Файл: Фисенко, Г. Л. Укрепление откосов в карьерах.pdf

шая масса, создающая дополнительную нагрузку на нижележа­ щие уступы.

Из всех известных типов массивных подпорных стен на карье­ рах наиболее целесообразно с экономической точки зрения приме­ нение железобетонных стен на участках протяженностью не более 50 м, когда важно сохранить непрерывность транспортной бермы. Примером успешного сооружения подпорных стен на нескольких участках бортов может служить Сибайский карьер [12].

Подпорные стены относятся к сплошным сооружениям. Они создают единый фронт сопротивления сдвигающимся горным по­ родам, поэтому их применяют для стабилизации оползней глини­ стых пород. Внутри оползня отсутствуют существенные силы взаимосвязи между частицами горных пород. Поэтому движение оползня может быть остановлено только сооружениями, создаю­ щими лобовое сопротивление. К тому же оползающие породы обычно значительно увлажнены, что придает оползню характер пластичного тела, обладающего способностью «течь».

Из сказанного следует, что:

подпорные стены могут оказать сопротивление оползню только в том случае, если ширина их больше фронта распространения оползня, а высота достаточна, чтобы предотвратить «перетекание» пород через стену; основание (фундамент) стены должно нахо­ диться вне зоны действия оползня, в горных породах, обладающих достаточным сопротивлением сдвигу с учетом веса стены и дав­ ления, оказываемого на нее оползнем; во избежание скопления воды за подпорной стеной и тем самым создания дополнительных напоров, необходимо в подпорных стенах устанавливать на опре­ деленном расстоянии дренажные трубы.

Железобетонные подпорные стены рассчитывают на сдвиг и опрокидывание. Следовательно, конструкция стен должна быть такой, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям:

иметь достаточное сопротивление сдвигу по основанию; для

или же на свайных фундаментах (рис. II.8, б);

быть устойчивыми против опрокидывания, т. е. иметь ширину фундамента, соразмерную с высотой стены;

оказывать сопротивление оползневому давлению в любом по­ перечном сечении, т. е. иметь достаточную прочность.

В отличие от массивных железобетонных подпорных стен, защитные стенки имеют небольшую толщину (0,5—1,5 м). Они сооружаются для предотвращения локальных вывалов, обрушений ограниченного объема и осыпей в откосах, сложенных интенсивно выветривающимися горными породами.

Устойчивость защитных стенок обеспечивается заделкой фунда­ мента в основание укрепляемого уступа и анкеровкой верха стенки (рис. II.9, а). Промежуточные анкеры устанавливаются для сокра­ щения пролетов при наличии опасности возникновения больших

44

по величине изгибающих моментов. В качестве анкеров приме­ няются металлические штанги или тросовые тяжи (в зависимости от длины анкера). Защитными стенками этого типа укрепляются уступы трещиноватых скальных и полускальных пород.

Тонкие подвесные стенки толщиной 0,05—0,10 м сооружаются исключительно для предотвращения образования осыпей

мента; hQф —глубина забивки свай фундамента

(рис. II.9,б). Фундаментов они не имеют. Металлическая сетка навешивается на штанги длиной 1,5—2,5 м, предварительно уста­ новленные на определенном расстоянии друг от друга. Затем по­ верхность откоса покрывается набрызгбетоном. Эти стенки отно­ сятся к группе изолирующих покрытий поверхности откосов.

Вариантом подвесной стенки является затяжка поверхности откоса сборными железобетонными плитами.

Контрфорсы, отсыпаемые из скальных пород, выполняют те же функции, что и подпорные стены, но, в отличие от последних, яв­ ляются более дешевыми сооружениями (разумеется, там, где скаль­ ная вскрыша добывается попутно). Им присущи и некоторые не­ достатки: большая собственная масса и большие площади, требующие значительной ширины берм, на которые отсыпаются контрфорсы, если отсыпка производится на заоткошенные уступы

(рис. 11.10, а ).

Для сохранения ширины берм производится частичная выемка рыхлых пород и замена их скальными (рис. 11.10,б). Эти работы ведутся в определенной последовательности с минимальным опе­ режением выемки (см. главу IV).

Обычно контрфорсы не имеют фундаментов в прямом смысле этого слова, но тем не менее отсыпаются на специально подготов-

G

ными водами, препятствует выносу частиц пород подземными водами и развитию фильтрационных деформаций откосов.

