Установление радиуса (глубины) разрушения грунтов при струйной цементации

двигателей при работе их на земле // Вестн ИрГТУ.

2006. № 3 (23). С. 102-108.

15. Даниленко Н.В. Вихревое поле планет, имеющих суточное вращение // Решетневские чтения: материалы XI междунар. науч. конф., посвящ. памяти ге-нер. констр. ракетно-космических систем акад. М.Ф. Решетнева Ч. 1. Красноярск, 6-10 нояб. 2007 г. Красноярск, 2007. С. 114-120.

16. Даниленко Н.В. Пятна на Солнце // Вестн. ИрГТУ.

2007. № 1 (29). С. 85-92.

17. Даниленко Н.В. Прецессия изолированного циклонического вихря в поле вращения Земли // Вестн. ИрГТУ. 2008. № 2 (34). С. 20-23.

18. Даниленко Н.В., Федотов М.М. Вихреобразование воздушной среды, засасываемой в воздухозаборник, при работе газотурбинных двигателей на земле // Решетневские чтения: материалы XII междунар. науч. конф., посвящ. памяти генер. констр. ракетно-космических систем акад. М.Ф. Решетнева. Ч. 1.

Красноярск, 10-12 нояб. 2008 г.. Красноярск, 2008. С. 110-115.

19. Даниленко Н.В. Природа и физика магнитных бурь // Решетневские чтения: материалы XIII междунар. науч. конфер., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосм. ун-та им. акад. М.Ф. Решетнева, 50-летию ОАО «Информационные спутниковые системы», 85-летию со дня рожд. генер. констр. ракетно-космических систем акад. М.Ф. Решетнева. Ч. 1. Красноярск, 10-12 нояб. 2009 г. Красноярск, 2009. С. 104-105.

20. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М. : Мир, 1986. 184 с.

21. Апаринов В.А., Дворак А.В. Метод дискретных вихрей с замкнутыми вихревыми рамками // Применение ЭВМ для исследования аэродинамических характеристик летательных аппаратов : тр. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. М., 1986. Вып. 1313. С. 424432.

УДК 691. 54. Тюпин Владимир Николаевич,

д. т. н., профессор кафедры «БЖД и ЗС», ЗабИЖТИрГУПС, тел. 8-914-440-8282, e-mail: tyupinvn@mail.ru

Сигачев Николай Петрович, д. т. н., профессор, директор ЗабИЖТ ИрГУПС, тел./факс 8 (3022) 24-06-90

УСТАНОВЛЕНИЕ РАДИУСА (ГЛУБИНЫ) РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВ ПРИ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

V. N. Tyupin, N. P. Sigachyov

DETERMINATION OF SOIL DESTRUCTION RADIUS (DEPTH) IN JET CEMENTING

Аннотация. Технология струйной цементации грунтов оказалась весьма плодотворной и в последнее десятилетие получила широкое распространение. Область применения струйной цементации: укрепление слабых грунтов при строительстве горных выработок, тоннелей и коллекторов, ограждение котлованов в обводненных грунтах, усиление фундаментов при реконструкции и надстройке зданий, повышение устойчивости склонов и откосов и др. Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи водоцементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с раствором. Технология струйной цементации заключается в бурении передовой скважины - прямой ход. В процессе обратного хода в форсунки (сопла) монитора, расположенного в нижней части буровой колонны, подают под высоким давлением цементный раствор и начинают подъем колонны с одновременным ее вращением.

Анализ литературы показал, что в настоящее время имеются многочисленные экспериментальные исследования по изучению физико-механических свойств и геометрических параметров грунтоцементных колонн. Однако не рассмотрен вопрос теоретического определения радиуса (глубины) разрушения грунта (Rp) при различных технических параметрах воздействия струй на различные по физико-техническим свойствам грунты.

