В Рекомендациях приводится технология регулирования параметров глинистой корки в различных грунтах при строительстве сооружений способом "стена в грунте" с целью использования противофильтрационных свойств корки.

Глинистый раствор образует кольматационную зону грунта и глинистую корку на стенках траншеи в процессе ее разработки. Закольматированный грунт в контакте с глинистой коркой составляют глинистый экран, который является хорошим гидроизоляционным слоем.

Рекомендации разработаны в НИИОСПе им. Н.М. Герсеванова, авторским коллективом в составе: ст. инж. К.П. Кацов, ст. науч. сотр., канд. техн. наук А.А. Морозов, инж. Большаков, докт. техн. наук, проф. М.И. Смородинов, одобрены секцией Научно-технического совета и рекомендованы к изданию.

1.1. Настоящие Рекомендации распространяются на технологию формирования глинистой корки в суглинистых, супесчаных и песчаных грунтах с размером частиц не крупнее 1,0 мм при строительстве противофильтрационных завес и подземных сооружений способом "стена в грунте".

1.2. Рекомендации разработаны для следующих условий:

разность напоров, действующих на сооружение в период его эксплуатации, не более 10 м; градиент напора J <= 500.

1.3. Для приготовления глинистых растворов используют натриевые бентонитовые глины. Применение кальциевых бентонитовых глин допускается при введении химических реагентов, позволяющих переводить их в натриевые.

1.4. Глинистые растворы, применяемые при строительстве подземных сооружений способом "стена в грунте", предназначены: для удержания стенок траншеи от обрушения; для транспортирования бурового шлама при устройстве траншей фрезерованием или бурением; для формирования кольматационного слоя грунта и глинистой корки.

1.5. Формирование глинистой корки на стенках траншеи происходит на границе раздела раствора с грунтом. На контакте с грунтом частицы бентонита связываются в плотный гель, который остается на стенках траншеи в виде водонепроницаемой глинистой корки.

1.6. Образующаяся на стенках грунта глинистая корка является гидроизоляционным слоем с коэффициентом фильтрации при начальном градиенте фильтрации J₀ = 10 - 15.

1.7. Проницаемость и толщина глинистой корки зависят от:

условий, в которых она формируется;

содержания глинистых частиц в растворе;

типа глин, из которых приготавливают глинистый раствор;

дисперсности глинистых частиц;

качества приготовления глинистого раствора.

Управлять проницаемостью и толщиной глинистой корки можно, изменяя содержание и свойства твердой фазы глинистого раствора и используя обработку его химическими реагентами.

2.1. Глинистые растворы, применяемые при строительстве подземных сооружений и противофильтрационных завес способом "стена в грунте", обладают следующими особенностями:

тиксотропией, т.е. способностью загустевать при покое и разжижаться при перемешивании; способностью образовывать малопроницаемую глинистую корку на стенках траншеи; способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы выбуренной породы; чувствительностью к действию химических реагентов.

2.2. Глинистые растворы, применяемые при строительстве подземных сооружений способом "стена в грунте", должны отвечать следующим требованиям: стабильность должна быть не более 0,02 г/см³; суточный отстой - не более 3% по объему; водоотдача - не более 15 см³ за 30 мин; условная вязкость 19 - 25 с; содержание песка - не более 3%; плотность при применении бентонитовых глин и при применении местных глин .

Наилучших показателей глинистого раствора достигают при максимальном диспергировании глины.

2.3. Для приготовления глинистых растворов рекомендуется применять натриевые бентонитовые глины. Эти глины обладают высокой пептизацией в воде и дают возможность получения из них стабильных тиксотропных растворов.

2.4. Для улучшения показателей глинистых растворов последние обрабатывают химическими реагентами. Химические реагенты позволяют перевести кальциевые глины в натриевые. Наиболее часто применяемые неорганические реагенты-диспергаторы для обработки глинистых растворов приведены в табл. 1.

2.5. Глинисто-силикатные растворы готовятся из тонкодисперсных бентонитовых глин на основе силикатов натрия или калия плотностью .

2.6. Глинисто-силикатные растворы применяют для строительства подземных сооружений и противофильтрационных завес способом "стена в грунте" в суглинистых, супесчаных и песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации в диапазоне 0,07 - 7 м/сут.

3.1. При проектировании противофильтрационных завес и проведении фильтрационных расчетов необходимо учитывать противофильтрационные показатели глинистой корки.

