Изменение физических свойств влагонасыщенных грунтов при электрохимическом упрочнении

УДК 622.267 : 550.372

А.В. Покатилов, С.М. Простое, В.А. Хямяляйнен,

С.Л. Понасенко

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ

ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ УПРОЧНЕНИИ*

Семинар № 2

Электрохимическое закрепление (ЭХЗ) обводненных неустойчивых горных пород является одним из эффективных методов повышения их прочностных свойств. При ведении горных работ во влагонасыщенных малопроницаемых глинистых грунтах четвертичных отложений (плывунах) ЭХЗ наряду с весьма трудоемким замораживанием становится практически единственным методом управления геомеханическим состоянием массива, поскольку инъекционные методы (цементация, битумизация, обработка химическими растворами и др.) неэффективны. Развитием технологии ЭХЗ занимались ОАО "Спец-тампонажгеология" (Украина), ОАО "Куз-ниишахтострой" и другие организации. Результаты опытно-про-мышленных исследований, обобщенные в работе [1], позволили обосновать основные технологические параметры ЭХЗ при проходке шахтных стволов. Вместе с тем, данная технология не получила достаточно широкого распространения в шахтном строительстве. Основной причиной этого является недостаточная изученность физико-меха-нических процессов, происходящих в зоне электрохимической (электроосмо-тической) обработки.

В лаборатории геоконтроля ГУ Куз-ГТУ проведены комплексные исследования изменения физических свойств грун-

тов при ЭХЗ на экспериментальной установке. Установка представляла собой ванну из непроводящего материала, герметизированную полиэтиленовой пленкой, размером 0,94x0,5x0,46 м. Рабочее пространство емкости было заполнено влагонасыщенным грунтом (суглинком с содержанием глинистых частиц до 40 %). Обработка массива проводилась электро-дами-инъекторами (перфорированными

трубами с внешним диаметром 50 мм), подключенными к источнику постоянного напряжения (аккумуляторной батарее). В качестве укрепляющего раствора в один из инъекторов-анод заливали раствор Ка2803 ("жидкое стекло") стандартной плотности у= 1,05 г/см3, из полости катода периодически удаляли воду, скапливаемую за счет процессов электроосмоти-ческого осушения. Поскольку геометрические параметры установки соответствовали натуре, применения критериев подобия при моделировании не требовалось. Подробнее установка описана в работе [2].

Основным методом геоконтроля в эксперименте являлся геоэлектрический: в

грунте были установлены 4-электрод-ные микродатчики (АМ = ММ = N6 = 1 см),

*Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 05-05-64100.

Рис. 1. Круговые диаграммы изменения УЭС обработанного грунта на стадии набора прочности на расстоянии от анода г = 0,07 м (а) и г = 0,14 м (б) с течением времени I после обработки: 1 - t = 15

сут; 2 - 23 сут; 3 - 46 сут

а

Рис. 3. Изменение средних значений физических параметров С, / и Ж с течением времени I на расстоянии г = 0,07м (а) и г = 0.14 м (6): 1 - С; 2 - Г 3 - W

измерения удельного электросопротивления (УЭС) массива проводили каротажным прибором КП-2.

Датчики устанавливали в средней по глубине плоскости модели по оси установки и в радиальных направлениях. Общее количество датчиков в зависимости от решаемых задач составляло от 15 до 30. Комплекс физических свойств обработы-ваемых грунтов исследовали с помощью приборов полевой лаборатории ПЛЛ-9 (сдвиговые испытания проб проводили прибором П10-С): сцепление С, коэффициент внутреннего трения f влажность Ж, консистенция 1Ьг число пластичности ИР

На первом этапе исследований изучались геометрические параметры зон элек-троосмотической фильтрации и твердения в приэлектродных областях. В частности, установлена ярко выраженная анизотропия свойств массива в зоне активного анода установки. Анализ круговых диаграмм УЭС (рис. 1) показал, что при консолидации обработанного грунта вблизи электрода (г = 0,07 м) происходит образование трещин расслоения при (р= 45, 3150, а при удалении от инъектора (г = 0,14 м) зона набора прочности вытягивается вдоль оси установки. Более детально результаты эксперимента и их анализ приведены в [3].

б

Для перехода к оценке абсолютных значений механических характеристик грунтов по данным электрофизических измерений были проведены специальные исследования изменения свойств грунтов при наборе прочности в стандартных ячейках 0,1 х 0,1 х 0,1 м. Графики зависимости параметров С, f, Ж, 1Ь 1Р от относительного изменения УЭС обработанного грунта при различных плотностях укрепляющего раствора ^приведены на рис. 2.

Анализ приведенных графиков показал следующее:

- величина контролируемого параметра р измерялась в диапазоне р/р0 = 1,1-1,68, причем при применении более концентрированных растворов этот диапазон сужался за счет более низких значений р;

- при всех значениях у наблюдалось монотонное возрастание прочностных параметров С и f монотонное снижение влажности Ж и консистенции 1Ь, число пластичности при этом заметно возрастало только при у= 1,05 г/см3.

Полученные зависимости можно использовать в качестве тарировочных при прогнозе прочностных параметров укрепленных грунтов. В частности, на рис. 3 приведено изменение во времени средних значений параметров С, f и Ж в прианод-ной зоне с течением времени, полученное путем обработки графиков на рис. 1.

На рис. 4 приведены графики прогноза изменения сцепления С грунтов в зоне об-

работки с течением времени t по данным электрофизических измере-ний, приведенных в [3].

Из приведенных графиков следует, что прочность обработанных грунтов изменяется весьма неравномерно: на интервале х = 0,26-0,45 м (в зоне активного анода) она возросла более чем в 6 раз, причем набор прочности происходил относительно рав-

Рис. 4. Прогнозируемое изменение сцепления С грунта в обработанной зоне с течением времени вдоль оси х установки: 1 - X = 1 сут; 2 - 5 сут; 3 - 15 сут; 4 - 23 сут; 5 - 46 сут

номерно во времени; в средней части зоны обработки (х = 0, 08-0,26 м) набор прочности массива происходил значительно менее интенсивно.

Полученные результаты позволяют контролировать изменение физических свойств укрепляемого массива в пространстве и во времени, как в лабораторных, так и в натурных условиях. Проведение подобных исследований на начальных стадиях укрепительных работ будет способствовать обоснованию оптимальных параметров технологии ЭХЗ и повышению ее эффективности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Должиков П.Н. Электрохимический тампонаж обводненных неустойчивых горных пород при строительстве устьев шахтных стволов // Ав-тореф. дисс. канд. техн. наук. - Днепропетровск: ДГИ им. Артема, 1989. - 16 с.

2. Простое С.М. Исследование параметров грунтов при электроосмотическом и электрохимическом укреплении на экспериментальной модели / С.М. Простое, М.В. Гуцал, А.В. Покатилов // Вестник РАЕН (ЗСО). - 2004. - №6 - С.128-134.

3. Простое С.М. Исследование геометрических параметров зон электрохимического укрепления глинистых грунтов на физической модели / С.М. Простое, А.В. Покатилов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Материалы Международной научно-практической конференции. - Новокузнецк, 2004. - С. 32-36.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------------

Простое С.М. - доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ,

Покатилов А.В. - аспирант ГУ КузГТУ,

Хямяляйнен В.А. - доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ,

Понасенко С.Л. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ОАО "Кузниишах-тострой".

© А.Л. Замятин, 2005

УДК 622.83