CC BY
4
УДК 624.131.37:622.257.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ РАЗУПЛОТЕННЫХ ОБВОДНЕННЫХ ГРУНТОВ ПРИ КОНСОЛИДАЦИИ ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫМ РАСТВОРОМ
А.Ю. Прокопов, П.Н. Должиков, В.М. Талалаева
Изучен процесс консолидации разуплотненных обводненных суглинков вязко-пластичным раствором в режиме гидрорасчленения. Обоснованы критерии моделирования и конструкция экспериментального стенда. Проведены лабораторные исследования изменения фильтрационных и деформационных свойств грунтов. Экспериментально обоснованы необходимые и достаточные параметры уплотнения разуплотненных грунтов в основаниях фундаментов.
Ключевые слова: грунт, критерии подобия, стенд, инъекция, консолидация, коэффициент фильтрации, деформация, прочность грунта.
Введение
В современных условиях эксплуатации наземных и подземных объектов во многом определяется обводненностью грунтов. Особенно остро эта проблема проявилась при закрытии шахт методом «мокрой» консервации. Повсеместно наблюдается подъем шахтных вод, как по вскрывающим выработкам, так и в зонах трещиноватости коренных и разуплотнения покровных горных пород. Также породные массивы существенно меняют свои физико-механические, деформационные и прочностные свойства, что приводит к аварийным ситуациям на инженерных объектах [1 - 3].
Вопрос стабилизации деформаций грунтов, водоизоляции горных пород ранее рассматривался многими исследователями [4 - 6]. Одним из наиболее эффективных способов воздействия, на обводненный, трещиноватый или дисперсный массив является комплексный метод тампонажа глиноцементным раствором [6]. Данный метод хорошо зарекомендовал себя как при водоизоляции горных пород, так и при их упрочнении. Однако тампонаж обводненных дисперсных пород в регионах закрытия шахт ранее не рассматривался.
Поэтому основной целью работы является установление эффективности напорно-инъекционной консолидации дисперсных грунтов гли-ноцементным раствором.
Методика исследований
В качестве объекта исследований были выбраны четвертичные суглинки, повсеместно залегающие вблизи г. Шахты. Этот город имеет целый ряд зданий на подработанных и подтопленных территориях, что вызывает аварийные деформации в конструкциях [7]. Гранулометрический
состав и инженерно-геологические характеристики суглинков естественного залегания приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Гранулометрический состав суглинка
Содержание фракций, %
Обломочная (>2мм) Песчаная (20,05мм) Пылеватая (0,050,005мм) Глинистая (<0,005мм)
<3 45 37 15
Таблица 2
Физико-механические свойства суглинка
Плот- Объ- Влаж- Число Коэффи- Сцепле- Угол
ность, емная ность, % пластич- циент ние, внутрен-
г/см3 масса ности фильтра- кН/м2 него тре-
скеле- ции, м/сут ния,
та, град.
г/см3
2,60 1,71 22,1 12 0,025 26,5 17
При физическом моделировании напорно-инъекционной консолидации суглинков методика исследований состояла в следующем:
- исследование изменения коэффициента фильтрации разуплотненных обводненных суглинков;
- обоснование конструкции экспериментального стенда;
- изучение закономерностей деформирования консолидированных суглинков;
- определение необходимой степени уплотнения скелета суглинков для повышения прочности и водонепроницаемости.
Результаты исследований
Исследования коэффициента фильтрации разуплотненного суглинка при различном водонасыщении проводили по стандартной методике на приборе ПКФ-01. Серия образцов (6 шт.) с различной объемной массой скелета предварительно готовились.
Испытания суглинка проводились при полном водонасыщении (Бг =0,9-1). Для этого после укладки в рабочее кольцо суглинка его увлажняли расчетным количеством воды, которое определялось по формуле
тВ = К
1 -V
/ Sí
± - ъ
Га
\ / а
где уа - удельная масса сухой породы, г/см3.
Подготовленные образцы для испытаний выдерживали в эксикаторе 2 суток. Затем производились исследования коэффициента фильтрации разуплотненного суглинка с различной исходной объемной массой скелета: от 1,3 до 1,9 г/см3.
По результатам лабораторных исследований установлена зависимость коэффициента фильтрации разуплотненного обводненного суглинка от величины объемной массы скелета, которая приведена на рис. 1. Анализ полученного графика показывает, что консолидация суглинка при уплотнении его скелета более 1,75 г/см3 может обеспечивать его водонепроницаемость достаточную для эксплуатации оснований инженерных объектов.
