автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием

На правах рукописи

Самойленко Алексей Борисович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПУЧИНООБРАЗОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАЩЕЛАЧИВАНИЕМ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2012

005046802

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Шестаков Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Смирнов Александр Владимирович,

доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «СибАДИ», профессор кафедры «Строительство и эксплуатация дорог»;

Юшков Борис Семенович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», зав. каф. «Строительство автомобильных дорог»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

университет путей сообщения»

Защита состоится 17 мая 2012 г. в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 ВАК РФ при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. 0мск-80, пр. Мира, 5, ауд. 3124.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета: 644080, г. 0мск-80, пр. Мира, 5.

E-mail: bobrova.tv@gmail.com Тел. (3812) 72-99-79.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Автореферат разослан «10» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Т.В.Боброва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из причин повреждения эксплуатируемых дорожных конструкций является процесс пучинообразо-вания глинистых грунтов земляного полотна. На территории юга Западной Сибири пучинообразованию подвержены 4-5 % протяженности автомобильных дорог. Применение известных конструктивных и химических способов борьбы с пучинообразованием грунтов земляного полотна зачастую малоэффективно в глинистых грунтах с влажностью выше оптимальной и требует на время производства работ полного или частичного закрытия движения автотранспорта. В этой связи разработка технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения представляется актуальной. Исследуемый способ защищен патентом РФ №2407859.

Основная идея работы заключается в нагнетании водного раствора гидроксида натрия (ЙаОН) с добавкой негашеной извести (СаО) через инъекторы, погруженные в земляное полотно горизонтально, что позволяет снизить пучинообразование и восстановить прочность глинистого грунта основания дорожной одежды без закрытия движения.

Объектом исследования является дорожная конструкция, подверженная процессу пучинообразования.

Предметом исследования являются составы, технологические параметры и приемы, направленные на снижение степени пучинистости и восстановление прочности глинистого грунта земляного полотна путем обработки его водным раствором гидроксида натрия и негашеной извести.

Методологическая база исследования - теоретические основы технологии дорожного строительства, системный подход, химико-физическая теория взаимодействия щелочей с глинистыми минералами, теории планирования эксперимента и вероятности.

Целью работы является повышение эффективности технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: •сформулировать теоретические предпосылки к экспериментальному исследованию технологии;

•исследовать влияние составов раствора защелачивания глинистых грунтов на их пучинистость, прочностные и деформационные свойства;

•оценить долговечность достигнутого эффекта снижения пучинистости грунта;

•обосновать технологические параметры снижения пучинообразования глинистых грунтов управляемым защелачиванием без закрытия движения;

•разработать методические рекомендации по снижению пучинообра-зования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачива-нием без закрытия движения автотранспорта с технико-экономической оценкой их эффективности.

Научная новизна состоит в экспериментальном исследовании: •влияния состава раствора защелачивания на степень морозной пучи-нистости глинистых грунтов;

•долговечности достигнутого эффекта снижения пучинистости грунта;

•технологических параметров и приемов снижения пучинообразова-ния глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения.

Практическая значимость и реализация работы состоит в разработке методических рекомендаций по снижению пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого защелачивания без закрытия движения автотранспорта.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сходимостью результатов лабораторных исследований со стендовым моделированием; применением современных методов исследований и инженерного оборудования, прошедшего метрологическую поверку.

На защиту вынесены:

•составы раствора защелачивания, обеспечивающие требуемую степень пучинистости, восстановление прочности глинистых грунтов, долговечность достигнутого эффекта;

•технологические параметры и приемы снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения;

•методические рекомендации по технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием.

Апробация результатов работы осуществлена на: IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 20-21 мая 2009 г.); VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 10-12 ноября 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве» (г.Пермь, 19-20 мая 2011 г.); научно-производственной конференции «Применение новых тех-

нологий в строительстве и ремонте дорог и мостов» (г.Томск, 16 мая 2011 Г.).

Личный вклад автора состоит в: экспериментальном исследовании влияния растворов гидроксида натрия на степень пучинистости и механические показатели глинистых грунтов, оценке долговечности достигнутого эффекта во времени; обосновании способа снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием и разработке методических рекомендаций по реализации этого способа; формулировании цели, задач и выводов.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, в том числе 2 в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, а также патенте РФ на разработанный способ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, включающего 163 наименования. Объем работы - 126 страниц, в том числе 18 таблиц, 35 рисунков и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрен механизм пучинообразования дорожных конструкций, современные методы и способы борьбы с пучинообразова-нием эксплуатируемых дорожных конструкций.

Изучением пучинообразовательных процессов грунтов земляного полотна со второй половины прошлого века занимались С.Е.Гречищев, В.Н.Ефименко, И.А.Золотарь, Н.А.Пузаков, В.И.Рувинский, В.М.Сиденко, Е.И.Шелопаев, А.И.Ярмолинский и др.

Применение известных конструктивных и химических способов борьбы с пучинообразоваиием грунтов земляного полотна зачастую малоэффективно в глинистых грунтах с влажностью выше оптимальной и требует на время производства работ полного или частичного закрытия движения автотранспорта.

Анализ методов и способов борьбы с пучинообразоваиием дорожных конструкций позволяет сделать выводы, что они:

•не снижают степень пучинистости глинистых грунтов, а основываются либо на снижении влагонакопления грунта, либо на предотвращении его промерзания;

• требуют переустройства дорожной одежды на участке производства работ;

•требуют остановки движения на участке производства работ или снижения пропускной способности.

Исследования, выполнение З.А.Нерсесовой и Ю.М.Васильевым, показали, что насыщение грунта одновалентными катионами снижает моро-зоопасность грунта. На основании этих данных, а также исследований, проведенных в МГУ и БашНИИСтрое по обработке глинистых грунтов гидроксидом натрия, была исследована технология снижения пучинообра-зования глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого защелачивания.

