Обґрунтування технологічних параметрів струминного закріплення обводнених ґрунтів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

На правах рукопису

УСТИВИЦЬКИЙ ОЛЕГ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 622.267.33:622.273.218

Обґрунтування технологічних параметрів струминного закріплення обводнених ґрунтів

Спеціальність 05.15.09 - "Механіка ґрунтів та гірських порід"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ, 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі підземної розробки родовищ у Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Власов Сергій Федорович, професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Садовенко Іван Олександрович, завідувач кафедри гідрогеології та інженерної геології Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ); доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, завідувач кафедри тунелів, основ і фундаментів Дніпропетровського національ ного університету залізничного транспорту ім. ак. Лазаряна; Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин.

Захист відбудеться “ 14 ” листопада 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 із захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сьогодні під час освоєння підземного простору великих міст України часто виникає необхідність у застосуванні спеціальних способів зміцнення ґрунтових масивів. Це пов'язано з погіршенням гідрогеологічних умов унаслідок щорічного підйому рівня підземних вод. Підтоплення, що виникає при цьому, призводить до затоплення підвалів, зниження несучої здатності масивів ґрунту, прояву просадних властивостей і, як наслідок, - деформації будинків і споруджень. Одним з найбільш перспективних способів зміцнення ґрунтових масивів з погляду технологічності й економічності на даний момент є струминне закріплення, сутність якого полягає в гідравлічному руйнуванні і перемішуванні ґрунтів високонапірними струменями закріплюючого розчину з наступним твердінням отриманих розчино-ґрунтових сумішей.

Ця технологія дозволяє формувати розчино-ґрунтові елементи різних розмірів і форм із необхідними характеристиками міцності, що дозволяє застосовувати її у разі вирішення різних гірничотехнічних і будівельних завдань. Унаслідок підвищення рівня підземних вод більшість робіт із закріплення доводиться виконувати в умовах повної водонасиченості чи вологості, що змінюється за геологічним розрізом свердловини. При цьому виникає необхідність у визначенні кількості і якості закріплюючих розчинів, що використовуються при проведенні робіт із закріплення. Актуальному науково-технічному завданню вдосконалення струминної технології з метою підвищення її ефективності при проведенні робіт за таких умов і присвячене дане дисертаційне дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану найважливіших держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України на період 2001-2002 рр. (тема ГП-272 "Створення основ теорії фізико-хімічного закріплення порід струменями високого тиску закріплювальних речовин в умовах впливу підземних вод і управління гірським масивом при нетрадиційному безлюдному вийманні корисних копалин", реєстраційний номер 0101V001546, інвентарний номер звіту 0101V001546), згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки України № 4 "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології", відповідно до програми № 20 "Розробити і впровадити ресурсозберігаючі і екологічно чисті технології видобутку і переробки вугілля", а також координаційного плану Міністерства освіти і науки України № 39 з фундаментального напрямку "Гірничі науки" у 1998 - 2002 рр.

Мета досліджень полягає в обґрунтуванні раціональних параметрів струминного закріплення ґрунтів в умовах впливу підземних вод необхідних для забезпечення підвищення ефективності проведення гірничих і будівельних робіт.

Для досягнення зазначеної мети в дисертації ставляться і вирішуються такі задачі:

Установити закономірності зміни фізико-механічних властивостей ґрунтів (щільність, ударна в'язкість, параметри зрушення, дисперсність) залежно від ступеня їх обводненості.

Установити закономірності зміни фізико-механічних властивостей закріплених розчино-ґрунтових елементів (час початку і кінця схоплювання, міцність на одноосьовий стиск) залежно від кількості закріплюючого розчину, що подається в них.

Дослідити й обґрунтувати міцність контактної зони розчино-ґрунтових елементів, що сполучаються.

Розробити способи струминного закріплення обводнених ґрунтів, які сприяють безпечному проведенню робіт за умов підземного будівництва.

Обґрунтувати ефективність струминного закріплення водонасичених ґрунтів.

Об'єкт дослідження - технологія струминного закріплення обводнених зв'язних і незв'язних ґрунтів з використанням цементних розчинів, що твердіють.