3.2. Для глинистой корки как противофильтрационного материала определяют следующие показатели: коэффициент фильтрации материала глинистой корки k; допустимый градиент напора J_g; толщину глинистой корки .

При устройстве подземных сооружений и противофильтрационных завес способом "стена в грунте" необходимо создавать на стенках траншеи глинистую корку расчетной толщины (см. пп. 3.13 и 3.14 настоящих Рекомендаций), исходя из проектного градиента напора.

3.3. Толщина, коэффициент фильтрации и допустимый градиент напора глинистой корки зависят от технологии проведения работ по устройству подземных сооружений.

Технология регулирования параметров глинистой корки зависит от следующих факторов: типа глины для приготовления глинистого раствора; химического реагента для обработки глинистого раствора; дисперсности глинистых частиц в растворе; количества твердой фазы в растворе; времени формирования корки на стенках траншеи; разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды; типа грунта, на котором формируется глинистая корка.

Варьирование этих факторов приводит к существенному изменению параметров глинистой корки.

3.4. Параметры глинистой корки зависят от тиксотропных свойств раствора, которые определяются типом глин, применяемых для приготовления раствора, и дисперсностью глинистых частиц в растворе.

3.5. Образование водонепроницаемой корки возможно при использовании растворов, отвечающих требованиям п. 2.2 настоящих Рекомендаций.

3.6. Обработка растворов химическими реагентами (см. табл. 1) снижает проницаемость корки в результате пептизирующего действия реагентов.

3.7. Добавка силиката натрия в глинистые растворы позволяет уменьшить коэффициент фильтрации глинистой корки в 1,5 - 2 раза и повысить допустимый градиент напора в 3 - 5 раз. Зависимость скорости фильтрации от градиента напора для глинистых корок, сформированных из ряда глин, приведена на рис. 1.

Глинистые корки, сформированные из глинисто-силикатных растворов, содержащих силикат натрия в количестве 4 - 5% от массы глины, обладают наименьшей водопроницаемостью. Такое количество добавки является оптимальным. При приготовлении растворов из местных глин, наряду с силикатом натрия, необходимо вводить фтористый натрий в количестве 0,3 - 0,5% от массы глины в растворе.

Примечание. 1. Добавка силиката натрия в результате диспергации глинистых частиц способствует также повышению допустимого градиента напора за счет упрочнения связей между глинистыми частицами.

3.8. Допустимый градиент напора J_g следует принимать равным

где J_кр - критический или разрушающий градиент напора;

b - коэффициент запаса, равный 2 - 4.

Так, например, для корки, сформированной на крупных песках, рекомендуется принимать J_g = 500, так как J_кр составляет 2000 - 2500. Для корки, сформированной не средних и мелких песках, супесях и суглинках, J_кр значительно больше, чем для корки на крупных песках. При расчете допустимых градиентов напора следует принимать значение J_g, соответствующее корке, сформированной на крупных песках.

3.9. Толщина глинистой корки на поверхности стенок траншеи увеличивается во времени. Характер изменения толщины глинистой корки и количества фильтрующейся через корку воды приведен на рис. 2 и 3.

Примечание. Плотность и влажность по сечению глинистой корки не одинаковы. Характер изменения плотности и влажности по толщине глинистой корки приведен на рис. 4.

3.10. Толщина глинистой корки, сформированной на разных грунтах, не одинакова при прочих равных условиях. Диаграмма изменения толщины глинистой корки в зависимости от вида грунта, на котором она формируется, приведена на рис. 5.

3.11. Технология регулирования параметров глинистой корки осуществляется варьированием следующих показателей глинистого раствора: плотности, условной вязкости, содержания твердой фазы, а также времени формирования глинистой корки в зависимости от разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды.

Разность гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды рассчитывается по формуле:

где - разность гидростатических давлений, Па;

q - ускорение силы тяжести, м/с²;

Н_р - напор глинистого раствора в траншее до расчетного горизонта, м;

- плотность глинистого раствора, кг/м³;

Н_в - напор грунтовых вод до расчетного горизонта, м;

- плотность воды, кг/м³.

Примечание. Остальные показатели глинистого раствора принимаются по п. 2.2 настоящих Рекомендаций.

3.12. Толщину глинистой корки, сформированной на песке, определяют по формуле:

где - толщина глинистой корки на песке, мм;

- разность гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды, Па;

- время формирования глинистой корки, ч ( не более 24 ч);

T - условная вязкость глинистого раствора, с.