Вторая глава посвящена теоретическим предпосылкам к обоснованию технолоши снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием.

Защелачивание глинистых грунтов заключается в нагнетании в них при помощи инъекторов водного раствора гидроксида натрия с добавкой негашеной извести с последующим выдерживанием в течение 30 суток при положительной температуре. Сущность управления заключается в инъек-цировании в земляное полотно рабочего раствора требуемой концентрации и объема, подобранных на основе лабораторных испытаний пучинистого грунта. Целью управления является обеспечение грунту земляного полотна под дорожной одеждой требуемой степени пучинистости (от непучинистой до слабопучинистой).

Основу глинистых грунтов составляют глинистые минералы, представленные каолинитом, монтмориллонитом и гидрослюдой. Соотношение этих минералов определяет степень его морозоопасности. Согласно физико-химической теории взаимодействия глинистых минералов [М] со щелочью у последних в щелочной среде происходит дополнительная диссоциация поверхностных структурных гидроокислов (по сравнению с нейтральной средой) по типу

[М]-0Н-"[М]-0-НГ (1)

с последующим обменом Н+ на из раствора щелочи и образованием воды:

[М] — О — Н*" + №ОН —»[М] - О - + Н20. (2)

Процессы диссоциации поверхностных ОН" - групп и обмена 1~Г на растут с увеличением концентрации раствора щелочи. При низких концентрациях раствора (<1н) происходит химическое пучение грунта. Нормальность раствора - концентрация раствора, выраженная числом грамм-эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

Снижение пучинистости глинистых грунтов при обработке их щелочными растворами высоких концентрации (>1н) связано с возникновением новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения алюмосиликатного ядра глинистых, некоторых первичных и типоморфных минералов. Так, внедрение ОН" иона щелочи в коорди-

национную сферу атомов А1 и алюмосиликатов приводит к разрушению связей 81 - О - А1, а затем и — О - с выходом из решетки в раствор оксидов кремния и алюминия (на примере каолинита):

А1281205(0Н)4 + 1 ОИаОН -> 2ЫаА1(ОН)4*пН20+4На20* 8Ю2*пН20 (3)

или

А1281205(0Н)4 + 10(ОН)- —>2А1(ОН)4~ + 4 БЮ/" + ЗпН20 (4)

с последующим формированием по конденсационному механизму новой твердой фазы гидроалюмосиликатов натрия содалитоподобного типа:

2А1(ОН)4" +2 БЮ/" + 2 №+ [Иа20 * А12Оэ * 2 8Ю2]*п Н20. (5) Наиболее сильно подвержен воздействию щелочного раствора №ОН каолинит, менее - монтмориллонит и гидрослюда. Воздействие гидроксида натрия на гидрослюду, в отличие от каолинита и монтмориллонита, не приводит к существенному изменению структуры минерала.

На основе исследований МГУ рассмотрена геоэкологическая безопасность обработки глинистого грунта щелочными растворами. Условия миграции растворов существенно зависят от проницаемости грунтов и физико-химических процессов их взаимодействия с гидроксидом натрия. Глинистые фунты ограничивают миграцию растворов вследствие малой их проницаемости и значительной сорбционной способности. Поэтому инъ-екцирование в глинистые грунты земляного полотна щелочных растворов №ОН не представляет какой-либо опасности загрязнения окружающей среды, т.к. в них преобладает диффузионный, а не фильтрационный механизм продвижения щелочного раствора. Сам глинистый грунт играет роль естественного геохимического барьера.

В третьей главе приведены лабораторные исследования влияния состава раствора гидроксида натрия на пучинистость и механические свойства глинистых грунтов.

Для лабораторных исследований использовались легкий и тяжелый пылеватые суглинки, которые, в соответствии с ГОСТ 28622-90, относятся к сильнопучинистым фунтам. Относительная деформация морозного пучения Ер, этих суглинков, в зависимости от их коэффициентов уплотнения 0,90<Я"У<1,00, изменяется следующим образом: легкий, 1р=0,08 ^,=90,1+82,7^-16Л,ЬКУ\ тяжелый, 1р=0,16 - ^2= 106,3+101,301,1/^.

Рассмотрено влияние на пучинистость и механические свойства фунтов концентрации раствора гидроксида натрия (Х|), дозировки негашеной извести (х2) и коэффициента уплотнения фунта (х3). Для этого поставлены полные факторные эксперименты ортогонального планирования второго порядка (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Условия планирования эксперимента ПЭФ 23 для легкого пылеватого суглинка

Факторы Единица измерения Код Шаг варьировния Уровни и плечи звездных точек

-1,215 -1 0 +1 +1,215

Концентрация раствора гидроксида натрия и (нормальность) XI 2,05 2,50 2,95 5,00 7,05 7,50

Дозировка извести % от объема раствора Х2 0,41 0,00 0,09 0,50 0,91 1,00

Коэффицент уплотнения грунта д.ед. Хз 0,04 0,90 0,91 0,95 0,99 1,00

Таблица 2

Условия планирования эксперимента ПЭФ 22 для тяжелого пылеватого суглинка

Факторы Единица измерения Код Шаг варьирования Уровни и плечи звездных точек

-1 0 +1

Концентрация раствора гидроксида натрия п (нормальность) Х| 2,5 2,50 5,00 7,50

Дозировка извести % от объема раствора X: 0,5 0,00 0,50 1,00

На основе экспериментов получены адекватные уравнения, характеризующие изменение относительной деформации морозного пучения Б/Н, %: для легкого пылеватого суглинка (рис. 1)

е = 2,966 - 0,471х, - 0,437л:2 - 0,298*3 - 0,206л-,2 - 0,1 Ъх\ - 0,42х\ - 0,11 ЗхЛ - 0,163х,х2х, ,(6)

для тяжелого пылеватого суглинка при коэффициенте уплотнения 0,95 (рис. 2)

= 2,41 - 0,267х, - 0,11 7х2 . (7)

Из полученных зависимостей следует, что обработка легкого пылеватого суглинка с коэффициентом уплотнения 0,9-1,0 раствором ЫаОН 3-4 н концентрации с добавкой извести 0,2-0,3 % от объема раствора, а тяжелого пылеватого суглинка с коэффициентом уплотнения 0,95 раствором №ОН 3 н концентрации с добавкой извести 0,1 % от объема раствора, позволяет снизить их относительную деформацию морозного пучения в три раза.

