Исследование влияния физико-механических свойств глинистых грунтов на прочностные свойства грунтобетона

УДК 624.138.26 М.С. Засорин

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОБЕТОНА

Определены закономерности изменения прочностных характеристик грунтобетона полученного посредством струйной цементации в зависимости от физикомеханических свойств закрепляемых глинистых грунтов. Дается обоснование правильности выбора параметров технологического процесса, которые существенно влияют на прочностные характеристики укрепленного грунта. Отмечено, что в настоящее время отсутствуют нормативно-технические документы и сертифицированные программные средства по проектированию работ, выполненных методом струйной цементации. Проведены лабораторные исследования глинистых грунтов на 2-х участках в г. Москве и впервые установлены зависимости набора прочности грунтоцементных образцов от физико-механических свойств глин.

Ключевые слова: струйная цементация, глинистый грунт, лабораторные исследования.

Струйная цементация грунтов представляет собой технологию, позволяющую решать целый ряд инженерных задач городского подземного строительства. Сущность способа заключается в подземном размыве грунта высоконапорными струями твердеющего раствора из предварительно пробуренных скважин, с целью изменения физико-механических характеристик массива. Область применения струйной цементации охватывает: устройство про-тивофильтрационных конструкций, свайных оснований, фундаментов, укрепление откосов, ограждение котлованов и д.р. На данном этапе развития метод струйной цементации подразделяют на три основных разновидности:

однокомпонентная технология -размыв грунта цементным раствором осуществляется монитором (через боковые насадки) опущенным в заранее пробуренную технологическую скважину;

двухкомпонентная технология -для увеличения длины водоцементной

струи, используют энергию сжатого воздуха. Воздушная рубашка защищающая водоцементную струю, резко снижает сопротивление окружающей среды по боковой поверхности струи и тем самым увеличивает ее разрушающие действия [1];

трехкомпонентная технология -получается, когда размыв грунта производят водяной струей в искусственном воздушном потоке с выносом размытого грунта через скважину в составе воздушной пульпы, а закрепляющий раствор подают в виде отдельной струю через насадку, расположенную ниже соосных размывающих насадок [2].

Выбор параметров технологического процесса, таких как динамическое давление струи, диаметр насадки, частота вращения, скорость подъема монитора существенно влияет на качество выполненных работ. Основным фактором, влияя-ющим на прочностные характеристики грунтоце-

, 3

мента является расход цемента на 1 м

закрепленного грунта. Этот фактор напрямую связан с экономической оценкой струйной технологии, так как от него зависят продолжительность работ, затраты труда, энергии, работы механизмов [3].

В настоящее время отсутствуют регламентированные методики и сертифицированные программные средства по проектированию конструкций, возводимых по технологии струйной цементации. Выбор параметров технологического процесса струйной цементации грунтов, как правило, устанавливается эмпирическим путем на основе ранее выполненных работ на сходных объектах. Зачастую это приводит к некачественному выполнению струйной цементации, следствием чего является дорогостоящие работы по ремонту полученной конструкции из грунтобетона. Особо актуальной является проблема выполнения струйной цементации глинистых грунтов, это связано с их особыми физикомеханическими свойствами, такими как показатель пластичности, предел текучести и д.р. На сегодняшний день, для обеспечения необходимых прочно-стных характеристик грунтобетона работы в глинистых грунтах

производятся с заведомо повышен, 3

ным расходом цемента на 1 м укрепленного грунта. Это приводит к росту стоимости и экономической нецелесообразности работ в целом.

С целью изучения влияния физико-механических свойств глинистых грунтов на прочностные характеристики грунтобетона, полученного в лабораторных условиях, автором были отобраны глинистые породы со строительных участков в Москве. Участок №1 располагался на ул. Рождественка, д.8, стр. 1, 2. Выполняемые

по проекту работы: Устройство ограждающей и несущей конструкции методом стена в грунте, при строительстве здания банка были отобраны глинистые грунты: глины черные,

плотные, юрские. Участок № 2 располагался по адресу: гор. Москва, пересечение Никулинской ул. с Востря-ковским ш., при строительстве камеры под проходческое оборудование были отобраны глинистые грунты: глины тяжелые, текучепластичные.

