А.С. Кадыров, д.т.н., профессор

Карагандинский государственный технический университет

О возможности использования местных глин для строительства способом «стена в грунте»

Способ строительства «стена в грунте» широко применяется при устройстве подземных сооружений, особенно в условиях плотной городской застройки. Преимуществом является то, что он позволяет производить строительство, не принося вред близлежащим зданиям и сооружениям, поскольку, не приводит к релаксации окружающих грунтовых массивов [1].

При разработке траншей способом «стена в грунте» резание грунта происходит в среде глинистого раствора [2]. Отделенные от массива куски грунта взвешиваются в глинистом растворе. Для удержания отработанного грунта или шлама во взвешенном состоянии требуется использование тиксотропного глинистого раствора. Тиксотропность раствора характеризуется его способностью превращаться в студенистую жидкость в состоянии покоя и приобретать свойства жидкости при появлении внешнего механического воздействия.

Тиксотропный глинистый раствор позволяет удерживать шлам во взвешенном состоянии при прекращении циркуляции раствора из призабойного пространства к устройствам, производящим его очистку. По причине отсутствия оседания шлама в рабочую зону траншеекопателя, его работа происходит без возникновения дополнительных сопротивлений от контакта шлама с рабочим органом траншеекопателя.

Устойчивость стенок траншеи при заглублении рабочего органа траншеекопателя, а также в период устройства собственно стены обеспечивается за счет повышенного гидростатического давления глинистого раствора и образования водонепроницаемой глинистой корки в процессе кольматации пор грунта.

Важными свойствами глинистых растворов являются: плотность, вязкость, суточный отстой (седиментация), стабильность, водоотдача, толщина образуемой глинистой корки на стенке траншеи (2 – 5 см), предельное статическое напряжение сдвигу, содержание песчаных частиц, концентрация водородных ионов.

При выборе параметров глинистого раствора отталкиваются от свойств разрабатываемого грунта. Глинистый раствор должен обеспечить надежную работу машин и механизмов, сохранить устойчивость стенок траншеи и качество конструкции формируемой траншее.

Тиксотропные глинистые растворы готовят из бентонитовых глин, которые доставляют на место строительства в виде комьев или порошка, либо для этого используют местные глины.

Глинистый раствор получают путем смешивания глин с водой, в зависимости от химических и физико-механических характеристик глин получают стабильные тиксотропные и нестабильные глинистые растворы. Условием получения стабильных глин является правильный выбор глин и методов их обработки.

Воду для приготовления глинистого раствора рекомендуется применять пресную, содержащую менее 1 % NaCl или менее 120 мг/л ионов кальция.

Процесс взаимодействия глин с водой является очень сложным, различными учеными он объясняется по-разному. Однако всем известна способность глины во влажном состоянии образовывать пластическую массу и превращаться в прочную водонепроницаемую монолитную структуру при высушивании.

Помимо этого глина подвержена явлению сольватации. Сольватация – это процесс перехода вещества из полутвердого гелевого состояния в жидкое состояние (золь). При наличии в растворе воды, находящейся в физически связанном состоянии, раствор находится в гелевом состоянии. При наличии в глинистом растворе, помимо химически связанной воды сольватных оболочек, дополнительной свободной воды образуется золь.

Процессы, происходящие в глинистых растворах, сильно изменяют их свойства. Свойства глинистых растворов не похожи на свойства обычных жидкостей. Сильное влияние на эти свойства оказывают физико-химические свойства глины, ее концентрация в растворе. [1].

Наиболее стабильные тиксотропные глинистые растворы, используемые при строительстве способом «стена в грунте», получаются на основе бентонитовых глин, которые разделяют на монтмориллонитовые и каолинитовые. Свойства каолинитовых и монтмориллонитовых глин можно оценить по показателям, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика каолинитовых и монтмориллонитовых глин

Показатели	Значения показателей для глин
	Каолинитовых	Монтмориллонитовых
Содержание глинистых частиц размером <0,005 мм, %	30-60	>60
Отношение SiO2/R2O3	1,5-3	3-5
Число пластичности WП	17-50	50
Показатель коллоидной активности, АК= WП/	0,3-0,9	0,9
Набухание, %	>50	50-440

Примечание: - содержание, % глинистых частиц размером менее 0,002 мм.

Помимо этого, для приготовления стабильных суспензий можно использовать местые глины, содержащие около 30-40 % глинистых частиц с числом пластичности 0,2 и выше.

При содержании в глине ионов хлора, серной кислоты, кальция высокой концентрации приготовление качественного раствора возможно лишь при проведении дополнительной обработки глины.