В результате обработки исследуемых фунтов растворами оговоренных составов степень их морозного пучения снижается от сильнопучини-стого (7 %<щ <10 %) до слабопучинистого (1 <4 %), что позволяет в

соответствии со СНиП 2.05.02-85, применять их в рабочем слое земляного полотна.

а)

Еа. %

&ъ. %

ЫаОН, н

Рис. 1. Зависимость относительной деформации морозного пучения Є]н суглинка легкого пылеватого от концентрации раствора МаОН и добавки извести при коэффициенте уплотнения: а) Ку=0,90; б) Ку-1,00; 1 - изолиния £-/и, равная 3 %; 2- то же, 2 %; 3- то же, 1 %

8ft, %

NaOH, н ^^—СаО, %

Рис. 2. Зависимость относительной деформации морозного пучения sjh тяжелого пылевагого суглинка от концентрации раствора NaOH и добавки извести при

Для оценки долговечности достигнутого эффекта снижения степени пучинистости грунта, обработанного щелочным раствором, проведено исследование изменения его относительной деформации морозного пучения Ер, от количества циклов промораживания-оттаивания N. Промораживание образцов проводилось по ГОСТ 28622-90, оттаивание при температуре воздуха +20 °С. Количество циклов промораживания-оттаивания согласовано со сроком службы дорожной одежды и равно 20.

Рис. 3. Зависимость относительной деформации морозного пучения ср, защелоченного тяжелого пылеватого суглинка с Ку= 0,95 от количества циклов промораживания-опаивания N. Состав защела-чивания: 5 н раствор гидроксида натрия с добавкой извести 0,5 % от объема раствора Согласно полученной зависимости (рис. 3)

Ер,=2,4+0,015^. (8)

Относительная деформация морозного пучения ер, защелоченного грунта после 20 циклов промораживания-оттаивания увеличилась только на 12,5 %, оставаясь слабопучинистым.

Наряду с понижением степени пучинистости грунта после защелачи-вания происходит повышение его механических характеристик. Образцы грунта тяжелого пылеватого суглинка с Ку=0,95 обрабатывались растворами гидроксида натрия 2,5 - 7,5 н концентрацией с добавкой извести 1 % от объема раствора. По итогам испытаний по ГОСТ 12248-96 получены зависимости механических характеристик от концентрации раствора, н: прочности при одноосном сжатии /?, МПа: й=0,13-0,02н2+0,06н; модуля упругости Е, МПа: £= 12,5+0,3н2+2,6н; угла внутреннего трения <р, град: р=23,0+0,08н2-0,2н; удельного сцепления С, МПа: С=0,0293+0,0004н2--0,0002н.

Из этих зависимостей следует, что прочностные и деформационные показатели грунта после защелачивания увеличились: прочность при одноосном сжатии в 3-6 раз; модуль упругости в 3,5-8 раз; сцепление в 1,5-2 раза; угол внутреннего трения с 22 до 26, что согласуется с данными МГУ и БашНИИСтроя.

В четвертой главе изложены результаты стендового моделирования технологии управляемого защелачивания грунтов.

Насыпь высотой 0,7 м возведена из тяжелого пылеватого суглинка со щебеночным покрытием 0,1 м. Защелачивание грунта толщиной 0,50 м выполнено раствором едкого натра 2,5 н концентрации с добавкой 1 % извести от объема раствора.

Работы осуществлялись в такой последовательности:

1. Погружение инъекторов при помощи пневмоударной машины ПУМ-65. Инъекторы погружали в насыпь горизонтально на расстоянии г=0,25 м от низа щебеночного покрытия.

2. Нагнетание щелочного раствора в грунт при помощи плунжерного насоса (НД-1000/10). Разводящая сеть состоит из резиновых шлангов с тканевыми прокладками с внутренним диаметром 12-19 мм. Предельное давление нагнетания раствора не превышало 0,2 МПа, а интенсивность нагнетания через инъектор с перфорированной инъекционной частью 1 м составляло от 2 до 3 л/мин.

3. Извлечение инъекторов осуществлялось при помощи пневмоударной машины ПУМ-65.

Согласно расчету дорожной конструкции опытного стенда на морозоустойчивость по методике ОДН 218.046.01 установлено, что деформация пучения дорожной конструкции из исходного грунта составит 133 мм, а после его обработки - 32 мм.

В течение зимы 2010-2011 г. проводилось наблюдение за деформациями морозного пучения покрытия стенда, путем нивелирования поверхности по пучинным маркам.

Максимальная высота пучения по маркам пучения 1-3 составила 112 мм (прогнозируемая 133 мм); по маркам пучения 4-6 - 28 мм (прогнозируемая 32 мм). Из данных следует, что деформация пучения грунта, обработанного раствором щелочи 2,5н концентрации с добавкой извести 1 % от объема рабочего раствора, в 4 раза меньше, чем пучение исходного фунта. Отклонение величины измеренного пучения покрытия опытного стенда от прогнозируемого составило 14-19 %.