Материал, используемый для устройства пригрузочных призм, должен быть устойчив против длительного воздействия темпера­ тур и влаги.

Отсыпка фильтрующего материала может производиться на заотксшенную поверхность уступа без выемки части рыхлых пород.

В этом случае пригрузка имеет в поперечном сечении форму тре­ угольной призмы, а откос выполаживается (рис. 11.11,а). При выемке части рыхлых пород и замене их фильтрующим материа­ лом угол откоса уступа чаще всего равен углу естественного откоса материала, из которого отсыпается пригрузка (рис. 11.11,б).

Пригрузка откосов скальной вкрышей в наносах широко прак­ тикуется на Зыряновском карьере. Там же с помощью контрфор­ сов стабилизированы оползни уступов южного борта карьера.

§ 3. УПРОЧНЕНИЕ ПОРОД

Наибольшее распространение среди методов упрочнения полу­ чила цементация. Область ее применения — массив, обладающий удельным водопоглощением не менее 0,01 л/мин, сложенный породами от сильнотрещиноватых скальных до крупнозернистых пес­

вестняках, гранитах, гранито-гнейсах, габбро, аргиллитах, алевро­ литах и т. д.) при отсутствии в трещинах глинистого заполнения.

Цементация в гидротехническом строительстве применяется не только для создания гидроизоляционных завес в основаниях пло­ тин, но и как метод укрепления породного массива. Посредством цементации достигается прочное сопряжение тела плотины с бере­ гом реки и образование надежного упора до заполнения верхнего бьефа. Кроме того, достигается устойчивость откосов над пло­ тиной.

т

В горном деле цементация издавна известна в основном как средство тампонажа водоносных трещиноватых пород при проходке подземных выработок. В условиях открытых горных работ цемен­ тация применяется для упрочнения трещиноватых массивов скаль­ ных и полускальных пород, а также для устройства противофильтрационных завес.

В зависимости от размеров укрепляемых участков бортов карьеров цементация может быть поверхностной и глубинной. Поверхностная, или, как ее принято называть в гидростроитель­ стве, перфораторная, цементация предназначается для укрепления слоя пород до 7 м от поверхности. Основными растворопроводя­ щими каналами служат скважины перфораторного бурения; давле­ ние нагнетания не превышает при этом 10 кгс/см2.

Глубинная цементация применяется для упрочнения больших объемов трещиноватого массива. Цементный раствор подается под большим давлением (15—40 и более кгс,/см2) через скважины, пройденные с помощью буровых станков (выбор способа бурения практически не ограничивается).

Цементация ослабленных участков борта отличается от цемен­ тации в гидростроительстве как по своему назначению, так и по условиям выполнения. Эти отличия сводятся к следующему:

1. При цементации участка борта для повышения его устойчи­ вости следует избегать образования гидроизоляционной завесы. Необходимо принимать меры для того, чтобы за сцементированным участком не создавались условия для роста гидростатического на­ пора подземных вод. В противном случае на укрепленный участок со стороны массива будет действовать гидростатическое давление, что, естественно, снизит эффект укрепления.

2. Участок борта в предельном положении, подлежащий укреп­ лению, не испытывает обычно никаких нагрузок, кроме собствен­ ного веса пород. Это также отличает назначение цементации на карьерах от укрепления примыканий в створе плотины. Для усло­ вий карьера достаточно инъецированием укрепляющих растворов обеспечить устойчивость откоса в пределах ослабленного участка под углом, равным углу откоса смежных участков борта, не подле­ жащих укреплению. Для этой цели не требуется того качества цементации, какое регламентировано в гидротехническом строи­ тельстве. Достаточно частичного заполнения трещин цементом для увеличения сцепления по контактам блоков.

Эти особенности укрепительной цементации на карьерах позво­ ляют упростить ее технологию по сравнению с общепринятыми техническими условиями и нормами.

Нагнетание цементного раствора производится через веер сква­ жин диаметром 50—200 мм, пробуренных с верхней площадки уступа или же с поверхности откоса (рис. 11.12). После нагнетания цементного раствора в скважины вводится металлическая арма­ тура. Это усиливает эффект укрепления.