Прежде чем приступать к приготовлению глинистых растворов, необходимо провести лабораторные испытания входных материалов. Глины, отбираемые для приготовления растворов, должны иметь следующую характеристику:

Плотность, кг/м³………………………………………..2700 – 2750

Число пластичности……………………………………не менее 0,2

Гранулометрический состав, %

песчаных частиц размером 1 – 0,05 мм………………10

глинистых частиц размером <0,005 мм………………30

глинистых частиц размером <0,001 мм………………10

Набухание, %.....................................................................15

Влажность грунта на пределе раскатывания, %.............>25

Ориентировочный расчет необходимого количества глины для получения глинистого раствора заданной плотности производят по формуле:

, (1)

где Р – масса глины, кг, на 1 м³ глинистого раствора;

W – влажность глины, доли единицы;

- плотность, кг/м³, соответственно глины, глинистого раствора, воды.

Для уменьшения плотности в глинистый раствор добавляют воду. Объем воды определяют по формуле:

, (2)

где - необходимое количество добавляемой воды, м³;

- плотность имеющегося глинистого раствора, кг/м³;

V – объем имеющегося глинистого раствора, м³;

- плотность нового глинистого раствора, кг/м³.

Качество глинистого раствора оценивают, определяя его плотность, водоотдачу, условную вязкость, содержание песка, суточный отстой, стабильность и статическое напряжение сдвига.

При возведении траншейных стенок в грунтах глинистые растворы должны иметь следующие параметры:

Плотность, кг/м³……………………………………………..1050

Вязкость по вискозиметру СПВ – 5, с……………………...18 – 30

Водоотдача по прибору ВМ – 6 за 30 мин, см³…………….до 30

Суточный отстой, %................................................................до 4

Стабильность по стабилометру ЦС, г/см³………………….до 0,02

Из-за дефицита бентонитовых глин, либо большой отдаленности их залежей от места строительства часто растворы изготовляют из местных глин. Грубодисперсные местные глины требуют дополнительной обработки. Обработка глинистых растворов подразумевает диспергирование – измельчение глинистых частиц, только методами механической или химической обработки. Для приготовления глинистых растворов могут быть использованы местные полиминеральные глины, если их показатели будут не ниже следующих: бентонитовое число – 10, число пластичности - 20, содержание частиц диаметром менее 0,005 мм — 40%, содержание песка 5%.

Анализируя данные о применении глин [3] для приготовления растворов, можно сделать вывод, что основным показателем, определяющим качество глины, является расход ее на приготовление 1 м³ глинистого раствора.

К тому же возможность использования различных глин для приготовления глинистых растворов и оценка из технологических свойств могут осуществляться по следующим показателям, которые, в свою очередь, зависят от физико-механических свойств глин:

- содержание песка в глинистом растворе;

- водоотдача глинистого раствора с нормальной концентрацией глины (нормальной концентрацией считается такая, при которой относительная вязкость глинистого раствора составляет 25±1 с). Водоотдачей глинистого раствора называют количество жидкой фазы, отфильтровавшейся через бумажный фильтр под действием избыточного давления в фильтрационной камере при отсутствии движения жидкости вдоль поверхности фильтра.

В Казахстане за показатель водоотдачи принимают количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр диаметром 7,5 см за 30 мин при перепаде давления 0,1 МПа и комнатной температуре. В производственных условиях водоотдачу и толщину глинистой пленки определяют на приборе ВМ-6.

При выборе глин отдают предпочтение тем из них, которые обеспечивают более низкую водоотдачу при одинаковом расходе глины на приготовление 1 м³ глинистого раствора. Для приготовления глинистых растворов применяются монтмориллонитовые, каолинитовые, иллитовые и пластичные жирные местные глины. При выборе глины руководствуются экономическими соображениями, гидрогеологическими условиями строительной площадки и требованиями водонепроницаемости сооружений. Состав раствора должен быть подобран в лаборатории и испытан на строительной площадке.

При подборе раствора в первую очередь необходимо рассчитать его объемную массу из условия обеспечения устойчивости траншей. Расчет необходимого количества глины без учета ее влажности для получения глинистого раствора заданной объемной массы производится по формуле:

, (3)

или

, (4)

где и — масса глины на 1 м³ соответственно глинистого раствора и воды, т;

— плотность глины, т/м³;

— плотность воды, равная 1.

Для уменьшения объемной массы глинистого раствора в него добавляют воду. Количество воды (в м³), добавляемой к имеющемуся глинистому раствору с объемной массой , и объемом , для получения раствора с новой объемной массой , вычисляют по формуле:

. (5)

Выход раствора в м³ из 1 т глинистого порошка находят по зависимости

, (6)

где - естественная влажность глины.

Расход глины с промежуточной влажностью находится интерполированием. При пересечении разрабатываемой траншеей напорных водоносных грунтов или неустойчивых грунтов требуется раствор с повышенной объемной массой, приготовленный с утяжелителем. В качестве утяжелителя могут применяться барит, гематит, магнетит и колошниковая пыль. Количество утяжелителя, добавляемого в раствор, составляет (в 1 т на 1 м³ раствора)

, (7)

где — плотность утяжелителя, т/м³;

— требуемая объемная масса раствора, т/м³;

- объемная масса раствора до утяжеления, т/м³.