По результатам испытания образцов исходного и обработанного грунтов (табл. 3), установлено, что прочность при одноосном сжатии R возросла в 3,5 раза; модуль упругости £ в 3,6 раза; сцепление С в 1,3 раза; угол внутреннего трения <р повысился с 22 до 23; относительная деформация морозного пучения £fh снизилась в 3,4 раза. Полученные данные согласуются с результатами лабораторных исследований, приведенных в главе 3.

Таблица 3

Характеристики тяжелого пылеватого суглинка (исходного и обработанного раствором гидроксида натрия 2,5 н концентрации с добавкой из-

вести 2 % от массы раствора)

Грунт Плотность сухого грунта, г/см3 Прочность при одноосном сжатии R, МПа Модуль упругости Е, МПА Угол внутреннего трения ср, град. Удельное сцепление С, МПа Sjh, %

Исходный 1,65 0,08 20,4 22 0,025 6,8

Обработанный 1,65 0,28 12,і 23 0,033 2,0

Обоснование технологических параметров выполнено на основе стендового моделирования процесса защелачивания глинистого грунта:

1. Толщина слоя обработки глинистого грунта земляного полотна йст=2г (рис. 4) назначается согласно п. 6.14 СНиП 2.05.02-85 и расчету дорожной конструкции на морозоустойчивость согласно п. 4 ОДН 218.04601.

/2

£ [EQ *

з

Рис. 4. К обоснованию расчетных параметров слоя обработки толщиной Ьс,,: 1 - инъектор; 2 - подошва дорожной одежды; 3 - слой обработки

2. Радиус распространения раствора г (рис. 4) назначается равным половине требуемой толщины слоя обработки /гм, с округлением в большую сторону с кратностью 5 см.

3. Расстояние между инъекгорами 1р=\,1Ъг (см. рис. 4).

4. Давление нагнетания раствора щелочи Р не более 0,2 МПа, которое позволяет сохранить сплошность грунта.

5. Объем фунта, обрабатываемый за одну заходку, составляет

У= я-г-(/+4/3-Г). Расчетный объем грунта, за эту заходку (рис.5)

Ур= 7с-гг-Ь= ж-г2-(1+г).

ШхШ.

А

-Ш

Рис. 5. Параметры зоны обработки грунта за одну заходку: 1 — расчетная граница заходки; 2 — инъеггор; / — длина перфорированной части инъектора; г — радиус распространения раствора в грунте; 1з - длина заходки

(9) (10)

6. Количество раствора щелочи рабочей концентрации ()р, м , необходимое для обработки грунта за одну заходку, определяется по формуле

(П)

где п - пористость грунта в долях единицы;

а - коэффициент насыщения грунта раствором щелочи, принимаемый

0,7.

Обоснование коэффициента а состоит в следующем. Исходя из реальных значений параметров: д=2л/мин, или 3 м3/сут; Р=0,07 МПа, г0=0,02 м, /= 1 м, г=0,6 м, величина Кф для суглинка составит 0,17 м/сут. Объем породы Уг, вместивший закачиваемую щелочь, составляет 2,04 м3. Поскольку на закрепление массива при одной заходке пошло 600 л раствора щелочи, то исходя из полученного объема защелачиваемого массива Уг и реального заполнения объема активных пор грунта щелочью Ущ, получим значение

активной пористости па грунта при фильтрации через него раствора Па=Ущ* К'1-0,29, при общей пористости грунта п=0,44. Следовательно, при фильтрации раствора щелочи через водонасыщенный грунт вода, заключенная в объеме пор, составляющих активную пористость (до 66 % от общей пористости), замещается фильтруемым раствором, остальная же часть пор (34 %) осталась заполненной (как и до закачки щелочи) водой. Дальнейшее взаимодействие раствора с породой будет происходить медленно с постепенным выравниванием концентрации в поровом пространстве главным образом за счет диффузионных процессов.

7. Производительность нагнетания П=д-к/п-а, (12)

где ^-интенсивность нагнетания, <7=2-3 л/мин; ^-количество инъекторов.

В пятой главе приведены основные положения методических рекомендаций по ликвидации пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием и технико-экономическая эффективность разработанной технологии.

Технология управляемого защелачивания применима в глинистых грунтах земляного полотна и его основания с числом пластичности 3-25; пористостью не ниже 35 %; содержанием гипса не более 6 %. Не рекомендуется применять защелачивание при действительной скорости грунтовых вод в обрабатываемом слое и основании земляного полотна более 1 м/сут.

Применение технологии возможно при температуре обрабатываемого грунта не ниже О °С и температуре раствора не ниже 10 С (предпочтительно 50-60 °С). Ориентировочный расход кристаллического порошка гидроксида натрия на 1 м3 суглинистого грунта составляет при концентрации раствора 2,5 н-27 кг; 5,0 н-54 кг.

Состав рабочего раствора подбирается из условия обеспечения требуемой степени пучинистости (непучинистый или слабопучинистый) глинистого грунта при минимальной стоимости.

Работы по снижению пучинообразования дорожных конструкций управляемым защелачиванием глинистых грунтов земляного полотна должны проводиться комплексной бригадой в составе двух звеньев:

• 1-е звено производит горизонтальное внедрение и извлечение инъекторов (машинист компрессорщик-1 чел., слесарь 5-го разряда—2 чел.);

•2-е звено выполняет приготовление и нагнетание рабочего раствора в грунт (оператор 6-го разряда-1 чел., слесарь 5-го разряда-1 чел.).