Предмет дослідження - фізико-механічні властивості розчино-ґрунтових елементів, що формуються за допомогою високонапірних струменів закріпляючих розчинів у зв'язних і незв'язних водонасичених ґрунтах.

Ідея роботи полягає в управлінні фізико-механічними властивостями захисних елементів, що створюються шляхом використання раціональних параметрів закріплення.

Методи досліджень: для досягнення мети і вирішення завдань, поставлених у даній дисертації, був виконаний комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, що включає аналіз і узагальнення існуючих літературних робіт у даній сфері досліджень, проведення патентних, аналітичних і експериментальних робіт. У галузі теоретичних досліджень розглядалися теорії: коагуляції і кристалізації в дисперсних системах, суцільного середовища, розмірностей і подібності, турбулентних струменів. Серед експериментальних досліджень застосовувалися лабораторні методи визначення: ударної в'язкості, показників зрушення, щільності і дисперсності ґрунтів, що закріплюються; часу початку і кінця схоплювання, щільності закріплюючих розчинів; міцності на одноосьовий стиск закріплених елементів, а також лабораторне моделювання процесів проникнення високонапірного струменя закріплюючих розчинів у водонасичені ґрунти. Обробка отриманих результатів здійснювалась на ПЄОМ методами математичної статистики з використанням різних регресійних моделей.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. Ударна в'язкість залежить від зчеплення і кута внутрішнього тертя зв'язних і незв'язних ґрунтів вологістю від 3 до 25 %, і ця залежність має такий вигляд:

.

Вона дозволяє перейти до єдиної методики визначення властивостей міцності ґрунтових масивів, що впливають на основні параметри струминного закріплення.

2. Міцність захисних елементів, що формуються за допомогою струминної технології закріплення в обводнених ґрунтах, залежить від розчино-ґрунтового співвідношення і змінюється за логарифмічним законом, що дозволяє встановити раціональні параметри закріплення ґрунтів під час вирішення різних гірничо-будівельних і технічних завдань.

Наукова новизна отриманих результатів:

Уперше обґрунтована необхідність заміни ударної в'язкості ґрунтів на параметри зрушення (кут внутрішнього тертя і коефіцієнт зчеплення), що дозволило застосувати єдину методику визначення цих показників як для зв'язних, так і незв'язних ґрунтів з різним ступенем вологості.

Уперше отримані залежності ударної в'язкості від вологості та показників зрушення зв'язних і незв'язних ґрунтів різної дисперсності. На підставі цього вперше отримана залежність максимальної глибини проникнення закріплюючого розчину в ґрунти від характеристик їх зрушення.

Уперше встановлено, що міцність захисних елементів, що споруджуються за допомогою струминного закріплення в обводнених ґрунтах, зменшується в 1,5-1,7 рази.

Уперше отримана залежність міцності елемента закріплення від кількісного співвідношення розчину й обводненого ґрунту. Досягнення проектної міцності у разі вирішення різних гірничо-будівельних завдань забезпечується регулюванням швидкості обертання і підняття струминного монітора.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням основних положень теорії коагуляції і кристалізації в дисперсних системах; достатнім обсягом виконаних експериментів і збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень у межах 82-94 %.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей впливу швидкостей підняття й обертання струминного монітора на властивості міцності створюваних розчино-ґрунтових елементів зв'язних і незв'язних ґрунтів в умовах вологості, що змінюється, а також у розробці методики розрахунку основних раціональних технологічних параметрів закріплення водонасичених ґрунтів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в такому:

розроблений новий спосіб струминного закріплення лесових ґрунтів, сутність якого полягає в тому, що спочатку в зоні дії струминного монітора визначають природну вологість ґрунту і її граничне значення, а далі насичують ґрунт водою, визначають кількість води, що була сприйнята масивом, після чого здійснюється безпосереднє закріплення. На цей спосіб отриманий патент України № 37993А;

обґрунтована ефективність використання струминного закріплення дисперсних ґрунтів з обтисненням і без обтиснення струменя розчину струменем стиснутого повітря. Найбільш ефективним як з економічного, так і з технологічного погляду визнано струминний спосіб закріплення ґрунтів без обтиснення струменя розчину струменем стиснутого повітря;

розроблений пакет комп'ютерних програм для розрахунку раціональної швидкості обертання і підняття струминного монітора при визначеному витрачанні цементного розчину з метою одержання захисного елемента в обводнених дисперсних ґрунтах із заданим діаметром закріплення і необхідної міцності.