-1.
К^ хЮ ">/сут
1,5
0,5
<
\
I
г/см3
1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
1,8
Рис. 1. Зависимость коэффициента фильтрации от объемной массы
скелета суглинка
Поэтому для выполнения напорно-инъекционной консолидации суглинков глиноцементным раствором необходимо определить достаточную и необходимую степень уплотнения разуплотненных пород. Таким показателем может служить относительная величина увеличения объемной массы скелета грунта Ду5 /у5.
Для обоснования эффективности применения консолидированного основания использовался метод физического моделирования, позволяющий определять свойства грунта и проводить исследования деформирования искусственного основания с соблюдением основных принципов подобия процессов в грунтовом массиве [9].
При моделировании учитывались основные характеристики и параметры грунта. Исходя из того, что процесс деформирования грунтового массива по глубине представляет собой изменение сжимающих напряжений в зависимости от прочностных характеристик грунтового массива и размеров фундаментов, функция зависимости величины осадки грунта от основных параметров имеет вид:
АН = /(а, Е, Ь, Р, к),
где о - прочность основания, МПа; Е - модуль деформации основания, МПа; Ь - ширина фундамента, м; Р - нагрузка на основание, кг; И - глубина сжимаемой толщи, м.
Следовательно, можно составить систему четырех уравнений размерностей записанных величин. На основе анализа уравнений размерностей и условия независимости переменных были получены критерии подобия процесса консолидации грунта, которые имеют вид:
АН Р Р АН
Л1 = ^Т; Л2 = ■ ,2 ; Лъ = -ТГУ; = ^Г ■
Ь Е-АН а-Ак к
Одним из основных условий физического моделирования является соблюдение геометрического подобия системы. На практике тело затампо-нированного грунтового массива представляет собой неправильную форму близкую к эллиптическому сечению. Равенство для модели и оригинала критериев п1 и п4 позволяет определить линейные размеры модели. Используя в расчетах фактические размеры ширины фундамента здания и величины сжимаемой толщи, получен коэффициент геометрической пропорциональности, который равен Сь = 16. Т. е. на модели сжимаемая толща грунта равна 50.. .60 см.
В основе физического моделирования деформирования обводненных и разуплотненных грунтов лежит способность уплотнения грунта в условиях одноосного сжатия без возможности бокового расширения образца. Исходя из того, что основные процессы деформации грунтов в основании зависят от нагрузки по подошве фундамента, исследование деформационных характеристик грунта выполняются при штамповых испытаниях, что является аналогом фильтрационной консолидации. При этом напряжения в грунте на модели и в натуре должны быть равными, т. к. используется натуральный суглинок.
Для соблюдения динамического подобия и с целью определения нагрузки, действующей на модель, воспользуемся критерием подобия п2 выражающим отношение соответствующей величины в натуре и на модели:
Р.. = Р..
н
г Ь ^2
м
V Ьн у
0,004 - Р.
Для проведения экспериментальных исследований процесса консолидации грунта была разработана конструкция испытательного стен-
да. Стенд изготовлен в виде цилиндра из металлической трубы диаметром 100 мм и высотой 500 мм, сверху и снизу закрываемого крышками и оснащенного перфорированными штампами. Конструктивно стенд устанавливается между прижимными плитами стационарного пресса. К стенду высоконапорным шлангом подсоединяется нагнетательный цилиндр объемом 4 л, связанный с баллоном со сжатым воздухом. В нагнетательный цилиндр заливается глиноцементный раствор, приготовленный в лабораторных глиномешалках. Для измерения вертикальных деформаций образца суглинка на верхнем штампе устанавливают индикаторы часового
Для проведения исследований инъекционной консолидации и деформирования грунта между перфорированными штампами в металлической трубе внизу укладывается скальная подложка, затем, уплотняя слоями, укладывают грунт объемом 3,7 л. На первом этапе исследований выполняется нагнетание глиноцементного раствора плотностью 1,28 г/см3 на контакте скального и дисперсного грунта. При этом фиксируются давление и объем раствора, задаваемые в зависимости от исходной плотности скелета грунта. Режимные параметры инъекции раствора приведены в табл. 3.