В настоящей статье предложен теоретический подход при определении радиуса (глубины) разрушения грунтового массива струей (водоцементной смеси) ВЦС на основе использования закона сохранения энергии. Получена теоретическая формула расчета Rp, а также диаметра грунтоцементной колонны. Величина Rp зависит от управляемых параметров: давления нагнетания, диаметра сопла, сжимаемости ВЦС. Кроме того, Rp определяется модулем упругости, прочностью грунта и величиной горного давления. Доказана сходимость полученной теоретической формулы определения Rp и диаметра колонны с экспериментальными данными литературных источников.

Прогнозирование диаметра грунтоцементной колонны, кроме того, обеспечит определение прочности и модуля упругости грунтоцемента, что позволяет при проектировании оптимально подобрать конструкцию и шаг грунтоцементных колонн.

Ключевые слова: струйная цементация грунтов, геометрические параметры и физико-технические свойства грунтоце-мента, теоретические исследования, формулы расчета глубины разрушения, диаметра колонн.

Abstract. The technology of soil jet cementing (grouting) proved to be very fruitful and the last decade it has been widely spread. Fields of jet cementing are: strengthening of soft soil during the construction of mines, tunnels and sewers; fencing of pits in flooded soils, strengthening of foundations in the reconstruction of buildings superstructure, increasing the stability of slopes and dips, etc. The essence of the technology is that to use the energy of high-pressure jets of water-cement solution for destruction and simultaneous mixing of soil with a solution. Jet cementing technology means the drilling of advanced wells - the forward stroke. During the return stroke the nozzles of the monitor disposed at the bottom of the drill column are fed by cement slurry under high pressure and the lifting of column with its simultaneous rotation is started.

The analysis of literature has showen that nowadays there are numerous experimental studies of the physical and mechanical properties and geometrical parameters of grouting columns. However, the theoretical determination of the soil destruction radius (depth) (Rp) at various technical parameters of the jets impact on the soils with different physical and technical properties has not been considered.

This paper proposes a theoretical approach to the determination of the radius (depth) of the soil mass destruction by jet (water-cement mixture) using the law of energy conservation. The theoretical calculation formula Rp as well as the diameter of the jet-grouting

Механика

columns has been obtained. The value Rp depends on the controlled parameters: injection pressure, nozzle diameter, the compressibility of the water-cement mixture. Furthermore, Rp is determined by modulus of elasticity, soil strength and value of overburden pressure. The convergence of the obtained theoretical formulas for determining Rp and the diameter of the column with the experimental data of literature has been proved.

Besides, predicting the soil-cement columns diameter will provide the determination of the strength and modulus of elasticity of the soil-cement. It allows optimal selection of design and step of grouting columns.

Keywords: jet cementing of soils, geometrical parameters and physical and technical properties of grouting, theoretical studies, formula for calculating the depth of destruction, columns diameter.

Введение

Технология струйной цементации грунтов в последнее десятилетие получила широкое распространение. Инженерная идея струйной цементации оказалась весьма плодотворной и позволяет весьма эффективно решать как традиционные, так и новые задачи в области подземного строительства [1].

Сущность технологии заключается в использовании энергии высоконапорной струи во-доцементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с раствором. Технология струйной цементации заключается в бурении передовой скважины до проектной отметки (прямой ход). В процессе обратного хода в форсунки (сопла) монитора, расположенного в нижней части буровой колонны, подают под высоким давлением цементный раствор и начинают подъем колонны с одновременным ее вращением. При малом диаметре передовой скважины (112 мм) можно получить грунтобетонные сваи диаметром 500-1500 мм, прочностью от 2 до 10 МПа, с диапазоном грунтов от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов [1-3].

Область применения струйной цементации: укрепление слабых грунтов при строительстве горных выработок, тоннелей и коллекторов, ограждение котлованов в обводненных грунтах, усиление фундаментов при реконструкции и надстройке зданий, повышение устойчивости склонов и откосов и др.

Преимущества технологии струйной цементации: высокая скорость сооружения грунтоце-ментных свай, возможность работы в стесненных условиях (в подвалах, вблизи существующих зданий, на откосах), отсутствие отрицательного влияния на рядом расположенные фундаменты, малый диаметр передовой скважины, из которой получается свая до 1500 мм в диаметре.

