Обґрунтування технологічних параметрів струминного закріплення обводнених ґрунтів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

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.

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.

1. 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.

2. 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),

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

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

,

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

3. Залежність максимальної глибини проникання закріплюючого розчину в дисперсну породу від параметрів зрушення

,

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,

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:

,

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.

4. Розробка 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:

1. 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.

2. 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.

;

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

4. 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:

.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

ґрунтовий струминний обводнений

Література

1. 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.

2. 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.

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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

Размещено на Allbest.ru