Уплотнение и закрепление горных пород

Горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой минеральным цементом, а также силами молеку­лярного сцепления и внутреннего трения.

В зависимости от характера и физической природы связей минеральных частиц горные породы разделяют на две группы: твердые породы с жесткими связями (скальные) и мягкие породы без жестких связей (грунты). К породам с жесткими связя­ми относят магматические (изверженные), метаморфические, а также осадочные сцементированные, химические и биохимичес­кие. Не имеют жестких связей глинистые, пылеватые и обломоч­ные несцементированные грунты.
Минеральные частицы твердых пород связаны между собой цементирующим веществом, либо находящимся в виде пленок на контакте частиц (граниты, кварциты, габбро и др.), в этом слу­чае прочность связей обычно выше прочности частиц, либо за­полняющим пространство между минеральными частицами. Во втором случае цемент может быть кремнистым, известковым, глинистым, мергелистым, железистым или гипсовым, и в этом случае разрушение породы происходит по связующему мате­риалу.

Горные породы с жесткими связями в невыветрелом состоя­нии имеют высокую прочность. Будучи нерастворимыми, они обычно удовлетворяют предъявляемым к ним строителями тре­бованиям. Однако при выветривании и при наличии в породах пор, пустот и трещин прочность их снижается, кроме того, кот­лованы бетонных гидротехнических сооружений и другие горные выработки могут быть затоплены грунтовыми водами. В этих случаях искусственно упрочняют и уплотняют горные породы химическими способами закрепления.

Трещины в породах могут быть вертикальными, наклонными и горизонтальными. Длина их изменяется от нескольких санти­метров до сотен метров и более, а ширина — от десятых долей миллиметра до нескольких метров. Условно, в зависимости от ширины, трещины подразделяют на следующие виды:

 

 Трещины могут быть открытыми, т.е. не заполненными ка­ким-либо материалом, и закрытыми — заполненными вторичным материалом, механическими или химическими осадками. Рас­стояние между трещинами колеблется от нескольких миллимет­ров до десятков метров.

Особым видом нарушения монолитности горных пород явля­ются карстовые трещины и пустоты, образовавшиеся в результа­те выщелачивания или растворения водой некоторых горных по­род (известняка, доломита, мела, гипса, каменных и калийных солей). Ширина и длина карстовых образований могут достигать десятков метров. Карстовые пустоты обычно заполнены водой, песчано-глинистым и обломочным материалом. Эта вода может попадать через трещины в разрабатываемые котлованы и затоп­лять их. Своды пустот с течением времени обрушаются, образуя на поверхности земли провалы, которые могут быть причиной разрушения возводимых в этих районах гидротехнических соору­жений. Все это требует уплотнения и упрочнения закарстованных пород.

К группе пород без жестких связей относят мягкие горные породы — грунты глинистые и лессовидные, сыпучие (песчаные) и плывунные (песчано-глинистые) с частицами весьма малых размеров.

Уплотнение и упрочнение пород без жестких связей (грун­тов) является сложной задачей. Во-первых, проникание в них вяжущих цементирующих веществ затруднено из-за небольших размеров пор, в некоторых случаях не превышающих десятых долей микрометра. Во-вторых, непосредственное взаимодействие вяжущих цементирующих веществ с наиболее активной мине­ральной частью грунтов — глинистыми частицами осложнено на­личием у последних оболочек связанной воды.

При уплотнении и упрочнении песчаных грунтов следует учи­тывать их неоднородность и слоистость в естественном состоя­нии, поскольку они могут оказывать существенное влияние на распространение инъецируемого в грунт вещества.