Радиус распространения раствора г назначается равным половине требуемой толщины слоя обработки //„, с округлением в большую сторону с кратностью 5 см. Максимальный радиус распространения раствора 0,7 м, минимальный 0,15 м. Точки инъекции располагают на величину радиуса г

ниже подошвы дорожной одежды, а расстояние между точками инъекции не должно превышать 1,73 г.

Нагнетание раствора щелочи в фунт производится заходками. Расчетная длина одной заходки /, равна длине перфорированной части инъек-тора / плюс радиус распространения раствора г.

Количество раствора щелочи рабочей концентрации ()р, м3, необходимое для обработки грунта за одну заходку, определяется по формуле

д=п-г2-(г + 1)п-а, (13)

где г - радиус распространения раствора, м;

/-длина перфорированной части инъектора, м; и - пористость грунта в долях единицы;

а - коэффициент насыщения грунта раствором щелочи, принимаемый

0,7.

Расчетный объем грунта, обрабатываемого за одну заходку, составляет

У= тсг-Ь. (14)

Проектная документация по снижению пучинообразования должна содержать:

- размещение инъекторов и образование областей защелачивания грунта в плане и разрезах (рис. 6);

- спецификации, включающие данные о плотности раствора гид-роксида натрия, его количестве на заходку, общем расходе гидроксида натрия и объеме обработанного грунта;

- пояснительную записку, включающую характеристику инженерно-геологических условий эксплуатации и обоснование принятого варианта обработки;

- схему расстановки дорожных знаков, составленную в соответствии с ВСН 37-84 и согласованную с ГИБДД;

- перечень оборудования и описание технологии работ по обработке грунта;

- указания по контролю качества обработки грунта в процессе производства работ;

- указания по приемочному контролю выполненных работ;

- указания по технике безопасности и охране окружающей среды;

- сметы на производство работ.

А-А Б-Б А

расходомерами

Рис. 6. Схема размещения инъекторов и зон защелачивания грунта в земляном

полотне

Работы по управляемому защелачиванию подразделены на подготовительные, основные и общеремонтные.

Технико-экономическая эффективность инвестиций при ликвидации пучинообразования на участке автомобильной дороги «Кочки-Каргат» в Новосибирской области определена на основе сопоставления выгод, возникающих у пользователей автомобильной дороги, с инвестиционными затратами, связанными с реализацией рассматриваемого проектного решения. При этом рассмотрены конкурентоспособные варианты ликвидации пучинообразования:

1 - замена пучинистого грунта в теле земляного полотна с переустройством дорожной одежды и строительством временной объездной дороги на период производства работ;

2 - обработка глинистого грунта управляемым защелачиванием без закрытия движения транспорта.

Оба варианта дорожных конструкций являются равнопрочными.

Оценка предстоящих затрат и результатов при определении эффективности инвестиционного проекта осуществлена в пределах расчетного периода, продолжительность которого (горизонт расчета) принята 7 лет.

При расчете показателей эффективности в качестве выгод пользователей автомобильной дороги принимаются:

сокращение автотранспортных расходов (по перевозке грузов и пассажиров);

сокращение потерь времени пребывания в пути пассажиров.

Ликвидация пучинообразования на участке автомобильной дороги «Кочки-Каргат» с начала расчетного периода потребует привлечения финансовых ресурсов по варианту 1 в размере 2,61 млн рублей, по варианту 2 — 1,96 млн рублей в текущих ценах 2011 года.

Наиболее эффективным является вариант 2. Показатели экономической эффективности варианта имеют наибольшие значения, исходя из чего, к рассмотрению рекомендуется вариант 2, как наиболее выгодный с точки зрения инвестиционной привлекательности, окупаемости и доходности.

Экономия на капитальных вложениях составила 0,65 млн рублей, или 25 %. Выгоды пользователей за период строительства по варианту 2 на 0,1 млн рублей больше.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сущность снижения пучинистости глинистых грунтов водными растворами гидроксида натрия (>1н) с добавкой негашеной извести заключается в возникновении новых вяжущих веществ на контактах частиц грунта, образованных из продуктов разрушения кристаллической решетки и алюмосиликатного ядра глинистых минералов. При этом было впервые экспериментально установлен эффект снижения степени пучинистости глинистых фунтов (до непучинистого или слабопучинистого) при их обработке водными растворами гидроксида натрия (3-4 н концентрации, 3243 кг/м3 фунта) с добавкой негашеной извести (0,1-0,3 % от объема раствора). Наряду со снижением степени пучинистости обработанных глинистых фунтов, происходит увеличение их прочностных и деформационных показателей.

2. Долговечность эффекта снижения степени пучинистости фунта обработкой его растворами гидроксида натрия с добавкой извести после 20 циклов промораживания-оттаивания практически не изменяется (относительная деформация морозного пучения увеличилась на 12,5 %).

3. Основными технологическими параметрами снижения пучинообразования глинистых фунтов земляного полотна управляемым защелачива-нием являются: толщина слоя обработки фунта земляного полона /г„, равная двум радиусам обработки г от 0,3 до 1,4 м; расстояние между инъекто-рами /„=1,73 г; расчетный объем фунта, обрабатываемый за одну заходку Ур-л-г' -(1+г); производительность нагнетания П=д-к/п-а; количество раствора рабочей концентрации, необходимое для обработки фунта за одну заходку др=ж г2-(г + 1)п-а; а - коэффициент насыщения фунта раствором щелочи, принимаемый 0,7; давление нагнетания Р<0,2 МПа.

4. Разработанная технология, защищенная патентом Российской Федерации, позволяет на основе методических рекомендаций, регламентирующих требования к проектированию и производству работ, эффективно снижать пучинообразование глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в журналах перечня ВАК РФ

1. Иванов Е.В. О методике оценки морозного пучения грунтов / Е.В.Иванов, А.Б.Самойленко // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - №.3 - С.234-239.