Реалізація роботи в промисловості полягає у впровадженні результатів досліджень у вигляді проектних рекомендацій до проекту ЗАО “Ремстрой”.

Особистий внесок автора полягає у формулюванні наукової мети, задач, наукових положень і розробці методики досліджень; аналізі результатів лабораторних і теоретичних досліджень; обґрунтуванні раціональних технологічних параметрів закріплення обводнених ґрунтів і ґрунтів з вологістю, що змінюється за геологічним розрізом свердловини, струменями високого тиску.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладались і обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (Дніпропетровськ, 1998 р.), на 6-му міжнародному симпозіумі "Освоєння родовищ мінеральних ресурсів і підземне будівництво в складних гідрогеологічних умовах" (Росія, Бєлгород, 2001 р.), на наукових семінарах кафедри підземної розробки родовищ і засіданні науково-технічної ради Проблемної науково-дослідної лабораторії № 1 Національного гірничого університету.

Публікації: за темою дисертації здобувачем опубліковано 6 друкованих праць у т. ч.: статей у спеціалізованих, затверджених ВАК України журналах - 3; отриманий деклараційний патент України на винахід № 37993 А - 1; матеріалів конференцій - 2.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, переліку використаних джерел із 91 найменувань на 7 сторінках і додатків; містить 106 сторінок машинописного тексту, 28 рисунків, 20 таблиць і 3 додатки на 7 сторінках; загальний обсяг роботи - 139 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і необхідність проведення досліджень, сформульовані цілі і завдання досліджень, наведені наукові положення, що виносяться на захист, а також данні щодо апробації і публікації досліджень.

У першому розділі проаналізовані різні спеціальні способи закріплення ґрунтів в умовах їх обводненості.

На даний час практично весь комплекс будівельних робіт з освоєння підземного простору великих міст України здійснюється на територіях, що належать до категорії складних за інженерно-геологічними умовами. Найбільші проблеми виникають під час проведення робіт у слабких обводнених дисперсних ґрунтах, що зустрічаються повсюдно на локальних ділянках, а також у структурно-нестійких лесових просадних ґрунтах, що представлені практично на 60 % території України. Ситуація загострюється тим, що останнім часом в Україні відбувається підтоплення територій унаслідок повсюдного підйому рівня підземних вод, через що збільшується обводненість ґрунтових масивів. При будівництві і реконструкції існуючих будинків і споруджень у густонаселених районах у більшості випадків необхідні заходи, спрямовані на перетворення будівельних властивостей ґрунтів. Найбільш ефективними за таких умов є різні фізико-хімічні способи впливу на ґрунтовий масив.

З усіх існуючих спеціальних способів зміцнення породних масивів, які використовувалися у 80 - 90 роки в промисловому і цивільному будівництві при спорудженні підземних об'єктів, найбільшого застосування одержали хімічне та електрохімічне закріплення ґрунтів, а також їх заморожування. Значний внесок у розвиток напрямку досліджень пов'язаних з питаннями закріплень та меліорації ґрунтів, зробили такі відомі вчені, як Ю.Н. Бабець, В.І. Бондаренко, І.О. Садовенко, В.Д. Петренко, В.Є. Соколович, Б.М. Усаченко, В.В. Виноградов та багато інших. Однак використання різних способів зміцнення ґрунтів за умов водонасиченості завжди пов'язано з певними труднощами спричиненими їх недоліками, що негативно позначається на якості створюваних об'єктів і безпеці проведення робіт. Виникає необхідність розробки способів, які підвищували б якість зміцнення. Одним із таких способів є струминне закріплення. Застосування цієї технології в багатьох випадках економічно доцільніше за використання інших альтернативних способів. Сутність технології полягає в гідравлічному руйнуванні і перемішуванні ґрунтів високонапірними струменями закріплюючого розчину з наступним твердінням отриманих розчино-ґрунтових сумішей, що дозволяє формувати розчино-ґрунтові елементи різних розмірів і форм із необхідними показниками міцності.

