Изменение физических свойств грунтового массива при высоконапорной инъекции Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© О.В. Герасимов, С.М. Простов, В.А. Хямяляйнен, 2008

УДК 624.131.32: 522.267

О.В. Герасимов, С.М. Простое, В.А. Хямяляйнен

ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВОГО МАССИВА ПРИ ВЫСОКОНАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ

Семинар № 3

Технология высоконапорной инъекции (ВНИ) неустойчивых песчано-глинистых грунтов в основаниях горнотехнических, промышленных и гражданских объектов включает следующие основные операции: частичный гидроразрыв закрепляемого слоя связных грунтов; заполнение образовавшейся полости специальным цементно-песчаным раствором; уплотнение зоны инъекции опрессовкой. После твердения смеси грунта с раствором образуется новый инженерно-геологический элемент массива, существенно повышающий его несущую способность [1].

Для инъекции используется замкнутая рабочая система "ресивер 2 -рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15', созданная в технологической цепи установки (рис. 1).

После заполнения рабочей емкости 3 водным или закрепляющим растворами (из баков 4 или 5) путем активизации или закрытия соответствующих кранов образуется замкнутая начальная система "ресивер 2 - рабочая емкость 3". В этой системе создается достаточно большое начальное давление Р0 (1-2 МПа), превышающее прочность массива, затем после разрушения тарированной мембраны и превращения начальной системы в новую (рабочую) систему "ресивер 2 -рабочая емкость 3 - трубопроводы 14 - инъекторы 15' происходит по-

ступление раствора в массив. Одновременно давление в системе падает и в конечном итоге стабилизируется на уровне, соответствующем давлению гидроразрыва Ркр. Далее при этом или несколько меньшем давлении осуществляется инъекция до поступления в грунт заданного объема раствора. Тем самым реализуется безразрывное поступление раствора, при котором происходит требуемое увеличение размера инъекционной полости, а некоторые неконтролируемые утечки раствора за пределы полости имеют существенно меньшие объемы.

Пространственно-временные изменения свойств грунтов, подверженных ВНИ цементно-песчаных растворов, определяются геомеханическими и гидродинамическими процессами, происходящими в зоне обработки.

С момента подачи инъекционного давления в массиве развиваются процессы дезинтеграции, представляющие собой локальное гидрорасчленение, расслоение грунтов естественного залегания, заполнение пор укрепляющей смесью. Данные процессы приводят к временному ослаблению грунтового массива. Обобщение экспериментальных данных, приведенных в работе [2], позволило установить следующий вид зависимости модуля деформации Е от общей пористости Р:

Рис. 1. Схема установки для осуществления высокона-

порной инъекции (а), графики изменения давления Р и расхода раствора д во времени і (б): 1 - компрессор; 2 - ресивер; 3 - рабочая емкость; 4 - бак для суспензии; 5

- бак для укрепляющего раствора; 6-12 - краны; 13 - тарированная хрупкая мембрана; 14 - трубопроводы; 15 - инъек-торы

Е = Ео(1 - аР/, (1)

где Е0 - значение Е при естественном залегании грунтов; а - показатель, характеризующий форму порового пространства, изменяющийся в диапазоне а = 1,5-4 в зависимости от соотношения длины пор к расстоянию между ними; Ь - показатель, зависящий от концентрации напряжений в порах, Ь = 1-2.

Влагонасыщение грунтов приводит к снижению их прочностных параметров. Зависимость между сцеплением С глинистых грунтов и их объемной влажностью Ш имеет вид

Лр

1д С = ■

(2)

1 + Ш

где А - показатель, зависящий от подвижности насыщающей жидкости, гидрофильности и адсорбционной способности частиц породы, А = (2...6)-10-4, см3/г; В - постоянная, определяющая естественные свойства грунта; р- плотность, г/см3.

Изменение агрегатного состояния цементного раствора, состоящее в переходе от жидкого состояния к гелеобразному и твердому, химические преобразования в упрочненной среде приводят к монотонному увеличению прочностных показателей массива. Сцепление С образованного цементного камня достигает 10 МПа и более на 30-е сутки набора прочности в за-

висимости от густоты цементного раствора (объемного отношения цементной и водной составляющих Ц:В) (рис. 2) [3].