2. Самойленко| А.Б. Влияние раствора гидроксида натрия на морозное пучение глинистого грунта / А.Б.Самойленко, В.Н.Шестаков // Вестник Южно-Уральского государственного университета, серия «Строительство и архитектура». - 2010. - №33(209). - С.29-32.

Публикации в прочих изданиях

3. Пат. 2407859: МПК Е02В 3/12, С17/00. Способ ликвидации пу-чинообразования дорожной конструкции управляемым защелачиванием грунта / А.Б.Самойленко. В.М.Глушков, В.Н.Шестаков; ГОУ ВПО «Си-6АДИ». - №2009121985, заявл. 08.06.2009 г., опубл. 27.12.2010 г., Бюл. №36.-6 с.

4. Самойленко А.Б. Предпосылки к разработке химического способа ликвидации пучинообразования дорожных конструкций / А.Б.Самойленко // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: материалы ГУ Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 20-21 мая 2009 г. - Омск, 2009. - Книга 1. - С.68-72.

5. Самойленко АД. Технология «лечения» земляного полотна / А.Б.Самойленко // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VII Международной научно-технической конференции, 10-12 ноября 2009 г. - Омск, 2009. - Книга 2. - С.431-437.

6. Разработка рекомендаций по ликвидации пучинообразования грунтов земляного полотна химическими способами на опытном участке автомобильной дороги общего пользования «Кочки-Каргат» в Кар-гатском районе Новосибирской области: отчет НИОКР/ СибАДИ. Руководитель темы В.Н.Шестаков, ответственный исполнитель А.Б.Самойленко. Инв. №02200953940. - Омск, 2009. - 47 с.

7. Самойленко А.Б. Результаты мониторинга состояния дорожной конструкции на участке автомобильной дороги «Кочки-Каргат» / А.Б.Самойленко // материалы 63-й научно-технической конференции. -Омск, 2009.-Книга 1.-С.134-138.

8. Самойленко А.Б. Методика подбора состава глинистого грунта, укрепленного щелочным раствором / А.Б.Самойленко // Труды молодых ученых, аспирантов и студентов: межвузовский сборник. - Омск, 2010. - Выпуск 7. - С.193-196.

9. Самойленко А.Б. Борьба с пучинами автомобильных дорог химическим методом / А.Б.Самойленко, Е.Н.Самойленко // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 20-21 мая 2011г. - Омск, 2011. - Книга 1. - С.54-56.

10. Самойленко А.Б. Обоснование технологии ликвидации пучи-нообразования дорожных конструкций способом управляемого защела-чивания глинистых грунтов / А.Б.Самойленко, В.Н.Шестаков // Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 1920 мая 2011 г.-Пермь, 2011.-Том 1.-С.299-305.

11. Шестаков В.Н. Способ борьбы с пучинами / В.Н.Шестаков, А.Б.Самойленко II Автомобильные дороги. - 2011. - №09(958). - С.146-149.

12. Методические рекомендации по ликвидации пучинообразова-ния глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого за-щелачивания / Разработчик А.Б.Самойленко, научный руководитель д.т.н., профессор В.Н.Шестаков. - Омск, СибАДИ, 2011. - 29 с.

Подписано к печати 5.04.2012 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п.л. 1,2. Тираж 150 экз. Заказ № 32.

Отпечатано в подразделении оперативной полиграфии издательства СибАДИ г. Омск, ул. Петра Некрасова, 10

61 12-5/3115

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(ФГБОУ ВПО СибАДИ)

Разработка технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым

защелачиванием

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

высшего профессионального образования

Н описи

Самойленко Алексей Борисович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.Н.Шестаков

Омск 2012

Оглавление:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. СТРУКТУРНАЯ 8 СХЕМА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Механизм пучинообразования дорожной конструкции 8

1.2 Методы и способы ликвидации пучинообразования эксплуатируемых 26 дорожных конструкций.

1.3 Цель и задачи. Структурная схема и методика исследования 36

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ 39 ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ПУЧИНООБРАЗОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА УПРАВЛЯЕМЫМ ЗАЩЕЛАЧИВАНИЕМ

2.1 Физико-химическая сущность взаимодействия глинистого грунта с 39 раствором гидроксида натрия и негашеной известью

2.2 Геоэкологическая безопасность обработки глинистых грунтов 47 раствором гидроксида натрия

2.3 Выводы по главе 2 56

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА 58 РАСТВОРА ЗАЩЕЛАЧИВАНИЯ НА ПУЧИНИСТОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

3.1 Характеристика материалов и методики исследования 58

3.2 Влияние дозировки гидроксида натрия, извести и плотности грунта 63 на его пучинистость

3.3 Оценка долговечности снижения пучинистости грунта 70

3.4 Оценка прочностных и деформационных свойств грунта, 71 обработанного раствором гидроксида натрия

3.5 Выводы по главе 3 73

4 СТЕНДОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 75 УПРАВЛЯЕМОГО ЗАЩЕЛАЧИВАНИЯ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА

4.1 Характеристика опытного стенда дорожной конструкции 75

4.2 Прогноз пучения дорожной конструкции опытного стенда 80

4.3 Обоснование технологических параметров управляемого 81 защелачивания глинистых грунтов

4.4 Мониторинг результатов стендового моделирования исследуемой 84 технологии

4.5 Выводы по главе 4 86 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ И ТЕХНИКО- 88

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

5.1 Основные положения разработанных методических рекомендаций по 88 снижению пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием

5.2 Технико-экономическая эффективность технологии ликвидации 91 пучинообразования глинистого грунта управляемым защелачиванием

5.3 Выводы по главе 5 99

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 100

Библиографический список 102 Приложение А. Патент №2407859: способ ликвидации

пучинообразования дорожных конструкций управляемым 118 защелачиванием грунта

Приложение Б. Акты о передаче методических рекомендаций 120

Приложение В. Характеристика участка для опытного строительства 122

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из причин повреждения эксплуатируемых дорожных конструкций является процесс пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна. На территории юга Западной Сибири пучинообразованию подвержены 4-5% протяженности автомобильных дорог. Применение известных конструктивных и химических способов борьбы с пучинообразованием грунтов земляного полотна зачастую малоэффективно в глинистых грунтах с влажностью выше оптимальной и требует на время производства работ полного или частичного закрытия движения автотранспорта. В этой связи разработка технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения представляется актуальной. Исследуемый способ защищен патентом РФ №2407859.