3.13. Изменения толщины и плотности глинистой корки, сформированной на песке, в зависимости от времени ее формирования, разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды и условной вязкости раствора приведены на рис. 6 и 7.

3.14. Толщину глинистой корки , сформированной на супеси и суглинке, следует определять по формуле:

где a - коэффициент, равный 0,85;

- толщина корки, сформированной на песке, мм.

3.15. На основании формулы (2) находят время выдерживания раствора в траншее или условную вязкость раствора T, необходимые для формирования глинистой корки с заданными параметрами.

Время формирования глинистой корки определенной толщины, при которой гидравлический градиент напора не превысит 1000, можно определить, пользуясь табл. 2.

3.16. Условная вязкость и время формирования глинистой корки с заданными параметрами в зависимости от разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды определяют, пользуясь номограммой (рис. 8).

Исходные данные следующие. Разность напоров , которая будет действовать на завесу во время ее эксплуатации; разность гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды, которая предварительно рассчитывается по формуле (1).

Зная разность напоров и допустимый градиент напора, определяют требуемую толщину глинистой корки по формуле:

Необходимые значения условной вязкости раствора T и времени формирования глинистой корки требуемой толщины находим по номограмме (см. рис. 8). Зависимость толщины глинистой корки от условной вязкости раствора T при каком-то определенном значении представлена семейством прямых с различным временем выдерживания раствора в траншее, имеющих разный угол наклона к оси .

Последовательность нахождения T и следующая. Восстанавливаем перпендикуляры к осям абсцисс и ординат из точек с соответствующими значениями и . Пересечение перпендикуляров дает точку А, из которой проводят прямые, параллельные каждому из семейств прямых с соответственной условной вязкостью раствора T, до пересечения с вертикальной линией, показывающей время .

Например: ; ; J_g = 1000.

Определим по формуле (4) , равную 6 мм.

Пересечение перпендикуляров дает точку, которая показывает, что для заданных параметров необходим раствор с условной вязкостью T = 17 с, при выдерживании его в траншее в течение 20 ч (см. рис. 8, прямая А). Растворы с T = 22 с и 27 с необходимо выдерживать в траншее соответственно 11 и 8 ч.

4.1. В процессе устройства подземных сооружений и противофильтрационных завес способом "стена в грунте" осуществляют систематический контроль за показателями глинистого раствора, толщиной и водопрочностью глинистой корки.

4.2. Пробы глинистого раствора отбирают батометром не реже чем один раз в смену и определяют следующие показатели: плотность, условную вязкость, содержание песка, стабильность, суточный отстой.

4.3. Контроль показателей глинистой корки на строительной площадке заключается в определении ее толщины прибором КМ-1 (Приложение).

Коэффициент фильтрации глинистой корки и допустимый градиент напора определяют в приборе для определения фильтрационных характеристик глинистых корок. Исследуемые образцы отбирают прибором КМ-1.

4.4. Контроль за толщиной глинистой корки осуществляют не реже чем один раз в смену. Толщину глинистой корки определяют с точностью +/-1 мм.

Прибор КМ-1 применяется для получения образцов глинистой корки с целью определения ее показателей. Схема прибора дана на рис. 9.

Глинистая корка формируется на песке, помещенном в прибор КМ-1, который опускают в траншею на требуемую глубину. Толщину глинистой корки замеряют после извлечения образца на поверхность.

Прибор КМ-1 состоит из двух гильз 1, заполненных песком, один конец которых закрыт перфорированной перегородкой 2. С другой стороны гильзы крепится камера 3, в зоне которой образуется глинистая корка 4. Гильза соединяется с вертикальной трубой 5 патрубком 6, имеющим кран 7, дистанционное управление которым производится тягой 8. Труба состоит из секций длиной по 1 м.

Перед опусканием прибора в траншею гильзу заполняют песком, патрубок при этом должен быть заполнен водой. После заполнения гильзы песком кран перекрывается. Работа с прибором КМ-1 осуществляется следующим образом.

Прибор опускают в траншею, заполненную глинистым раствором, и фиксируют на заданной глубине. При наличии грунтовых вод сразу после опускания прибора трубу 5 заполняют водой до отметки грунтовых вод и открывают кран 7. Верхний конец трубы должен быть выше уровня глинистого раствора не менее 300 мм. В таком положении прибор выдерживается в траншее заданное время, затем кран закрывают. После этого прибор поднимают на поверхность, отсоединяют гильзу, снимают камеру 3 с глинистой коркой и замеряют ее толщину и водопрочность.