Прочность укрепленной породы при сжатии ссж определяют в соответствии с паспортом прочности:

2соэф

с

= С-

1 - БІП ф

(3)

где р - угол внутреннего трения, изменяющийся при водоцементном соотношении от 3:1 до 1:2 в диапазоне р = 22-26°.

Конечная прочность стуж укреп-

ленного массива зависит от соотношения соответствующих показателей породы в естественном состоянии и цементного камня [3]:

сту = (ст -стп ) тк + стп , (4)

сж \ сж сж / сж * ' '

где стсж - предел прочности породы в естественном состоянии; т - коэффициент пористости; к - эмпирический показатель, изменяющийся в диапазоне к = 1,07-2,39.

Характерные графики набора прочности укрепленных цементным раствором илистых грунтов при различных естественной влажности Ш и температуре Г приведены на рис. 3 [4].

Взаимосвязь акустических параметров грунтового массива как многокомпонентной среды определяется

а

б

С, МПа

Рис. 2. Зависимость сцепления С цементного камня от срока твердения Ь: 1 - Ц:В =

1:2; 2 - 1:1; 3 - 1:0,5; 4 -1:0,33

Таблица 1

Основные акустические параметры компонентов пористых влагонасыщенных грунтов

Фазовая компонента и 0 при / = 102 кГц, м-1

Воздух Вода Твердая фаза 330 1480 3500-4500 0,124 0,0085 0,001-0,003

значительным различием скорости продольной волны Ур и коэффициента поглощения 0 для газа (воздуха), воды и твердого вещества горной породы (табл. 1) [2].

С учетом значений общей пористости, приведенных в справочнике [5], количественная оценка дает следующие диапазоны изменения акустических параметров: полное заполнение пор укрепляющим раствором

приводит к повышению величины Ур и уменьшению 0 на 30-50 %; твердение порозаполняющей жидкости дает дополнительное увеличение Ур и уменьшение 0 на 40-60 %.

Зона распространения цементного раствора от нагнетательной скважины представляет собой участок грунтового массива, аномальный по удельному электросопротивлению (УЭС). По данным целого ряда исследований в области электроразведки УЭС увлажненного пористого грунта, сложенного глинистым материалом в пределах геологических отложений ограниченного региона, можно представить, пренебрегая изменчивостью поверхностной проводимости пор и извилистостью коллекторов порового пространства, следующей зависимостью [6]:

р = тШ где т

(5)

гу

МПа

, МПа

Н Рв К) ,

- коэффициент пористости грунта; - коэффициент влагонасыщения порового пространства; рв - УЭС влаги, заполняющей поры; К - концентрация раствора;

Рис. 3. Зависимости прочности <СТж укрепленных цементацией илистых грунтов от времени Ь: 1 - Ш = 53,5 %;

2 - 110,3 %; 3 - 185 %; 4 - 1° = 18-20 С; 5 - 10-11 С; 6 - 2 С

Таблица 2

Прогнозные значения структурных параметров Р и у

У 00 о II 1 |^г «= £ со о в 'Є 2,6 1,80 2,41 3,23 00 со 4,46

2,2 1—1 СЧЇ н 1,82 2,64 2,89 3,09

т-Н 0,62 1,23 о 2,30 О 1л счГ

р N а а к у сч о и 'Є 2,6 1,27 1,84 2,60 2,83 3,02

2,2 0,79 1,36 2,11 2,35 2,53

00 1—1 0,30 0,87 1,62 1,86 2,04

00 о и 5 і^Е ! г « о II 'Е 2,6 1,72 2,32 3,13 3,34 3,53

2,2 1,15 т-Н 2,51 2,77 2,95

00 і—Г 0,59 1,18 1,96 2,20 О сч

со 10 ю см ІО г—I т-Н

в, у- эмпирические параметры, зависящие от структурно-текстурных особенностей исследуемых грунтов. Параметр в зависит от структуры по-рового пространства и изменяется для уплотненных несвязных грунтов в диапазоне в = 1,3-2,2, параметр у определяется степенью смачиваемости поверхности твердой фазы, у = 1,8-3,5. Для аналитической оценки данных параметров использованы реальные диапазоны р / рв, полученные при геоконтроле увлажненных пород, а также усредненные значения физико-технических параметров т и для глинистых грунтов Кузбасса, приведенных в [5] (табл. 2).