Существуют три разновидности технологии [1, 3]. Однокомпонентная технология (Jet 1). Разрушение грунта производят струей цементного раствора под давлением 400-500 атм. Диаметр свай не превышает 600 мм в глинистых грунтах и 700-800 мм в песчаных. Эта технология наиболее проста в исполнении.

Двухкомпонентная технология (Jet 2). Для повышения эффективности разрушения грунта

дополнительно используют сжатый воздух, который удлиняет водоцементную струю. В этом случае диаметр свай в глинах достигает 1200 мм, в песках - 1500 мм.

Трехкомпонентная технология (Jet 3). Этот вариант отличается от предыдущих тем, что водо-воздушная струя размывает грунт с образованием в нем полостей, которые в последствии заполняются цементным раствором. К недостаткам следует отнести сложность технологической схемы, требующей применения тройных штанг и дополнительного оборудования. В данном случае можно получить сваи диаметром 2500 мм.

В настоящей работе рассмотрено использование первого варианта технологии Jet 1. Анализ литературы показал, что в теоретическом плане в [1-4] рассмотрены вопросы устойчивости и прочности созданных свайных конструкций. Экспериментально после вскрытия созданных свай определяют их физико-механические свойства и геометрические параметры. Однако не рассмотрен вопрос теоретического определения радиуса (глубины) разрушения грунта (Rp) при различных технических параметрах воздействия струй на различные по физико-техническим свойствам грунты. А зная Rp, можно определить диаметр сваи, содержание цемента в свае, ее прочность и модуль упругости, что позволяет при проектировании подобрать оптимальную конструкцию и геометрическое расположение колонн.

Общие положения

В настоящей статье теоретически устанавливается радиус (глубина) разрушения грунтов, определяющий диаметр свай, при использовании варианта Jet 1. Проведены численные расчеты радиусов разрушения и диаметров свай в различных грунтах, доказана сходимость результатов расчетов по теоретическим формулам и их сравнением с экспериментальными данными литературных источников.

Механизм действия водоцементной струи, выбрасываемой из сопла, представляется следующим образом. Под действием высокого давления водоцементная смесь (ВЦС) вырывается из сопла. При этом «струя» после выхода из сопла представляет собой «цепочку капелек» водоцементной смеси. Разрыв струи и образование «капелек»

происходит за счет высокого давления в сопле, трения ВЦС о стенки сопла и движения по полуокружности потока воздуха в затрубном пространстве. То есть «цепочка капель» ВЦС как из пулемета «бомбардирует» грунт в различных точках по образующей скважины, что происходит за счет вращения и подъема колонны. Характерным физическим процессом, определяющим глубину разрушения грунта, является процесс соударения «капли» ВЦС с массивом грунта (рис. 1) и создание в грунте напряженно-деформированного состояния. При превышении динамического напряжения от удара «капли» предела прочности грунта на сжатие происходит его разрушение с отделением от массива грунта.

Рис. 1. Схема к расчету радиуса (глубины) разрушения грунтового массива при струйной цементации. 1 - водоцементная смесь, 2 - сопло монитора, 3 - «капля» ВЦС, 4 - затрубное пространство, 5 - зона запредельного деформирования грунта

Радиус (глубину) разрушения грунта можно определить на основе закона сохранения энергии, который в данном случае формулируется так: кинетическая энергия «капли» ВЦС () расходуется на упругопластические деформации полусферического объема окружающего грунта (рис. 1). Иными словами,

Ж = ^,

где Ж - затраты энергии на упругопластические

деформации грунтового массива вблизи образующей скважины.

Кинетическая энергия «капли» ВЦС определена по известной формуле:

= 0,5шу 2,

где т - масса капли;

V - скорость полета капли.

m =2ПГ Р ВЦ ,

где г - радиус капли;

р - объемная масса капли.