Значний внесок у розвиток струминної технології зробили К. Моді, Б.С. Федоров, Д. Арнігстол, М.М. Смородінов, В.І. Бондаренко, С.Ф. Власов, С.В. Ткачук, С.Є. Тимченко та ін. На підставі теоретичних і практичних розробок були зроблені кілька модифікацій різних способів струминного закріплення ґрунтів - пісків, лесів і суглинків, що належать до галузі будівництва підземних і гідротехнічних споруджень, захисних конструкцій при проходці виробок різного призначення, а також формування протифільтраційних завіс, відстійників, хвостохранилищ, АЗС і т. ін.

На підставі аналізу сучасного рівня досліджень, пов'язаних з різними способами струминної технології закріплення ґрунтів, можна зробити висновок, що найбільш перспективним із усіх існуючих є спосіб струминного закріплення ґрунтів з різними фізико-механічними властивостями. Цей спосіб дозволяє використовувати струминну технологію зміцнення при проведенні робіт із заданими технологічними параметрами закріплення для широкого спектра ґрунтів, що закріплюються, і умов проведення робіт. Однак авторами наукових розробок, присвячених струминній технології, була обмежена сфера досліджень пов'язаних з вивченням впливу фізико-механічних властивостей ґрунтів на технологічні параметри і якість закріплення. При цьому звужувалося коло досліджуваних ґрунтів. Для деяких з них не враховувався такий показник властивостей ґрунту, як щільність, для інших - дисперсність. Не був врахований вплив фактора додаткового тиснення, що виникає в разі збільшення глибини проведення робіт із закріплення. Внаслідок підтоплення територій, складених різними ґрунтами з повсюдними шарами і лінзами за глибиною захисної конструкції, що споруджується, та постійних змін рівня підземних вод ці фактори впливають на вихідні параметри струминного закріплення. При цьому виникає необхідність у проведенні комплексу досліджень процесів струминного закріплення водонасичених ґрунтів, що включають: оцінку впливу обводненості на фізико-механічні властивості ґрунтів, що закріплюються, закріплюючих розчинів і захисних елементів, що споруджуються.

У другому розділі проведений аналіз теоретичних передумов змін фізико-механічних властивостей ґрунтів зі зміною їхньої вологості. Як у зв'язних, так і незв'язних ґрунтах міцність масиву, головним чином, залежить від міцності водно-колоїдних зв'язків. У піщаних ґрунтах при підвищенні вологості до певного значення властивості міцності масиву збільшуються внаслідок появи капілярних сил. У глинистих ґрунтах, навпаки, відбувається їхнє зниження внаслідок руйнування цементаційних зв'язків між їх частинками. В умовах динамічних і гідродинамічних впливів, як у зв'язних, так і незв'язних типах ґрунтів, можливе порушення суцільності масиву з переходом його в пливунний стан. Проведені лабораторні дослідження з визначення залежностей ударної в'язкості ґрунтів від їх основних фізико-механічних властивостей дозволили врахувати фактор додаткового тиску від шарів ґрунту які розташовані вище, що відбувається зі збільшенням глибини проведення робіт. Надалі це дозволило перейти до єдиної методики визначення властивостей міцності ґрунтових масивів, що впливають на основні параметри струминного закріплення.

Були визначені залежності ударної в'язкості різних типів ґрунтів відповідно до їхньої вологості. У пісках різної дисперсності пухких і середньої щільності додавання ця залежність має поліноміальний характер, щільного додавання - прямолінійний. Зі збільшенням дисперсності спостерігається зменшення ударної в'язкості пісків різної щільності додавання. Чим більше частки піску, тим менша область їх зіткнень, менша сила тертя, що виникає при цьому, меншу роботу необхідно витратити на подолання сил опору руйнуванню. У різних типах зв'язних ґрунтів залежності ударної в'язкості від вологості мають експонентний характер.

