе, так как он сочетает в себе механические (взрывное инъецирование мелкодисперсных частиц в поровые каналы) и физико-химические (укрепление частиц в поровых каналах) способы закрепления малосвязных грунтов.
Простота указанного метода, малая трудоемкость и использование несложного оборудования позволяют применять его в любых производственных условиях.
Как показали многочисленные эксперименты в лабораторных и полевых условиях, при гидровзрывном укреплении малосвязных грунтов улучшаются их физико-механические свойства при естественном залегании, сокращаются сроки строительства сооружений и значительно снижаются расходы в период их эксплуатации.
Для теоретической и экспериментальной проверки гидровзрывного способа улучшения динамических свойств грунтов автором разработана методика проведения исследований.
Рабочая программа этих исследований включает вопросы определения энергетических, физико-механических и фильтрационных характеристик грунтов при устройстве выработок специального назначения и каналов с применением цементирующих (скрепляющих) составов и без них.
Наблюдениями установлено, что водопроницаемость грунта в выемках и каналах снижается в основном не за счет сужения пор при взрыве, а в результате микроагрегатного изменения состава взорванного грунта, покрывающего ложе канала при обратном падении. В суглинистом взорванном грунте на откосах канала после взрыва крупных частиц содержится гораздо меньше, чем до взрыва. Преобладание частиц размером 0,05— 0,01 мм, а также большое содержание пылеватых частиц (особенно илистых размером менее 0,001 мм) свидетельствуют о пониженной водопроницаемости этих горизонтов. Как правило содержание илистых частиц в разрыхленном обратно упавшем в выемку грунте после взрыва увеличивается почти в 1,5 раза. После удаления слоя обратно упавшего грунта фильтрационная способность ложа выемки начинает восстанавливаться. До удаления обратно упавшего грунта скорость фильтрации составляла 5,9·10-5—4,9·10-5 см/сек, после удаления небольшого слоя 2,8·10-4—1,4·10-4 см/сек. Следовательно, скорость фильтрации в создаваемых взрывами выемках уменьшается вследствие наличия слоя обратно упавшего и нарушенного взрывом грунта, а также частично уплотненного слоя.
Исследованиями, проведенными автором в полевых и лабораторных условиях на Курской опытно-мелиоративной станции ВНИИГиМ и на землях совхоза «Путь Ильича» (Подольский район Московской области), установлено, что скорость впитывания в первый период после заполнения выемки водой уменьшается вследствие усиленного заиливания крупных пор илистыми частицами из слоя обратно упавшего грунта, находящегося под действием статического давления столба воды. Затем токи воды, перемещаясь поступательно вместе с мельчайшими частицами грунта, заполняют, растекаясь из крупных пор и трещин, соседние более мелкие поры (рис. 61). Процесс продолжается до тех пор, пока все поры не заполнятся этими частицами. Естественная кольматация наблюдается и в заполненных водой обычных копаных выемках, но с меньшей интенсивностью.
Рис. 61. Схема распределения частиц грунта в выемке под действием взрыва подвесного микрозаряда в воде 1 — движение токов воды; 2— движение токов воды с мелкодисперсными частичками грунта; т — слой грунта с нарушенной структурой после взрыва; h — глубина заложения подвесного заряда; H — напор воды; DB—раствор выемки поверху
В дальнейшем был разработан метод создания водонепроницаемого и упрочненного слоя грунта путем взрыва небольших зарядов в наполненных жидкостью выемках. Новый метод снижения потерь воды на фильтрацию характеризуется простотой применения, наименьшими затратами труда, времени и средств. Примерно в 5—6 раз по сравнению с другими способами снижается стоимость работ по предотвращению фильтрации.
Способ упрочнения грунтов и снижения их водопроницаемости взрывами микрозарядов в жидкой среде назван взрывной кольматацией.
В отличие от естественной кольматации, когда происходит медленное заиливание только поверхности грунта наносами или илистыми осадками под действием сил собственного веса и столба воды, взрывная кольматация пор и трещин основана на действии ударных волн в жидкой среде. При этом мелкодисперсные смоченные частицы инъецируются в глубокие слои грунта и закупоривают поровые каналы и трещины, создавая тем самым мощный упрочненный и антифильтрующий слой грунта.
Способ взрывной кольматации мелкодисперсных частиц в поры грунта применяется при цементации поровых каналов путем взрыва небольших зарядов в жидких скрепляющих веществах.