Рекомендации по регулированию параметров глинистой корки при строительстве противофильтрационных завес способом «стена в грунте»
Актуально на 03.11.2026.
Как цитировать: "Рекомендации по регулированию параметров глинистой корки при строительстве противофильтрационных завес способом "стена в грунте". https://bukva.ai/docs/rekomendatsii-po-regulirovaniyu-parametrov
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕГУЛИРОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ ГЛИНИСТОЙ КОРКИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАВЕС СПОСОБОМ «СТЕНА В ГРУНТЕ»
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. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
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 10^{- 5} \div 10^{- 6}\text{м}/\text{сут}. 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. ГЛИНИСТЫЕ РАСТВОРЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЮ
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 1,05 \div 1,15\text{г}/\text{см}^{3} и при применении местных глин 1,15 \div 1,35\text{г}/\text{см}^{3} .
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.
Основные неорганические реагенты для обработки глинистых растворов
2.5. Глинисто-силикатные растворы готовятся из тонкодисперсных бентонитовых глин на основе силикатов натрия или калия плотностью 1,35 \div 1,45\text{г}/\text{см}^{3} .
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. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ГЛИНИСТОЙ КОРКИ
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 Jg; толщину глинистой корки \delta_{\text{к}} .
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.
Рис. 1. График зависимости скорости фильтрации v, см, в глинистых корках от градиента набора: 1,11; 2,21; 3,31 — глинистые корки, сформированные соответственно из глин кудиновского карьера, константиновского и махарадзевского бентонитов; 1, 2, 3 — корки, сформированные из растворов, не обработанных химическими реагентами; 11, 21 ,31 — корки, сформированные из растворов, обработанных силикатом натрия (4% от массы глины)
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 Jg следует принимать равным
J_{g} = \frac{J_{\text{кр}}}{b} ,
где Jкр — критический или разрушающий градиент напора;
b — коэффициент запаса, равный 2 — 4.
Так, например, для корки, сформированной на крупных песках, рекомендуется принимать Jg = 500, так как Jкр составляет 2000 — 2500. Для корки, сформированной не средних и мелких песках, супесях и суглинках, Jкр значительно больше, чем для корки на крупных песках. При расчете допустимых градиентов напора следует принимать значение Jg, 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.
Рис. 2. Изменение толщины глинистой корки \delta_{\text{к}} , мм, во времени \tau , ч: 1 - \Delta P = 0,08\text{МПа} ; T = 27 с; 2 - \Delta P = 0,02\text{МПа} ; T = 17 с
Рис. 3. Изменение количества фильтрующейся воды g, см3/ч, через корку во времени \tau , ч
Примечание. Плотность и влажность по сечению глинистой корки не одинаковы. Характер изменения плотности и влажности по толщине глинистой корки приведен на рис. 4.
Рис. 4. Графики изменения плотности (1) и влажности (2) по толщине глинистой корки
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.
Рис. 5. Диаграмма изменения толщины глинистой корки \delta_{\text{к}} , мм, в различных грунтах от разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды \Delta P и времени \tau , ч : 1, 2, 3 — соответственно при \Delta P , равном 0,08; 0,05 и 0,02 МПа (на диаграмме темные столбцы означают изменение толщины глинистой корки за 8 ч, светлые — за 24 ч)
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 \Delta P глинистого раствора и грунтовой воды рассчитывается по формуле:
\Delta P = q(\text{Н}_{\text{р}} \cdot \rho_{\text{р}} - \text{Н}_{\text{в}} \cdot \rho_{\text{в}}) , (1)
где \Delta P — разность гидростатических давлений, Па;
q — ускорение силы тяжести, м/с2;
Нр — напор глинистого раствора в траншее до расчетного горизонта, м;
\rho_{\text{р}} — плотность глинистого раствора, кг/м3;
Нв — напор грунтовых вод до расчетного горизонта, м;
\rho_{\text{в}} — 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:
\delta_{\text{к}}^{\text{п}} = \Delta P(0,05\tau - 0,674) + \tau(0,019T - 0,204) - 0,139T + 5,415 , (2)
где \delta_{\text{к}}^{\text{п}} — толщина глинистой корки на песке, мм;
\Delta P — разность гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды, Па;
\tau — время формирования глинистой корки, ч ( \tau 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.
Рис. 6. Изменение толщины глинистой корки \delta_{\text{к}} , мм, в зависимости от времени ее формирования \tau , ч, разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды \Delta P и условной вязкости раствора T, с: сплошные линии даны для T = 17 с, пунктирные — для T = 22 с; штрихпунктирные — для T = 27 с
Рис. 7. Изменение плотности глинистой корки \rho_{\text{к}} , г/см3, в зависимости от времени ее формирования \tau , ч, разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды \Delta P и условной вязкости раствора T, с. Обозначения те же, что на рис. 6
3.14 Толщину глинистой корки \delta_{\text{к}} , сформированной на супеси и суглинке, следует определять по формуле:
\delta_{\text{к}} = a \cdot \delta_{\text{к}}^{\text{п}} , (3)
где a — коэффициент, равный 0,85;
\delta_{\text{к}}^{\text{п}} — толщина корки, сформированной на песке, мм.
3.15. На основании формулы (2) находят время выдерживания раствора в траншее \tau 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.
Время формирования \tau , ч, глинистой корки определенной толщины \delta_{\text{к}} , мм, при заданных условной вязкости T, с, раствора и напора Н, м
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).
Рис. 8. Номограмма определения времени формирования глинистой корки при заданных значениях толщины \delta_{\text{к}} , мм, и разности гидростатических давлений глинистого раствора и грунтовой воды \Delta P . Обозначения те же, что на рис. 6
ПРИМЕР РАСЧЕТА УСЛОВНОЙ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРА T И ВРЕМЕНИ \tau ФОРМИРОВАНИЯ ГЛИНИСТОЙ КОРКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ, В КОТОРЫХ ОНА ФОРМИРУЕТСЯ
Исходные данные следующие. Разность напоров \Delta\text{Н} , которая будет действовать на завесу во время ее эксплуатации; разность гидростатических давлений \Delta P 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:
\delta_{\text{к}} = \frac{\Delta\text{Н}}{J_{g}} . (4)
Необходимые значения условной вязкости раствора T и времени формирования глинистой корки \tau требуемой толщины находим по номограмме (см. рис. 8). Зависимость толщины глинистой корки \delta_{\text{к}} от условной вязкости раствора T при каком-то определенном значении \Delta P представлена семейством прямых с различным временем выдерживания раствора в траншее, имеющих разный угол наклона к оси \delta_{\text{к}} .
Последовательность нахождения T и \tau следующая. Восстанавливаем перпендикуляры к осям абсцисс и ординат из точек с соответствующими значениями \delta_{\text{к}} и \Delta P . 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 \tau .
Например: \Delta\text{Н } = 6\text{м} ; \Delta P = 0,03\text{МПа} ; Jg = 1000.
Определим по формуле (4) \delta_{\text{к}} , 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. КОНТРОЛЬ ЗА ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ ГЛИНИСТОЙ КОРКИ
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 ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ГЛИНИСТОЙ КОРКИ
Прибор КМ-1 применяется для получения образцов глинистой корки с целью определения ее показателей. Схема прибора дана на рис. 9.
Рис. 9. Схема прибора для определения толщины глинистой корки в траншее
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.