Зі збільшенням щільності в незв'язних ґрунтах за рахунок підвищення їхньої вологості ударна в'язкість останніх збільшується, а у зв'язних ґрунтах за тих самих умов, зменшується за експонентним законом

?=k exp ( l ?d), (1)

де ?d - об'ємна щільність ґрунту, г/см3; k,l - коефіцієнти апроксимації.

Залежності ударної в'язкості від об'ємної щільності у зв'язних і незв'язних ґрунтах наведені на рис. 1,2 відповідно.

Результати виконаних досліджень дозволили обґрунтувати можливість переходу від показника ударної в'язкості ґрунтів до їх характеристик міцності (параметрів зрушення). Залежності ударної в'язкості від параметрів зрушення як для зв'язних, так і незв'язних типів ґрунтів мають вигляд

, (2)

де - нормальний тиск, Па; - кут внутрішнього тертя; - питоме зчеплення, Па; - величина, за якої відбувається зрушення, м.

У третьому розділі аналітичним шляхом була отримана залежність максимальної глибини проникання закріплюючого розчину в дисперсну породу від параметрів зрушення.

 , (3)

де - витрата рідини, м3/с; щільність речовини струменя, кг/м3 ; - експериментальна функція; - нормальний тиск, Па; - кут внутрішнього тертя; С - питоме зчеплення, Па; - величина, за якої відбувається зрушення, м.

Застосовуючи теорії коагуляції і кристалізації в дисперсних системах, суцільного середовища, теорії подібності і розмірностей були обґрунтовані, а потім і досліджені процеси твердіння цементно-ґрунтових сумішей і залежності від кількості закріплюючого розчину, що додається. Ці дослідження дозволили встановити закономірності зміни міцності розчино-ґрунтових елементів від різних кількісних співвідношень розчин-ґрунт і ступеня вологості останніх. Збільшення кількості розчину, що додається на одиницю об'єму, як зв'язних, так і незв'язних ґрунтів що закріплюється приводить до скорочення термінів схоплювання і підвищення значення міцності на одноосьовий стиск. Залежність міцності затверділого розчино-ґрунтового елемента від Р/Г співвідношення має явно виражений логарифмічний характер:

P = k Ln(b) + n, (4)

де Р - міцність Р/ґ елементів на 56-й день від закріплення, МПа; b - Р/ґ співвідношення; k і n - коефіцієнти апроксимації залежно від типу ґрунту.

Залежність міцності затверділого розчино-ґрунтового елемента від Р/Г співвідношення наведена на рис. 3.

Усі ці дослідження стали підставою для розробки раціональних технологічних параметрів струминного закріплення водонасичених ґрунтів, серед яких основними є глибина проникнення розчину в ґрунт з урахуванням різних факторів - швидкості підняття й обертання струминного монітора, що забезпечують необхідну міцність закріплення в умовах водонасиченості:

, (5)

де n - кількість сопів у струминному моніторі; - Р/Г співвідношення; - щільність ґрунту, що руйнується, кг/м3; ; - швидкість обертання робочого інструмента, 1/с; - час закріплення, с.

Для підтвердження результатів теоретичних і лабораторних досліджень виконали моделювання процесів струминного закріплення обводнених ґрунтів. Як основне устаткування використовувалася модернізована бурова установка АКБ 12/25. Розбіжність між результатами лабораторних досліджень властивостей міцності закріплюваних ґрунтових елементів і результатами моделювання становить 13-18 %.

У цьому розділі також наведені результати досліджень міцності контактної зони розчино-ґрунтових елементів, що сполучаються. Необхідність цього обумовлена вимогами, пропонованими до цілісності і якості захисних оболонок, створюваних навколо гірських виробок; гідроізоляційних завіс навколо підземних об'єктів і систем; а також, штучних основ, які створюються під фундаментами будинків і споруджень. З застосуванням результатів щодо визначення раціональних параметрів були здійсненні експерименти із стикування двох створюваних елементів закріплення через різні проміжки часу, які дозволили стверджувати, що міцність контактної зони розчино-ґрунтових елементів залежить від тривалості часу між їх стикуванням і може змінюватися в межах 30 %. Це підтверджує необхідність стикування цих елементів з мінімальними технологічними перервами.