Для определения скорости полета капли можно по аналогии воспользоваться формулой, определяющей скорость распространения возмущений в деформируемой среде [5, 6]:

С л0,5

,

у£р.

v —

вЦ J

где Р - давление нагнетания в колонне.

Затраты энергии в деформируемом объеме грунта (рис. 1) определены с использованием [7] и интегральной теоремы о среднем значении функции

W,

yn

1 R -1J

г?J

R G(r )2

2

R J„ 2E 3

-пФR3dR -

a(r)2

12E

пФR3,

где Я - расстояние от образующей скважины до рассматриваемой точки.

Подставляя (4) и (3) в (2), а конечное (5) в (1), решая уравнение, получим формулу для определения напряжения в грунте с расстоянием от образующей скважины.

(r ) =

r8EPr3 ^

G(r

0&R3

Решая (6) относительно R и подставив вместо o(r ) предел прочности грунта в массиве на разрушение Gc, получим формулу для определения радиуса (глубины) разрушения грунта при варианте «однокомпонентная технология» Jet 1

Rp -

8EPr3

V J

Диаметр получаемой сваи из геометрических соображений равен:

Б = 2 Яр + й к,,

где ёскв - диаметр передовой скважины.

Анализ (7) показывает, что с увеличением давления Р, модуля упругости грунта Е и радиуса «капли» г глубина разрушения увеличивается.

С увеличением г, то есть диаметра сопла, Яр возрастает наиболее существенно, однако при этом автоматически уменьшается Р. Р и г - это параметры, с помощью которых можно управлять глубиной разрушения. В наибольшей степени на величину Яр влияет предел прочности массива грунта ос, с увеличением которого глубина разрушения уменьшается.

4

Механика

Для подтверждения достоверности полученной формулы необходимо численное определение Rp при заданных технических характеристиках установки, а также физико-технических свойствах ВЦС и грунтового массива.

Давление нагнетания при однокомпонент-ной технологии Jet 1 составляет 1.. .6107 Па [1, 2], r = 0,8. 1,810-3 м (1,3-10"3 м в среднем).

Объемная сжимаемость или объемная деформация водоцементной смеси определяется по известной формуле [8]. Во время движения ВЦС в сопле наблюдается ее объемное сжатие. Во время вылета из сопла сжатие «капли» сохраняется в радиальном направлении по линии движения. В перпендикулярном направлении происходит релаксация давления. Величину деформации (линейную сжимаемость) «капли» в момент воздействия на поверхность грунта можно выразить формулой

s = ^РЛР ,

где Р - сжимаемость водоцементной смеси;

ЛР - изменение давления нагнетания.

ЛР = Р - Р,

где Ро - атмосферное давление.

Определим сжимаемость водоцементной смеси. Водоцементное отношение (В:Ц) согласно [2] равно 0,8.1,2 (1,0 в среднем). Сжимаемость воды равна 4610-11 Па-1 [9], сжимаемость минералов (глины, песка, мрамора, гранита и т. д.), которые по упругим свойствам примерно соответствуют частицам цемента, составляет 1,4-2,7 10-11 Па-1 (210-11Па-1 в среднем). С учетом изложенного сжимаемость ВЦС можно принять равной 24 10-11 Па-1. Величину S в этом случае можно определить в соответствии с (9) по формуле:

S = 0,62 -10-3

Физико-механические свойства для наиболее распространенных глинистых и песчаных грунтов выбраны из [9-10].

Модуль упругости глинистого массива равен 5.6107 Па, песчаного 4.5106 Па. Прочность на сжатие (сдвиг): глинистый образец -0,05 . 0,1 106 Па, песчаный - 0,002 . 0,06 1 06 Па.

При расчетах необходимо учесть горное давление и его концентрацию вблизи образованной скважины. Величину горного давления вблизи образованной скважины необходимо суммировать с пределом прочности, то есть предел прочности грунта в массиве равен:

= ^ + kpgH,

где Фсж, - предел прочности образца грунта (на сжатие или сдвиг);

к - коэффициент концентрации напряжений в грунте вблизи скважины, к = 2... 3 [6, 10].