Основная идея работы заключается в нагнетании водного раствора гидроксида натрия (ИаОН) с добавкой негашеной извести (СаО) через инъекторы, погруженные в земляное полотно горизонтально, что позволяет снизить пучинообразование и восстановить прочность глинистого грунта основания дорожной одежды без закрытия движения.

Объектом исследования является дорожная конструкция, подверженная процессу пучинообразования.

Предметом исследования являются составы, технологические параметры и приемы, направленные на снижение степени пучинистости и восстановление прочности глинистого грунта земляного полотна путем обработки его водным раствором гидроксида натрия и негашеной извести.

Методологическая база исследования - теоретические основы технологии дорожного строительства, системный подход, химико-физическая теория взаимодействия щелочей с глинистыми минералами, теории планирования эксперимента и вероятности.

Целью работы является повышение эффективности технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

• сформулировать теоретические предпосылки к экспериментальному исследованию технологии;

• исследовать влияние составов раствора защелачивания глинистых грунтов на их пучинистость, прочностные и деформационные свойства;

• оценить долговечность достигнутого эффекта снижения пучинистости грунта;

• обосновать технологические параметры снижения пучинообразования глинистых грунтов управляемым защелачиванием без закрытия движения;

• разработать методические рекомендации по снижению пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения автотранспорта с технико-экономической оценкой их эффективности.

Научная новизна состоит в экспериментальном исследовании:

• влияния состава раствора защелачивания на степень морозной пучинистости глинистых грунтов;

• долговечности достигнутого эффекта снижения пучинистости грунта;

• технологических параметров и приемов снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения.

Практическая значимость и реализация работы состоит в разработке методических рекомендаций по снижению пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна способом управляемого защелачивания без закрытия движения автотранспорта.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждена сходимостью результатов лабораторных исследований со

стендовым моделированием; применением современных методов исследований и инженерного оборудования, прошедшего метрологическую поверку.

На защиту вынесены:

• составы раствора защелачивания, обеспечивающие требуемую степень пучинистости, восстановление прочности глинистых грунтов, долговечность достигнутого эффекта;

• технологические параметры и приемы снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием без закрытия движения;

• методические рекомендации по технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием.

Апробация результатов работы осуществлена на конференциях: IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, 2021 мая 2009г.); VII Международная научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 10-12 ноября 2009г.); Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Современные научные исследования в дорожном и строительном производстве» (г.Пермь, 19-20 мая 2011г.); Научно-производственная конференция «Применение новых технологий в строительстве и ремонте дорог и мостов» (г.Томск, 16 мая 2011г.).

Личный вклад автора состоит в: экспериментальном исследовании влияния растворов гидроксида натрия на степень пучинистости и механические показатели глинистых грунтов, оценке долговечности достигнутого эффекта во времени; обосновании способа снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиванием и разработке методических рекомендаций по реализации этого способа; формулировании цели, задач и выводов.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 публикациях, в том числе 2 в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, включая патент РФ на разработанный способ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы, включающего 163 наименований. Объем работы 126 стр., в том числе 18 таблиц, 35 рисунков и 3 приложения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Механизм пучинообразования дорожной конструкции

Организованная борьба с пучинообразованиями (пучинами) на дорогах ведется с 19-го века. Первые попытки этой борьбы относятся к 1835 году, когда были осуществлены простейшие противопучинные мероприятия на Московском шоссе [131]. В США борьба с пучинами в начале XX века началась с применения различных дренажных сооружений[6].

Проблема морозного пучения грунтов освещена многими исследователями. По мере исследования данной проблемы менялось и определение понятия морозного пучения

грунтов[11,44,45,49,68,73,100,143,163].

В настоящее время пучинами называют деформации дорожных одежд и земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилем - в проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажненных грунтов [120,129].

Пучинообразованием (пучинами) называют повреждения дорожной одежды, проявляющиеся во взбугривания одежды, вызванные действием трех факторов - наличием пылеватых глинистых грунтов; глубоким (Ь>0,5 м) медленным промерзанием и интенсивным морозным влагонакоплением (\Vmax >0,7- 0,75 \УТ) [81,129].

Процесс развития, открытия и затухания пучин происходит в течение всего года (рис.1.1).

Физическая сущность образования пучин заключается в следующем. В начале зимнего периода устанавливается снизу вверх и от оси дороги температурный перепад и соответственно миграция влаги к фронту промерзания[31,93,119,139,157]. В зоне интенсивного промерзания жидкая фаза превращается в лед, увеличиваясь в объеме примерно на 9%. Возникают кристаллы, а в некоторых случаях линзы льда, создающие огромное давление в

полотне. Это вызывает равномерное поднятие дорожной одежды (пучение). Процесс пучинообразования происходит неравномерно как в поперечном, так и в продольном направлениях дороги [92,143]. Вдоль трассы это обусловлено неоднородностью грунтов основания по составу и влажности, влиянием подземных сооружений различного назначения. В местах пересечений земляного полотна коммуникациями глубина промерзания уменьшается, и, как следствие, на этом участке равномерное пучение переходит в неравномерное[28]. В поперечном направлении главной причиной служит снег, скапливающийся на обочинах (рис. 1.2). Проявляются пучины по мере увеличения количества дней с отрицательной температурой. Максимальное поднятие достигается к концу холодного периода. На взбугриваниях четко видны трещины ромбического характера.