Четвертий розділ присвячений розробці нових способів струминного закріплення, які сприяють безпечному веденню робіт при підземному будівництві, а також економічному обґрунтуванню ефективності струминного закріплення водонасичених ґрунтів.

Дослідження другого та третього розділів дозволили розробити новий спосіб струминного закріплення лесових ґрунтів, сутність якого полягає в тому, що спочатку в зоні дії струминного монітора визначають природну вологість ґрунту і її граничні значення, потім насичують цей ґрунт водою, визначаючи кількість, що сприйняв масив, після чого виробляється безпосереднє закріплення. На цей спосіб отриманий патент України № 37993А.

Також розроблений новий спосіб струминного закріплення ґрунтів з різними фізико-механічними властивостями за умов свердловини з вологістю, що змінюється за геологічним розрізом, який дозволяє регулювати як діаметр формованих розчино-ґрунтових структур, так і їх міцність.

Був виконаний аналіз ефективності використання струминного закріплення ґрунтів з обтисненням і без обтиснення струменя розчину стисненим повітрям. Деякі західні автори (Японія, Німеччина) для збільшення глибини проникання закріплюючих розчинів у закріплюваний ґрунт, пропонують обтиснення струменя розчину струменем стисненого повітря. Однак ефективніше буде робити меншу кількість колон з великим діаметром, чи більшу кількість колон з меншим діаметром? Для вирішення такого питання було здійснене економічне обґрунтування ефективності використання струминних способів закріплення ґрунтів. Унаслідок виконаного аналізу був зроблений висновок, що найбільш ефективним як з економічного, так і технологічного погляду є струминний спосіб закріплення ґрунтів без обтиснення струменя розчину стисненим повітрям.

У вигляді пропозицій результати досліджень були впроваджені в проект щодо посилення обводнених ґрунтів під фундаментом старого ливарного цеху заводу ім. Карла Либкнехта. При цьому був зроблений розрахунок передбачуваного економічного ефекту від використання струминної і буронабивної технологій у разі спорудження пальових конструкцій. Він складає 41,37 грн/м3 або 16 480 грн. на весь об'єкт порівняно з використанням в аналогічних цілях буронабивної технології.

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі подане нове вирішення актуальної наукової задачі обґрунтування раціональних технологічних параметрів струминного закріплення водонасичених ґрунтів шляхом керування фізико-механічними властивостями розчино-ґрунтових елементів. Вирішення поставлених у дисертаційній роботі задач полягає у визначенні раціональних параметрів струминного закріплення і застосуванні їх при закріпленні водонасичених ґрунтів за допомогою високонапірних струменів цементних розчинів із метою забезпечення підвищення якості зміцнення порід при проведенні гірничих робіт, освоєнні підземного простору і створенні протифільтраційних завіс навколо підземних об'єктів і гідротехнічних споруд.

Найбільш важливі наукові і практичні результати дослідження, висновки і рекомендації полягають у такому:

Уперше обґрунтована необхідність заміни ударної в'язкості дисперсних порід на параметри зрушення (кут внутрішнього тертя і коефіцієнт зчеплення), що дозволило застосувати єдину методику визначення зазначених показників як для зв'язних, так і незв'язних ґрунтів з різним ступенем вологості, для чого були отримані залежності ударної в'язкості від вологості зв'язних і незв'язних ґрунтів різної щільності.

Уперше отримані залежності ударної в'язкості від показників зрушення для різних типів ґрунтів

.

На підставі цього вперше отримана залежність максимальної глибини проникання закріплюючого розчину в ґрунт від характеристик зсуву

;

уперше встановлено, що міцність захисних елементів, які споруджуються за допомогою струминного закріплення в обводнених незв'язних ґрунтах, зменшується в 1,5-1,7 рази.