Анализ физических и химических свойств отобранных грунтов проводился в соответствии с существующими ГОСТ [4 - 11] и СНИП 2.05.0285. В результате, анализа были определены:

Гранулометрический состав (содержание крупнообломочных, песчаных, пылеватых и глинистых частиц);

Плотность частиц грунта;

Характеристики пластичности

грунта (число пластичности, показа-

тель текучести);

Коэффициент фильтрации (в твердом и рыхлом состоянии);

Влажность (природная, на границе текучести и раскатывания);

Химический состав глинистого грунта;

Степень засоления.

Результаты проведенных лабораторных исследований глинистых грунтов, представлены в табл. 1-4

В ходе лабораторных испытаний, были подготовлены серии грунтоцементных образцов, созданных путем перемешивания отобранных глинистых грунтов с портландцементом марки М500 и водой в различных пропорциях.

Лаб. № пробы 359

Интервал отбора пробы, м.

крупнообломочных свыше 10 мм.

Содержание частиц, % 10-5 мм.

5-2 мм.

песчаных 2-1 мм.

1-0,5 мм. 0,3

0,5-0,25 мм. 0,3

0,25-0,10 мм. 0,5

0,10-0,05 мм. 5,0

пылеватых 0,05-0,01 мм. 27,1

0,01-0,005 мм. 28,7

глинистых меньше 0,005 мм. 38,1

Плотность частиц грунта, г/см 3 2,74

Природная влажность, % 62,70

Влажность на границе текучести, % 85,50

Влажность на границе раскатывания, % 33,82

Число пластичности, % 51,68

Показатель текучести 0,56

Коэф. фильтр., м/сут. в макс. рыхлом состоянии 6,8

в макс. плотном состоянии 2,2

Наименование грунта по ГОСТ 25100 - 95 Глина тяжелая

мягкопластичная

Таблица 2

Ведомость результатов анализа химических свойств грунтов

Среднегодовая темп. воздуха: 4,1

Дорожно-климатическая зона: 2

Зона влажности по СНИП 11-3-79: нормальная

Отношение грунта и воды 1:5

№ пробы 359

Глубина отбора, м.

Тип грунта глина

Содержание на 100 г. абс. сухого грунта мг мг-экв %

§ О ей нсо3 42,71 0,7 0,043

С1 9,13 0,26 0,009

"Г о 737,74 15,36 0,738

N03 0,08 0 0

§ О и Са 265,49 13,25 0,265

Mg 31,49 2,59 0,031

№+К 11,04 0,48 0,011

Сумма ионов, % 1,098

Гумус, % 0,004

Рн 7,7

Средн. плотн. катодн. тока, А/м2 0,32

Уд. сопротивление, Ом*м. 4,9

Степень засоления ГОСТ 25100-95 незасол.

СНИП 2.05.02-85 среднезасол.

248

Лаб. № пробы 472

Интервал отбора пробы, м.

Содержание частиц, % крупнообломочных свыше 10 мм.

10-5 мм.

5-2 мм.

песчаных 2-1 мм.

1-0,5 мм. 3,3

0,5-0,25 мм. 4,5

0,25-0,10 мм. 5,5

0,10-0,05 мм. 11,6

пылеватых 0,05-0,01 мм. 17,3

0,01-0,005 мм. 21,7

глинистых меньше 0,005 мм. 36,1

Плотность частиц грунта, г/см3 2,72

Природная влажность, % 54,03

Влажность на границе текучести, % 61,86

Влажность на границе раскатывания, % 26,27

Число пластичности, % 35,59

Показатель текучести 0,78

Коэф. фильтр., м/сут. в макс. рыхлом состоянии 6,5

в макс. плотном состоянии 2,1

Наименование грунта по ГОСТ 25100 - 95 Глина тяжелая, текучепластичная

Таблица 4

Ведомость результатов анализа химических свойств грунтов

Среднегодовая темп. воздуха: 4,1

Дорожно-климатическая зона: 2

Зона влажности по СНИП 11-3-79: нормальная

Отношение грунта и воды 1:5

№ пробы 472

Глубина отбора, м.

Тип грунта глина

Содержание на 100 г. абс. сухого грунта мг мг-экв %

§ О ей нсо3 42,71 0,70 0,043

С1 4,57 0,13 0,005

"Г о 14,75 0,31 0,015

N03

§ О и Са 4,62 0,23 0,005

Mg 2,80 0,23 0,003

№+К 15,64 0,68 0,016

Сумма ионов, % 0,085

Гумус, % 0,003

Рн 7,9

Средн. плотн. катодн. тока, А/м2

Уд. сопротивление, Ом*м.