48

С и л и к а т и з а ц и я повышает прочность и водонепроницае­ мость укрепляемых рыхлых пород.

Принцип силикатизации заключается в том, что при обработке песчаных пород силикатным раствором они приобретают повышен­ ную механическую прочность, водонепроницаемость и водо­ устойчивость.

Применяют двухрастворную и однорастворную силикатизацию. Двухрастворная силикатизация применяется для упрочнения крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации 2—80 м/сут. Она заключается в последовательном нагнетании растворов силиката натрия (жидкое стекло) и хлористого кальция.

Рис. 11.12. Схемы расположения цементаци­ онных скважин:

1 — зона цементации

Для упрочнения мелких и пылеватых песков с коэффициентом фильтрации 0,5—5,0 м/сут, а также лёссовых пород с коэффициен­ том фильтрации 0,1—2,0 м/сут применяется однорастворная сили­ катизация, заключающаяся в одновременном нагнетании в породы растворов жидкого стекла и фосфорной кислоты или растворов, жидкого стекла, серной кислоты и сернокислого аммония.

Эффективность упрочнения пород способом силикатизации обу­ словлена pH грунтовых вод. При двухрастворной силикатизации грунтовые воды должны иметь pH менее 9, а при однораствор­ ной — менее 7,2.

За последние годы в Советском Союзе и за рубежом разрабо­ тан способ укрепления пород электросиликатизацией, основанный на одновременном воздействии на породы силикатизации и электро­ химической обработки (электроосмоса). Многие исследователи полагают, что электросиликатизация даст хорошие результаты при укреплении обводненных глинистых пород.

Опытное и теоретическое изучение электроосмоса, проведенное А. В. Нетушилом, Б. А. Ржаницыным, Г. М. Ломизе, Л. И. Курденковым и другими исследователями, позволило сделать вывод о тех­ нической возможности использования указанного явления для

49

изменения режима фильтрации воды в малопроницаемых песчаных и глинистых породах и частичного уплотнения их путем физико­ химических процессов, протекающих в породах при пропускании через них постоянного электрического тока.

Дальнейшим усовершенствованием электроосмотического воз­ действия на водоносные породы явился электрохимический способ укрепления, основанный на одновременном воздействии на породы постоянного электрического тока и различных добавок, вызываю­ щих химические реакции, вследствие которых происходит упроч­ нение пород. При электрохимическом способе упрочнение горных пород происходит под воздействием следующих процессов:

1) электроосмоса, в результате которого происходит перемеще­ ние воды от положительного электрода к отрицательному; при

пород натрий и калий замещаются водородом, алюминием или железом; коагуляция коллоидной фракции уплотняет породы; 3) структурообразования, являющегося результатом выпаде­ ния гидратов окиси металлов (алюминия, железа) и кальция в порах и трещинах пород. В результате этого происходит цемента­

ция последних.

Все эти процессы происходят одновременно и во взаимосвязи между собой.

Проф. Г. М. Ломизе и А. В. Нетушил разработали классифика­ цию характерных геологических и гидрогеологических условий, в которых целесообразно применять электроосмотическое водопонижение. Данную классификацию указанные авторы выразили

ввиде трех основных схем геологических условий:

1.Массив состоит из однородной толщи глинистых пород или же ряда глинистых слоев с коэффициентом фильтрации 0,1 м/сут

именее при условии, что породы находятся в пластичном или теку­ чем состоянии.

2.Толща пород представлена в виде двух горизонтов, верхним из которых являются глинистые с небольшим коэффициентом

фильтрации, а нижним — песчаные или песчано-гравелистые породы.

3. Массив пород состоит из большого числа чередующихся мало­ проницаемых глинистых и песчаных слоев с различным грануло­ метрическим составом, причем коэффициент фильтрации глинистых пород не превышает 0,1 м/сут, а также когда в песчаных породах, в виде линз больших размеров, встречаются глинистые породы.

Отечественный и зарубежный опыт применения электрохими­ ческого способа укрепления пород показывает, что кроме пониже­ ния уровня грунтовых вод и уплотнения пород этот способ придает породам водоустойчивость и повышает их механическую прочность. Электроосмос и электрохимическое укрепление в определенных условиях могут найти применение для борьбы с оползневыми яв­ лениями на карьерах.

50