уперше отримана залежність міцності закріплення елемента від кількісного співвідношення розчину і водонасиченого ґрунту. Досягнення проектної міцності при вирішенні різних гірничотехнічних питань забезпечується завдяки швидкості обертання і підняття робочого монітору, залежності яких мають такий вигляд:

Уперше встановлено, що міцність контактної зони розчино-ґрунтових елементів залежить від тривалості часу між їх стикуванням і може змінюватися в межах 30 %. Це підтверджує необхідність стикування цих елементів з мінімальними технологічними перервами.

Розроблений новий спосіб струминного закріплення лесових ґрунтів сутність якого полягає в тому, що спочатку в зоні дії струминного монітора визначають природну вологість ґрунту і її граничні значення, потім насичують цей ґрунт водою, визначаючи кількість, що сприйняв масив, після чого виробляється безпосереднє закріплення. На цей спосіб отриманий патент України № 37993А.

Розроблений новий спосіб струминного закріплення дисперсних порід з різними фізико-механічними властивостями за умов зміни вологості за геологічним розрізом свердловини, що дозволяє регулювати як діаметр формованих розчино-ґрунтових структур, так і їхню міцність.

Виконаний аналіз ефективності використання струминного закріплення дисперсних ґрунтів з обтисненням і без обтиснення струменя розчину стисненим повітрям. Визначено, що найбільш ефективним як з економічного, так і технологічного погляду є струминний спосіб закріплення дисперсних порід без обтиснення струменя розчину стисненим повітрям.

Виконаний розрахунок передбачуваного економічного ефекту від використання струминної технології спорудження пальових конструкцій замість буронабивної. При зміцненні фундаменту під старим сталечугунолітейним цехом ОАО Нижнедніпровського трубного заводу ім. Карла Либкнехта він складе 16 548 грн.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в таких роботах:

Власов С.Ф., Устивицкий О.А. Обоснование эффективности струйных способов закрепления дисперсных пород // Науковий Вісник Національної гірничої академії України. - Дніпропетровськ: НГА України №6, 2000. - С.24-26.

Власов С.Ф., Устивицкий О.А., Тимченко С.Е. Определение зависимостей между показателями прочностных свойств грунтов применительно к вопросам использования струйной технологии закрепления //Сборник Научных Трудов Национального горного университета - Днепропетровск: РИК НГУ Украины №14 т.1, 2002. - С.78-83.

Устивицкий О.А. Результаты исследования изменения прочности обводненных грунтов при струйном закреплении //Науковий Вісник. НГУ України - Дніпропетровськ: НГУ України №5, 2003. - С.21-24.

Пат. 37993 А Украіна, МКИ Е 02 Д 3/12. Спосіб струминного закріплення лесових порід / Бондаренко В.І., Власов С.Ф., Лубенець М.О., Устивицький О.О., Владико О.Б., Заявл. 15.05.2000; Опубл. 15.05.2001; Бюл. № 4.

Власов С.Ф., Владыко А.Б., Устивицкий О.А. Технология струйного закрепления дисперсных пород при сооружении шахтных стволов // Материалы международной научно-практической конференции. “ХХI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых” - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. - с. 108-112.

Устивицкий О.А. Исследования зависимости ударной вязкости песков от их влажности и дисперсности при струйном закреплении пород. // Материалы 6-го Международного симпоз. “Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях” - Белгород, Россия, Виогем, 2001. - Часть ІІ. - С.358-362.

Особистий внесок автора в роботи, написані в співавторстві, полягає у такому: [1, 5] - економічні розрахунки; [2] - теоретичні і лабораторні дослідження, виконання розрахунків і аналіз отриманих результатів; [4] - аналіз літературних джерел, виконання експериментальних досліджень.

АНОТАЦІЯ

Устивицький О.А. "Обгрунтування технологічних параметрів струминного закріплення водонасичених ґрунтів". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.09 - “Механіка грунтів і гірських порід". Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003 р.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів інтенсифікації процесів струминного закріплення обводнених ґрунтів. На базі теоретичних і експериментальних досліджень розроблені теоретичні і прикладні засади струминного закріплення зв'язних і незв'язних ґрунтів в умовах впливу підземних вод, які дозволили обґрунтувати раціональні технологічні параметри, що забезпечують високу технологічність і ефективність ведення гірських і будівельних робіт. У результаті виконаних експериментів отримані залежності між швидкостями обертання і підняття робочого монітора в умовах водонасиченості ґрунтів.