Численно величина горного давления на глубине 1 м составляет около 0,04 МПа, на глубине 10 м - 0,4 МПа, что соответствует пределу прочности на сжатие (сдвиг) глинистого или песчаного образца. Следует отметить, что в сыпучих грунтах (галька, пески, супеси) предел прочности массива в основном определяется величиной горного давления.

Численное определение глубины радиуса разрушения грунтового массива проведено при средних численных параметрах. Глинистый массив: Е = 55106 Па, ас = 0,115106 Па, песчаный

массив: Е = 45 106 Па, ас = 0,07106 Па. Р = 4107

Па, г = 1,3 10-3 м, 8 = 0,212. Расчеты дают:

- в глинистом массиве Яр = 0,24 м, В = 0,592 м;

- в песчаном массиве Яр = 0,312 м, В = 0,737 м.

Сравнение полученных численных значений с данными практики [1, 2] указывают на достоверность полученной формулы. Кроме того, в работе [2] приведены экспериментальные данные измерения диаметра колонн в зависимости от давления нагнетания в песчаном массиве. На рис. 2 приведены данные технической литературы [2] и расчетные данные, полученные для песчаного массива.

D,M *

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0

2

1

5 Р,ю:Па

Рис. 2. Зависимость диаметра грунтоцементных колонн (Б) от давления нагнетания (Р) в песчаных грунтах.

1 - экспериментальная [2], 2 - теоретическая

Анализ рис. 2 говорит о сходимости результатов расчетов по формуле (7) и данных эксперимента. Кроме того, автором [1] указано, что при давлении 300-400 атм диаметр колонн практически не изменяется, что подтверждается теоретической кривой на рис. 2. Однако данная физико-математическая модель не полностью учитывает

многообразие процессов, происходящих при струйной цементации грунтов. Поэтому имеется разброс между расчетными данными и данными эксперимента.

Заключение

В настоящей статье предложен теоретический подход при определении радиуса (глубины) разрушения грунтового массива струей ВЦС на основе использования закона сохранения энергии. Получена теоретическая формула расчета Яр, а также диаметра грунтоцементной колонны. Величина Яр зависит от управляемых параметров: давления нагнетания, диаметра сопла, сжимаемости ВЦС. Кроме того, Яр определяется модулем упругости, прочностью грунта и величиной горного давления.

Доказана сходимость полученной теоретической формулы определения Яр и диаметра колонны с экспериментальными данными литературных источников.

Прогнозирование диаметра грунтоцемент-ной колонны обеспечит определение прочности и модуля упругости грунтоцемента, что позволяет при проектировании оптимально подобрать конструкцию и шаг грунтоцементных колонн.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов. Пермь : Пресстайм, 2007. 168 с.

2. Малинин А.Г., Жемчугов А.А., Гладков И.Л. Определение физико-механических свойств грунтоце-мента в ходе натурных исследований. Изв. Тул. гос. ун-та. Сер.: Науки о земле. 2011. Вып. № 1. С.325-330.

3. Засорин М.С. Исследование технологических параметров струйной цементации глинистых грунтовь // Горный журнал. 2011. № 8. С.37-39.

4. Малилин А.Г., Малинин П.А. Ограждение котлованов с помощью технологии струйной цементации грунта // Метро и тоннели. 2004. № 2 С. 53-58.

5. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М. : Технико-теорет. литература, 1957. 523 с.

6. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М. : Недра, 1984. 358 с.

7. Тюпин В.Н. Опасные физические процессы при эксплуатации железных дорог: монография. Чита : Изд-во ЗабИЖТ, 2013. 149 с.

8. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 1. Механика. М. : Физматлит, 2001. 220с.

9. Грунтоведение / под. ред. академика Е.М. Сергеева. М. : Изд-во МГУ,1983. 392 с.

10. Цытович Н.А. Механика грунтов. М. : Высшая школа, 1979. 272 с.