Степень засоления ГОСТ 25100-95 незасол.

СНИП 2.05.02-85 незасол.

№ Участок отбора пробы Наименование грунта по ГОСТ 25100-95 в и о и | о п и = & Влажность на границе текучести % Природная влажность % Показатель текучести

1 ул. Рождественка, Кузнецкий мост Глина тяжелая, стичная мягкопла- 51,68 85,50 62,70 0,56

2 ул. Никулинская Востряков-ское ш.. Глина тяжелая, стичная текучепла- 35,59 61,86 54,03 0,78

Испытания при одноосном сжатии (по 20 образцов на различные сутки и глиноцементные отношения), растяжении (по 10 образцов) и изгибе (по 10 образцов) проводились на 14-е, 21-е, 28-е, а так же 32-е 56-е, 70-е сутки (с целью определения полного набора прочности грунтоцемента) в соответствии с ГОСТ [9 - 10].

Результаты сравнительного анализа физических свойств глинистых грунтов отобранных с участков №1 и №2 представлены в табл. 5.

Ниже представлены сводные таблицы с указанием определенной в лабораторных условиях разрушающей нагрузки (ср. арифметическое) и рассчитанного предела прочности при сжатии, растяжении и изгибе, (таблица 6 - 11).

Проведенные автором исследования позволили построить графики (1 -6), сопровождающие сводные таблицы, которые характеризуют набор прочности грунтоцементных образцов, в зависимости от процентного соотношения грунт-цемент-вода и суток, на которое проводилось испытание.

Анализ выполненных лабораторных испытаний позволил автору установить рост прочностных свойств грунтобетона, полученного в ходе опыта с 28-х по 70-е сутки составляющий до 30 % от набора прочности на 28-е сутки. Это играет важную роль при проектировании струйной цементации в глинистых грунтах.

В ходе исследования влияния свойств грунтового массива на прочностные характеристики грунтобетона, полученного в лабораторных условиях, была установлена взаимосвязь показателя пластичности глинистых грунтов с прочностными характеристиками грунтобетона, состоящая в том, что с уменьшением показателя числа пластичности глинистых грунтов прочность грунтобетона увеличивается. Учитывая перспективность применения струйной технологии в различных по физикомеханическим свойствам грунтах необходимо определить зависимости параметров цементации от характеристик грунтобетона, полученного не только в лабораторных условия, но и на реальных объектах для сравнительной оценки установленных данных.

Участок № 1

Таблица 6

Разрушающая нагрузка на грунтоцементные образцы при сжатии (ср.арифметическое), кН

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,76 0,95 1,05 1,21 1,33 1,37

15 0,99 1,06 1,17 1,34 1,48 1,53

20 1,15 1,75 1,82 2,09 2,19 2,22

25 1,25 2,02 2,12 2,49 2,57 2,61

Предел прочности при сжатии, МПа

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,30 0,38 0,42 0,48 0,53 0,55

15 0,40 0,42 0,47 0,54 0,59 0,61

20 0,46 0,70 0,73 0,84 0,88 0,89

25 0,50 0,81 0,85 1,00 1,03 1,04

Таблица 7

Разрушающая нагрузка на грунтоцементные образцы при растяжении (ср.арифметическое), кН

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,11 0,12 0,15 0,18 0,20 0,21

15 0,14 0,18 0,25 0,29 0,32 0,34

20 0,16 0,24 0,32 0,35 0,37 0,39

25 0,18 0,26 0,45 0,51 0,57 0,60

Предел прочности при растяжении,МПа

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,05 0,06 0,07 0,09 0,10 0,10

15 0,07 0,09 0,12 0,14 0,16 0,17

20 0,08 0,12 0,16 0,17 0,18 0,19

25 0,09 0,13 0,22 0,25 0,28 0,30

График 1

График набора прочности грунтоцементных образцов при одноосном сжатии

График 2

График набора прочности грунтоцементных образцов при одноосном растяжении

Таблица 8

Разрушающая нагрузка на грунтоцементные образцы при изгибе (ср.арифметическое), кН

Участок № 2

Таблица 9

Разрушающая нагрузка на грунтоцементные образцы при сжатии (ср.арифметическое), кН

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,02 0,02 0,04 0,05 0,05 0,05