Приведенные данные могут быть использованы для оценки пористости и влажности грунтов по результатам электрофизических измерений.

Из уравнения (5) следует, в частности, что основным фактором, определяющим уровень р, является электропроводящие свойства природных и технических растворов, заполняющих поры и пустоты укрепляемого грунтового массива. В процессе инъекции укрепляющего раствора происходит вытеснение и замещение естественного минерализованного заполнителя пор.

В лабораторных условиях было исследовано УЭС раствора поваренной соли ЫаС1, играющего роль электрически контрастного вещества при приготовлении цементных смесей, а также растворов веществ, служащих для ускорения твердения, увеличения пластичности и прочности цементногрунтового камня:

хлористого кальция СаС12, "жидкого стекла" На28Ю3, хлористого железа РеС13, ортофосфорной кислоты

Н3Р04. Концентрацию растворов К изменяли от 0,1 до 10 г/л (для "жидкого стекла" - от 1,0 до 1,3 г/см3, хлористого кальция - до 100 г/л). Ве-

личину К определяли методом взвешивания.

Результаты измерений приведены на рис. 4.

Из полученных графиков следует, что в пределах исследуемого диапазона концентраций К величина рв монотонно снижается с увеличением К, причем максимальное изменение рв составляет 100-300 раз. Увеличение частоты / не дает заметного расширения диапазона изменения рв, поэтому целесообразно применять при геофизическом контроле постоянный или низкочастотный (/ < 500 Г ц) переменный ток. Исследуемая зависимость может быть аппроксимирована гиперболической или степенной с отрицательным показателем:

Рв =Рв0 (К / К ) К , (6)

где рв0 - значение УЭС, соответствующее начальной концентрации К0

= 0,1 г/л; к - эмпирический параметр.

Полученные результаты показывают, что подбором концентрации рабочего раствора или добавлением в него нейтральной соли можно обеспечить электрическую контрастность (отличие по УЭС от естественного уровня не менее, чем на 50 %) зоны инъектирования.

Для обоснования применения электрофизических методов при контроле процессов набора прочности укрепленым массивом проведены лабораторные исследования изменения УЭС песчаных и глинистых грунтов, обработанных укрепляющими цементными растворами, а также раствором "жидкого стекла" На2ЗЮ3 с различной концентрацией и рецептурами, включая применение добавок, обеспечивающих ускорение твердения смеси, повышение ее прочности и пластичности.

На рис. 5 приведены изменения в течение 1100 часов относительного значения УЭС увлажненной цементно-песчаной смеси (П:Ц = 3:1) и песчано-глинистой смеси (П:Г = 3:1), насыщенной разбавленным раствором На2ЗЮ3, для снижения начального УЭС раствора р0

в него добавляли нейтральную соль ЫаС1 с концентрацией от 0,1 до 10 г/л. Измерения показали, что во всех случаях наблюдается монотонное увеличение р по мере твердения

Рис. 4. Зависимости УЭС природных и укрепляющих растворов от концентрации К на постоянном (а), переменном / = 500 Гц (б), / = 200 кГц (в) и для N028103 (г): 1 - СфСд2ж 2 - АуСд3ж 3 -ТфСдж 4 - Н3Р04ж 5 - а = 0ж 6 - а =500 Гцж 7 - а =200 кГц

1001

10

0,2

кх \ \ \ 1 N 1 "ч \,1 ч. \

У\,3 »ч 2 V

**•..

1001

10

1 \

г.. Ч\ V*. > ^2 1 /

3 ч_

1 10 К, г/л

Рв, Ом■ м__________________________в

1 10 К, г/л

г

100

10

1

0,2

10

\\\ V ^ у\ у1

1

0,1

1 10 К, г/л 1 11 12 Кг/см3

а

1

р/р

0

20

Р/Р

0

Л'У’"" /0 —

♦♦ 3 50 0

у ■„■ст. 1

200

100

0

/

0

8

4

0

1

/

0

20

„3-

2-.-

ч

/

0

-

А 3

е

> \ 33 ■ 1 : 1 ■ » ■■ •••'** • к

1

200 400 600 800 1000 1, ч

Рис. 5. Графики относительного изменения УЭС при наборе прочности для цементно-песчаной смеси (П:Ц=1:3) (а, б, в), глинопесчаной смеси, укрепленной "жидким стеклом" (1,05 г/см3) (г, д, е), без добавок (а, г), с добавкой поваренной соли (0,1 г/л) (б, д) и 10 г/л (в, е): 1 - на постоянном токе; 2 - на низкочастотном переменном токе, 500 Гц; 3 - на высокочастотном переменном токе, 100 кГц