Для проходки траншей рекомендуется применять глинистые растворы расчетной объемной массы со следующими параметрами:

- стабильность (С), г/см³.............................................. 0,02

- отстой воды (О), %..................................................... 3

- водоотдача за 30 мин (В), см³……………………… 25

- толщина глинистой пленки, мм………..................... 3

- предельное статическое напряжение сдвига, Па...... 2,0—8,0,

- условная вязкость (Т), с............................................... 19—25

- содержание песка (П), %.............................................. 3

- водородный показатель рН………………….............. 8 - 11,5

При подборе параметров глинистых растворов необходимо учитывать грунтовые условия (таблица 2) и засоленность разрабатываемых грунтов. Для определения засоленности грунтов проводят специальные лабораторные исследования.

Таблица 2 – Параметры глинистых растворов

Параметры глинистого раствора	Грунты по классификации СНиП II - 15 - 74
	Крупный песок	Песок средней крупности	Мелкий и пылеватый	Супесь	Суглинок	Глина
В за 30 мин, см^3
ПСНС через 10 мин, Па

Глинистые растворы испытывают в лабораторных условиях, а контроль их параметров осуществляют на строительной площадке. Описание методики проведения исследований глинистых растворов и необходимого оборудования для этой цели приводится в работах [4, 5, 6]. Особое внимание при этом уделено нахождению предельного статического напряжения сдвига (ПСНС) и водоотдачи раствора.

ПСНС характеризует прочность образовавшейся структуры, а также способность раствора удерживать во взвешенном состоянии выбуренную породу и утяжелитель. От прочности структуры зависят плотность и водонепроницаемость глинистой пленки и закольматированного грунта, поры которого заполняются гелем раствора. Зная ПСНС, можно определить диаметр частиц, удерживаемых в растворе во взвешенном состоянии (в см):

по формуле Жуховицкого

; (8)

по формуле Кардвелла

, (9)

где — диаметр частиц, см;

т — коэффициент, зависящий от формы частиц (для частиц неправильной формы т=2);

Р_в — ПСНС, Па;

— плотность бентонита, г/см³;

- объемная масса глинистого раствора, г/см³;

— радиус частиц, см;

— ПСНС, Па;

— плотность частиц, г/см³;

— объемная масса раствора, г/см³;

=981 см/с² — ускорение силы тяжести.

Водоотдача глинистого раствора имеет большое значение, так как при рытье траншей обязательно встречаются гидрофильные породы (глинистые), интенсивно впитывающие воду из раствора. Вследствие этого их объем увеличивается, что приводит к сужению сечения разрабатываемой траншеи, а затем и к обвалам ее стенок. Насыщение водой песчаных грунтов также может привести к обрушению грунта, что наблюдалось автором при проведении опытов с растворами местных глин с водоотдачей (В40 см³). Водоотдачу раствора за любой отрезок времени, зная водоотдачу за какой-либо другой промежуток, можно вычислить по соотношению

, (10)

где — известная водоотдача за время ,

- искомая водоотдача, за время .

В Республике Казахстан глинистые растворы применяют с водоотдачей В 25 см³ за 30 мин. В США в соответствии с техническими условиями стандартных методов испытания буровых жидкостей по показателю водоотдачи за 30 мин растворы разделяются на плохие — с В25 см³, удовлетворительные - с В15 см³ и хорошие - с В8 см³.

Таким образом, глинистые растворы предназначены для сохранения размеров траншей на период от начала их разработки до заполнения строительными материалами [1]. При строительстве способом «стена в грунте» целесообразно использовать глинистые растворы плотностью 1 т/м³ и вязкостью 30…60 с, возрастание значений показателей плотности и вязкости оказывают сильное влияние на увеличение сил сопротивления при движении рабочих органов в глинистом растворе.

Список использованных источников

1. Кадыров А.С., Нурмаганбетов А.С. Нагружение землеройных машин при работе в среде глинистого тиксотропного раствора. - Караганда, издательство «Санат», 2007. – 152 с.

2. Устройство фундаментов и противофильтрационных завес способом «стена в грунте» Федоров Б.С., Юшин А.И., Иванов В.Д., Круглова Э.А.; Науч. Ред. Нарский А.С.; Центральный институт научной информации по строительству и архитектуре. - М.: Госстрой СССР, 1978. - 75 с.

3. Нурмаганбетов А.С. Установление сопротивления движению рабочих органов землеройных машин в глинистом растворе: Дисс. канд. техн. наук. – Караганда, КарГТУ, 2007. – 215 с.

4. Рекомендации по технологии строительства подземных сооружений способом «стена в грунте» с применением гидромеханизированного траншеекопателя ВНИИГС. М., изд. ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1972.

5. Рекомендации по технологии устройства подземных сооружений методом «стена в грунте». М., изд. НИИОСП, 1973.

6. Траншейные стенки в грунте. Киев, «Наукова думка», 1973. (Авт.: Н.Н. Круглицкий, С.И. Мильковский, В.Ф. Скворцов, В.М. Шейнблюм).