Рисунок 1.1 Сезонные изменения водно-теплового режима дорожной конструкции: 1-положение дорожной одежды до промерзания; 2-то же после промерзания; 3-пучение дорожной одежды; 4 - просадка дорожной одежды [124]

Весной грунт земляного полотна оттаивает. Наибольшее скопление влаги и наименьшая прочность грунта наблюдается в местах пучин, где

накапливается максимальное количество льда. При наезде колес на взбугривание через трещины в покрытии выдавливается (иногда выплескивается) вода и возникают проломы и просадки (весенний период пучинообразования). По мере оттаивания грунта земляного полотна вода частично испаряется, частично инфильтрует вниз и к обочинам. Грунт просыхает и под действием колес автомобиля уплотняется. На месте взбугривания наблюдаются просадки, пучина «затухает» [24,53,65].

поперечном направлении: 1-дорожная одежда; 2-земляное полотно; 3-снеговые отложения; 4-пучинистый грунт; 5-горизонт промерзания

На морозное пучение грунтов оказывают влияние такие факторы, как: минералогический и химические составы грунта, влажность, плотность, скорость промерзания.

Минералогический и химический составы грунта резко отличаются в зависимости от исходного состава горной породы, степени её раздробления, условий формирования и залегания.

В глинистых грунтах минералогический состав особенно неоднороден, так как в них накапливаются в большем или меньшем количестве различные тонкодисперсные глинистые минералы, в своем большинстве являющиеся кристаллическими веществами. Многочисленный класс минералов представлен силикатами, которые составляют примерно 85% состава земной коры и наиболее характерны для различных грунтов, используемых в дорожном и аэродромном строительстве [3,26].

При значительной степени дисперсности глинистого грунта, среди частиц размером менее 0,005 мм преобладают вторичные слоистые алюмосиликаты (или

ферросиликаты), представляющие собой тонкодисперсные минералы, называемые глинистыми минералами.

Глинистые минералы - продукт химического изменения первичных минералов (полевых шпатов, гидрослюд и др.). Им присущи большая степень дисперсности, значительная гидрофильность, и как следствие этого большое набухание в воде.

В зависимости от содержания и состава глинистых минералов грунты становятся пластичными и липкими при определении степени их увлажнения, проявляют связность в сухом состоянии, увеличивается в значительной степени их обменная и водоудерживающая способность.

Для большинства глинистых минералов характерен ряд общих специфических черт:

- они встречаются в виде очень мелких кристаллов, размер которых измеряется долями микрометра;

- кристаллы этих минералов имеют слюдоподобную, т.е. пластинчатую (реже игольчатую) форму;

- глинистые минералы обладают хорошо выраженной поглотительной (обменной) способностью;

- в составе этих минералов всегда присутствует химически связанная

вода.

Поскольку для глинистых минералов характерно слоистое строение, их называют слоистыми алюмосиликатами. Они представляют собой сочетание наложенных друг на друга тетраэдрических и октаэдрических слоев. В зависимости от числа этих слоев, объединенных в элементарные пакеты, различают двух-, трех- и четырехслойные минералы. Десять - двадцать элементарных пакетов образуют кристаллическую пластинку или чешуйку. Из таких пластинок, чешуек или другой формы частиц и состоит обычно масса различных глин.

Размеры пластинок или другой формы частиц редко превосходят 10 мкм, обычно составляют 1 мкм и менее.

Многочисленные глинистые минералы (называемые иногда коллоидно-дисперсными) по совокупности признаков разделяют на три основные группы: каолинит, монтмориллонит и гидрослюды.

Каолинит - относительно стойкий минерал, содержащийся во многих глинистых грунтах. Это простейший глинистый минерал кристаллического строения, состоящий из одного тетраэдрического и одного октаэдрического слоев. Соседние элементарные пакеты расположены таким образом, что атомы кислорода одного пакета и гидроксильные группы соседнего сближены попарно и между ними возникает прочная водородная связь - О—ОН. Поэтому у пластинок каолинита плохо выражена спайность. При увлажнении подвижность кристаллической решетки не наблюдается ввиду ее жесткости. Каолинит обладает небольшой набухаемостью при увлажнении водой и ему свойственна малая обменная способность. Обмен катионов происходит по внешним граням кристаллов (экстрамицеллярный обмен) (рис. 1.3).

£«ц % 8

4

О 10 20 А1281:С)5(ОН)4 %

Рисунок 1.3 Зависимость морозного пучения грунта от абсолютного содержания в глинистой фракции минералов каолинитовой группы АЬ8 ¡гСМОЬЩ 140].

Монтмориллонит - типичный трехслойный глинистый минерал. Элементарный пакет монтмориллонита состоит из двух внешних тетраэдрических слоев, между которыми расположен октаэдрический слой. Вершины тетраэдров так же, как и у каолинита, совмещены с вершинами октаэдров. Эти общие вершины состоят из атомов кислорода.

Связь между соседними элементарными пакетами слабая, в силу чего в межпакетное пространство может проникать вода. Этот минерал характеризуется высокой гидрофильностью. Кристаллическая решетка монтмориллонита при увлажнении приобретает подвижность и расширяется. Кроме молекул воды, в межпакетном пространстве содержатся катионы, способные к обмену. Физико-химическая обменная способность монтмориллонита очень большая и достигает 80—100 мг/экв и более на 100 г грунта. Обмен катионов у этих мине