Таблица 3
Режимные параметры инъекции глиноцементного раствора
Плотность скелета грунта, г/см3 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
Объем раствора, л 1,17 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2
Давление, МПа 0,55 0,5 0,4 0,35 0,3 0,3
Время, мин 75 60 45 32 20 10
Деформация, % 32 26 21 16 10 5
Консолидированный грунт в стенде выдерживался не менее 2 суток для стабилизации раствора. На втором этапе исследований открывается верхняя крышка и выполняется деформирование суглинка при различных условиях. Абсолютная деформация фиксируется индикаторами. Исследования проводились при влажностях грунта 0,2; 0,25; 0,3. Обобщенные результаты исследований (с погрешностью не более 10 %) деформации консолидированных грунтов приведены в табл. 4 и на рис.2, 3.
—-О 1 г 3
1 ^
= 20 %
< 4
Рис. 2. Зависимость относительной деформации грунта от сжимающей нагрузки при начальной плотности скелета 1,3 г/см3 (1), 1,5 г/см3 (2), 1,8 г/см3 (3)
Таблица 4
Результаты исследований деформирования консолидированного __ суглинка __
Номер об- Плотность Влажность, Напряжение Деформация,
разца грунта скелета грунта, г/см3 д. ед. сжатия, МПа д. ед.
1 1,9 0,2 0,1 0,004
2 0,3 0,008
3 0,5 0,015
4 1,85 0,25 0,1 0,022
5 0,3 0,05
6 0,5 0,07
7 1,80 0,3 0,1 0,05
8 0,3 0,08
9 0,5 0,10
Рис. 3. Зависимость деформации разуплотненного суглинка при сжатии от влажности
Анализ результатов исследований
Сравнение результатов компрессионных исследований разуплотненных и консолидированных грунтов на образцах четвертичных суглинков позволили рассчитать модули деформации грунтов. Например, до и после консолидации грунта, для образца (а) £1=4,9 МПа; Е2=9,1 МПа; для образца (б): Е1=37,1 МПа; £2=41,2 МПа. Следовательно, экспериментально доказано, что происходит увеличение значения модуля деформации консолидированных грунтов по сравнению с исходными в 1,5-1,8 раза.
Как показывает практика [10, 11], степень разуплотненности минерального скелета грунта может изменяться в значительных пределах в зависимости от инженерно-геологических условий. Был проанализирован наиболее часто встречаемый ряд суглинков с исходной объемной массой скелета Ус.исх=1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8 г/см3, что позволило определить и проанализировать соответственно шесть зависимостей Кф = /(ус). На основании результатов исследований были определены величины и построена диаграмма распределения приращений объемной массы скелета грунта для обеспечения его водонепроницаемости и устойчивости при фильтрационной консолидации (рис. 4).
1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 У5,г/см3
Рис. 4. Распределение абсолютного (1) и относительного (2) прироста объемной массы скелета грунта при его консолидации
Выводы
Анализ результатов исследований позволяет сделать выводы о том, что уменьшение объемной массы скелета суглинка всего на 0,3...0,4 г/см3 приводит к увеличению коэффициента фильтрации в 10 раз. При этом деформируемость суглинков в зависимости от влажности увеличивается в 17 - 21 раз. Экспериментально установлено, что при инъекционной консолидации глиноцементным раствором в практических условиях приращение объемной массы скелета суглинка составит не более 0,45.0,5 г/см3. При-
чем для достижения прочности и водонепроницаемости разуплотненного суглинка достаточно увеличить плотность его скелета на 35...45% при ус.исх= 1,3.1,4 г/см3, на 20.25 % при ус.исх= 1,5.1,6 г/см3 и на 5.10 % при ус.исх=1,7. 1,8 г/см3. Даже при влажности близкой к границе текучести деформация консолидированного суглинка не превысит 8.10 %.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными компьютерного моделирования и могут быть использованы при проектировании тампонажа разуплотненных грунтов при реконструкции оснований фундаментов зданий в шахтерских городах и поселках.
Список литературы
1. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Легостаев С.О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-принт», 2020. 290с.
2. Качурин Н.М. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 1. С. 170-181.
3. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Сычев И.В. Реконструкция фундамента и основания аварийного здания на подработанной гидроактивизи-рованной территории. // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2022. С.241-250.
4. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Буро-инъекционная технология упрочнения оснований фундаментов: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-принт». 2019.174 с.
5. Хямяляйнен В.А., Митраков В.И., Сыркин П.С.. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок. М.: Недра.1996. 352с.
6. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт: учеб. пособие / Э. Я. Кипко [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Днепропетровск: Национальный горный ун-т, 2004. 367 с.
7. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Талалаева В.М. Анализ гидроактивизации массива горных пород при подтоплении Шахтинского угольного района // Сб. науч. тр. 14-й Междунар. науч.-техн. конф. «Перспективы развития строительных технологий». Днепр: НТУ «ДП», 2020. С. 16-21.
8. Должиков П.Н., Прокопов А. Ю., Акопян В. Ф. Foundation Deformations Modeling in Underworking and Hidroaktivted Rocks. International Scientific Conference Energy Managmentof Municipal Transportation Facilities and Transport. EMMFT-2017. Vol 692. Р. 647-654. .
9. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. М.: Недра, 1978. 256 с.
10. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Талалаева В.М. О фильтрационной консолидации обводненных суглинков в зонах разуплотнений // Сб. научн. тр. «Инновационные технологии в строительстве и управление техническим состоянием инфраструктуры». Ростов-на-Дону: РГУПС, 2020. С. 109-113.
11. Должиков П.Н., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Исследование деформационно-прочностных свойств грунтов, армированных буро-инъекционными сваями // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С.221-228.
Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72 aramhler.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., dolpnayandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Талалаева Виктория Михайловна, ассистент, victoryHHtagmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
INVESTIGATION OF THE DEFORMATION OF DECONSOLIDATED WATERED SOILS DURING CONSOLIDATION WITH A VISCOPLASTIC SOLUTION
A.Yu. Prokopov, P.N. Dolzhikov, V.M. Talalaeva
The process of consolidation of decompacted watered loams with a viscoplastic solution in the mode of hydrodissection has heen studied. The criteria for modeling and the design of the experimental stand are substantiated, laboratory studies of changes in the filtration and deformation properties of soils are carried out. The necessary and sufficient parameters of compaction of decompacted soils in the bases of foundations are experimentally suhstantiat-ed.
Key words: soil, similarity criteria, stand, injection, consolidation, filtration coefficient, deformation, soil strength.
Prokopov Albert Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, prokopov 72a ramhler.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Dolzhikov Petr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dolpnayandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Talalaeva Victoria Mikhailovna, assistant, victoryHHt@gmail.com, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
Reference
1. Dolzhikov P.N., Pronsky D.V., Legostaev S.O. Grouting and laying works in the regions of mine closure. Monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-print", 2020. 290s.
2. Kachurin N.M. Geomechanical and aerogasodynamic consequences of mining areas of mining branches of the mines of Eastern Donbass // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue 1. pp. 170-181.
3. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Sychev I.V. Reconstruction of the foundation and foundation of an emergency building on a part-time hydroactivated territory. // Proceedings of Tula State University. Earth sciences. Issue 1. 2022. pp.241-250.
4. Dolzhikov P.N., Zbitskaya V.V. Drilling-injection technology of strengthening the foundations of foundations. Monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-print". 2019.174 p .
5. Khamalyainen V.A., Mitrakov V.I., Syrkin P.S.. Physico-chemical strengthening of rocks during the construction of workings. M.: Nedra.1996. 352s.
6. Complex method of grouting in the construction of mines: studies. manual / E. Y. Kipko [et al.] // 2nd ed., reprint. and add. Dnepropetrovsk: National Mining University, 2004. 367 p.
7. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Talalaeva V.M. Analysis of hydroactivation of a rock mass during flooding of the Shakhtinsky coal district // Collection of scientific tr. 14th International Scientific-technical conf. "Prospects for the development of construction technologies". Dnipro: NTU "DP", 2020. pp.16-21.
8. Dolzhikov P.N., Prokopov A. Yu., Akopyan V. F. Foundation De-formations Modeling in Underworking and Hidroaktivted Rocks. International Scientific Conference Energy Managmentof Municipal Transportation Facilities and Transport. EMMFT-2017. Vol 692. p. 647-654. .
9. Nasonov I.D. Modeling of mining processes. M.: Nedra. 1978. 256 p.
10. Dolzhikov P.N., Pronsky D.V., Talalaeva V.M. On filtration consolidation of watered loams in decompression zones // Collection of scientific tr. "Innovative technologies in construction and management of the technical condition of infrastructure". Rostov-on-Don: RSUPS.2020. pp. 109-113.
11. Dolzhikov P.N., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Investigation of deformation and strength properties of soils reinforced with drill-injection piles // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 4. pp.221-228.