15 0,03 0,04 0,05 0,05 0,06 0,06

20 0,05 0,05 0,06 0,07 0,08 0,08

25 0,06 0,07 0,09 0,10 0,11 0,12

Предел прочности при изгибе, МПа

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,05 0,05 0,09 0,12 0,12 0,12

15 0,07 0,09 0,12 0,12 0,14 0,14

20 0,12 0,12 0,14 0,16 0,19 0,19

25 0,14 0,16 0,21 0,23 0,26 0,28

График 3

График набора прочности грунтоцементных образцов при изгибе

---1—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|

10 20 30 40 50 60 70 80

Сутки

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 2,37 2,62 2,93 3,38 3,64 3,75

15 2,41 2,78 3,13 3,59 3,98 4,07

20 3,04 3,11 3,39 3,89 4,33 4,41

25 3,70 3,74 4,26 4,89 5,41 5,54

Предел прочности при сжатии, МПа

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,95 1,05 1,17 1,35 1,46 1,50

15 0,96 1,11 1,25 1,44 1,59 1,63

20 1,22 1,24 1,36 1,56 1,73 1,76

25 1,48 1,50 1,70 1,96 2,16 2,22

График 4

График набора прочности грунтоцементных образцов при одноосном сжатии

10 20 30 40 50 60 70 80

Сутки

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,12 0,24 0,39 0,45 0,49 0,51

15 0,35 0,39 0,52 0,61 0,65 0,68

20 0,46 0,50 0,61 0,72 0,76 0,78

25 0,49 0,78 0,89 1,01 1,08 1,12

Предел прочности при растяжении, МПа

о/ Испытания [ на * сутки

/0 14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,06 0,12 0,19 0,22 0,24 0,25

15 0,17 0,19 0,26 0,30 0,32 0,34

20 0,23 0,25 0,30 0,36 0,38 0,39

25 0,24 0,39 0,44 0,50 0,54 0,55

График 5

График набора прочности грунтоцементных образцов при одноосном растяжении

% Испытания на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,04 0,07 0,12 0,14 0,16 0,17

15 0,05 0,09 0,16 0,18 0,20 0,21

20 0,07 0,11 0,19 0,21 0,23 0,24

25 0,09 0,13 0,24 0,26 0,28 0,29

Предел прочности при изгибе, МПа

% Испытания [ на * сутки

14* 21* 28* 42* 56* 70*

10 0,09 0,16 0,28 0,33 0,38 0,40

15 0,12 0,21 0,38 0,42 0,47 0,49

20 0,16 0,26 0,45 0,49 0,54 0,56

25 0,21 0,30 0,56 0,61 0,66 0,68

График 6

График набора прочности грунтоцементных образцов при изгибе

Сутки

1. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов: монография Пермь: Престтайм 2007 г.

2. Бройд И.И. Струйная геотехнология: Учебное пособие. - М.: Издательство Ассоциация строительных вузов 2004 г.

3. Засорин М. С. Особенности «Jet Grouting» в глинистых грунтах. ГИАБ, отдельный выпуск № 9, Строительная геотехнология 2009 г.

4. ГОСТ 12536-79

5. ГОСТ 20522-96

6. ГОСТ 23740-79

7. ГОСТ 23001-90

8. ГОСТ 30416-96

9. ГОСТ 310.4-81

10. ГОСТ 21153.3-85

11. ГОСТ 25100 - 95

12. СНИП 2.05.02-85 \ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------------------

Засорин М.С. - аспирант кафедры СПСиШ, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru ЗАО «Триада-Холдинг»

МУЗЕЙ В БОХУМЕ

Увлекательная экскурсия по руднику ждет посетителей Горного музея в Бохуме. Он основан в 1930 году на месте шахты, и сегодня является крупнейшим в мире музеем горного дела: 400 000 посетителей в год, 12000 м2 площадей с десятками тысяч разнообразных экспонатов - инструментов, машин, транспортных средств, предметов обихода горняков, одежды, оборудования, а также образцов полезных ископаемых и минералов.

На копре шахты расположены две смотровые площадки с видом на город и его окрестности. Подземная часть музея состоит из двухуровневых туннелей. Один из уровней посвящен разработке руд и угля с середины XIX, а другой дает представление о современной механизированной добыче.

Святая Барбара, покровительница рудников. Ей молились немецкие рабочие перед каждым спуском в штольни, а теперь ее могут увидеть посетители музея в Бохуме