Результати дисертаційної роботи дозволили вдосконалити технологію струминного закріплення при її використанні в водонасичених ґрунтах шляхом застосування раціональних параметрів. Економічний ефект від використання струминної технології спорудження пальових конструкцій замість буронабивної у разі зміцнення фундаменту під старим сталечугунолітейним цехом ОАО Нижнедніпровського трубного заводу ім. Карла Либкнехта складе 16548 грн.

Ключові слова: струмені високого тиску, розчино-ґрунтові суміші, струминна технологія закріплення, закріплюючі розчини.

Аннотация

cтруминне закріплення обводнений ґрунт

Устивицкий О.А. "Обоснование технологических параметров струйного закрепления обводненных грунтов" - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.09 - "механика грунтов и горных пород". Национальный горный университет, Днепропетровск, 2003 г.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров интенсификации процессов струйного закрепления обводненных грунтов. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработаны теоретические и прикладные основы струйного закрепления связных и несвязных дисперсных пород, которые позволили обосновать рациональные технологические параметры, обеспечивающие высокую технологичность и эффективность ведения горных и строительных работ, в условиях влияния подземных вод.

В работе впервые обоснована необходимость замены ударной вязкости грунтов на параметры сдвига (угол внутреннего трения и коэффициент сцепления), что позволяет перейти к единой методике определения указанных показателей, как для связных, так и несвязных грунтов с различной степенью влажности. Для этого получены зависимости ударной вязкости от влажности связных и несвязных грунтов различной плотности, изменяющиеся по экспоненциальному закону. На основании этого впервые получена зависимость максимальной глубины проникания закрепляющего раствора в грунт от его сдвиговых характеристик. В результате выполненных экспериментов впервые получена зависимость прочности закрепления элемента от количественного соотношения раствора и обводненного грунта. Достижение заданной прочности при решении различных горно-технических задач обеспечивается варьированием скоростей вращения и поднятия рабочего монитора. Впервые установлено, что прочность контактной зоны растворо-грунтовых элементов зависит от продолжительности времени между их стыковкой и может изменяться в пределах 30 %, что подтверждает необходимость стыковки этих элементов с минимальными технологическими перерывами.

Разработан новый способ струйного закрепления лессовых грунтов - патент Украины № 37993А; от 15.05.2001 г. Выполнен анализ эффективности использования струйного закрепления грунтов с обжатием и без обжатия струй раствора сжатым воздухом. Установлено что, наиболее эффективным как с экономической, так и технологической точки зрения является струйный способ закрепления грунтов без обжатия струи раствора сжатым воздухом.

Результаты диссертационной работы позволили усовершенствовать технологию струйного закрепления при ее применении в водонасыщенных грунтах путем использования рациональных параметров. Предполагаемый экономический эффект от применения струйной технологии сооружения свайных конструкций вместо буронабивной при укреплении основания под старым сталечугунолитейным цехом ОАО Нижнеднепровского трубного завода им. Карла Либкнехта составит 16548 грн.

Ключевые слова: струи высокого давления, растворо-грунтовые смеси, струйная технология закрепления, закрепляющие растворы.

ANNOTATION

Ustivitsky O. " A Substantiation of technological parameters of jet stabilization of water-filled grounds" - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in technical sciences in speciality 05.15.09 - "Ground and rock mechanics". National Mining University, Dnipropetrovsk, 2003.

The thesis is dedicated to the problems of parameters substantiation of intensification the processes of water-filled ground jet stabilization. On the basis of theoretical and experimental studies, the theoretical and applied principles of jet stabilization of coherent and incoherent dispersed rocks are developed. These principles allowed to prove rational technological parameters of stabilization which ensure high adaptability to manufacture and efficiency of conducting mining and construction operations, in conditions of underground waters influence.

The results of the thesis allowed to improve the technology of jet stabilization (when used in water-filled grounds) by using rational parameters.

Key words: jets of high pressure, solution-ground mixtures, jet technology of stabilization, fixing solutions.

Размещено на Allbest.ru