смеси, введение добавки ЫаС1 в отдельных случаях увеличивало диапазон изменения р в пределах 2 порядков (рис. 5, б). При повышении концентрации раствора К > 2 г/л диапазон повышения УЭС при изменении фазового состояния раствора снижается.

Введение в состав раствора специальных добавок изменяет как уровень а

С, МПа

- '

/

1 1

р, так и характер графиков р / р0(^): диапазон изменения р снижается на 10-300 %, существенно снижается нелинейность графиков р / р0(^). Таким образом, увеличение УЭС укрепленного песчаного или глинистого грунта однозначно связано с изменением физического состояния смеси, б в

Ъсжс, МПа

1\^'

// // /

12

3

6 Р/Р0 0

1,5

3 Р/Рд

0

Рис. 6. Зависимости изменения механических параметров С и осж зацементированных образцов от изменения УЭС на постоянном токе (а), / = 500 Гц (б) и / = 100 кГц (в): 1 - С; 2 - осж

а

г

а

б

в

0

6

что позволяет, измеряя р реального участка массива, прогнозировать физико-механические свойства грунтов без прямых механических испытаний. Данный метод геоконтроля предполагает проведение предварительных исследований электрических и механических параметров массива на различных стадиях закрепления и установление взаимосвязи между ними. В качестве примера подобных взаимосвязей на рис. 6 представлены графики зависимостей сцепления С и прочности при одноосном сжатии осж от относительного изменения УЭС для зацементированных образцов, полученные по результатам лабораторных исследований.

Выводы

1. При высоконапорной инъекции цементосодержащих растворов в не-

1. Богомолов Б. А. Способ закрепления грунтов в основании деформированных зданий и сооружений / Б. А. Богомолов, Б.Б. Лушников, О.Б. Герасимов // Вопросы инженерно-геологических, инженерно-экологических и инженерно-геодезических изысканий в Уральском регионе: М-лы науч,-техн. семинара. - Екатеринбург, 2000. - С. 68-69.

2. Ржевский Б.Б. Основы физики горных пород / Б. Б. Ржевский, Г. Я. Новик. -М.: Недра, 1984. - 359 с.

3. Хямяляйнен Б.А. Формирование цементационных завес вокруг капитальных горных выработок / Б. А. Хямяляйнен, Ю.

устойчивые грунты происходит существенное изменение пористости, влажности, упругих и прочностных свойств массива. Для контроля данных физических процессов необходимо наряду с прямыми лабораторными исследованиями образцов грунтов проводить натурное опробывание грунтов методами пенетрации и зондирования, а также геофизического мониторинга.

2. Значительные диапазоны изменения акустических и электромагнитных параметров грунтов в зоне высоконапорной инъекции свидетельствуют об эффективности комплексного контроля на различных технологических стадиях. При разработке методик одно- и многопараметрового контроля следует использовать информационные критерии.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Б. Бурков, П. С. Сыркин. - М. : Недра, 1994. - 400 с.

4. Хямяляйнен Б.А. Физико-химическое укрепление пород при сооружении выработок / Б. А. Хямяляйнен, Б. И. Митраков, П. С. Сыркин. - М.: Недра, 1996. - 352 с.

5. Штумпф Г. Г. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна: Справочник / Г. Г. Штумпф, Ю. А. Рыжков, Б. А. Шаламанов, А. И. Петров.

- М.: Недра, 1994. - 447 с.

6. Дахнов Б.Н. Электрические и магнитные методы исследования скважин.- М. : Недра, 1981. - 344 с. ШИЗ

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

Герасимов О.Б. - аспирант,

Простов С.М. - доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики,

Хямяляйнен Б.А. - доктор технических наук, профессор, первый проректор,

ГУ КузГТУ.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.Л. Шкуратник.