Изучение процессов укрепления неустойчивых грунтов оснований сооружений сейсмическим методом Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 624.131.5: 624.131.32

О. В. Герасимов, С. М.Простов

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ УКРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Акустические свойства пористых влагонасыщенных грунтов весьма информативны по отношению к процессам, сопровождающим переход порона-сыщающей жидкости в твердое состояние. Так, при замораживании водонасыщенных глин величина скорости продольной упругой волны возрастает в 1,3 раза, для суглинков и супесей это увеличение составляет 1,7-2,0, а для песков достигает 8-10 раз. Данная закономерность, в частности, использовалась в метростроении для контроля процессов возведения подпорной стенки путем двухрядного замораживания грунтов на глубину до 18 м [1]. При выщелачивании и тампонаже закарсто-ванных зон на месторождениях калийной соли диапазоны изменения скорости продольных волн составил Ур = 1380...2700 м/с, а коэффициента затухания -ар = 0,05...0,24 [2].

Параметры акустических колебаний функционально связаны с упругими характеристиками горных пород: модулями упругости Е, сдвига С, всестороннего сжатия К, коэффициентом Пуассона /Л [3]. Песчано-глинистые грунты представляют собой дисперсные многокомпонентные системы. Экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что физико-механические свойства грунтов в естественных условиях могут с достаточной степенью надежности определяться через соотношения скоростей продольных Ур и поперечных У3 волн с помощью статистических зависимостей, общий вид которых приведен в табл. 1. [4]{а1- а¡2 - эмпирические постоянные).

Приведенные выше результаты являются физической ос-

новой для количественного контроля и прогнозирования изменения прочностных и упругих свойств упрочненных грунтов. Решение данной задачи весьма актуально, поскольку применение геофизических методов (электромагнитных, радиометрических, акустических, тепло-физических и др.) при геоконтроле процессов инъекционного укрепления грунтов в большинстве случаев ограничивается установлением факта проникновения упрочняющего раствора в поры грунта, определением геометрических параметров зон инъекции, качественной оценкой процессов консолидации массива.

С целью расширения возможностей сейсмического геоконтроля были проведены натурные комплексные исследования при укреплении грунтов основания сооружения методом

высоконапорной инъекции. Инженерно-геологические изыскания на объекте проведены ОАО "КузбассТИСИЗ", инъекционное укрепление грунтов и геофизические исследования -ООО "НООЦЕНТР-Д".

Геологическое строение изучаемого массива на глубину исследований представлено сверху вниз.

Слой 1 (¡(¿¡у) - современные техногенные отложения, пред-

ставленные насыпным грунтом из слежавшейся смеси суглинка, почвы, строительного мусора в виде обломков кирпичей, кусков бетона общей мощностью от 1,5 м до 3,2 м. На период изысканий сезонное промерзание составило от 0,5 м до 1,8 м, далее грунт от влажного до во-донасыщенного состояния.

Слой 2 (рг(£и1) - верхнечетвертичные покровные отложения, представленные суглинками пылеватыми бурого цвета, непросадочными, макропористыми, средней плотности, преимущественно тугопластичной консистенции, интервалами с включением карбонатов, слабо ожелезненными. Мощность слоя 4,9-5,7 м.

Слой 3 (рг(Цш) - суглинки пылеватые серовато-бурого цвета, с прослойками и линзами песка, водонасыщенные от мяг-копластичной до текучепла-

стичной консистенции. Мощность слоя от 2,0 м до 6,6 м.

Слой 4 (а&гш) - средне-верхнечетвертичные отложения, представленные пылеватыми темнобурыми до коричневых суглинками с прослойками и линзами обводненного песка, с включением незначительного количества мелкой гальки, с примесью органических веществ в виде слабой заторфо-ванности и остатков мелких

Таблица 1

Корреляционные зависимости между механическими и акустиче-_скими свойствами грунтов_

Механический параметр Уравнение

Модуль деформации Ел=а1Ур+а2К+аЗ

Сцепление С = а4-а5 Ур/У8

Угол внутреннего трения (р = а6-а7 Ур/У8\ 9 = - ад)'1 + а10

Объемный вес У = а11^ + а12

А Скв-1

<Э

Скв-!

ТА AAA ЖАТ

СЗ-2

СЗ-1 ТААААА4Г

▼AAAA ЛАТ

сз-з

• • • • • a t •• • • • • • • ► • • • • ••• ••••••••

67000

А

СТЗ-2

Рис. 1. Схема опытного участка Т ▲ ▲ А ▲ ▼ установки сейсмического зондирования СЗ-1, СЗ-2, СЗ-З; Т - пункт возбуждения колебаний; ▲ - пункт приема колебаний ПК; • - инъекторы; © - инженерно-геологические скважины Скв-1, Скв-2; А - точки статического зондирования СТЗ-1, СТЗ-2

х^шгБУ- А*> Н-700

^СК + Б~

Рис. 3. Годографы продольныхУ5 и поперечныхУр волн на участке ТСЗ-З до закачки раствора (а), через 2 сут после закачки (б), через 34 сут (в), через

62 сут (г)

Рис. 2. Схема установки сейсмозондирования с использованием станции "Поиск1-6-12 АСМ ОВ":+ Б - аккумуляторы 5-НКН-45; ▲ - пункт приема колебаний ПК, приемники СВ-30; V - пункт возбуждения колебаний; БУ - блок усилителей; Н-700 - светолучевой осцилограф; СК - соединительный кабель

ракушек, сильно ожелезненных, от мягкопластичной до текуче-пластичной консистенции по лабораторным определениям и

от полутвердой до тугопластич-ной консистенции по визуальным определениям. Эти суглинки представляют пойменную

фацию аллювиальных отложений третьей надпойменной террасы р. Томь. Вскрытая мощность слоя до 2,6 м.

Гидрогеологические условия площадки характеризуются наличием порового горизонта грунтовых вод в насыпных грунтах слоя 1 и покровных суглинках слоя 3, проявляющегося в виде высокой степени водонасыщения и безнапорного малодебитного горизонта грунтовых вод в суглинках пойменной фации аллювиальных отложений.

Анализ показателей физико-механических характеристик грунтов, представленных в табл. 2, позволяет сделать следующие выводы:

- на момент проектирования и строительства сооружения наличие грунтов меньшей влажности с высокими значениями прочностных и деформационных характеристик позволило применить ленточный фундамент;

- при эксплуатации сооружения происходили неоднократные влагонасыщения основания, что привело к изменению характеристик грунта в сторону их снижения и явилось причиной деформаций фундамента и несущих конструкций.

С целью управления свойствами грунтов неустойчивого основания и предотвращения интенсивных осадок конструкции было проведено укрепление методом высоконапорной инъекции цементно-песчаных растворов. Сущность технологии состоит в закачке цементно-песчаной смеси в массив через инъекторы под давлением 0,6-1,5 МПа. На начальной стадии инъекции происходит отжим и гидрорасчленение глинистых грунтов с образованием искусственных полостей. Затем осуществляется заполнение этих полостей укрепляющей смесью и ее уплотнение [5].

На всех стадиях укрепительных работ проводился контроль состояния и свойств грунтов комплексом методов: опре-

деление свойств отобранных образцов в лабораторных условиях; полевые статические зондирования тензометриче-ским устройством; геофизический мониторинг. Схема опытного участка приведена на рис. 1.

Сейсморазведка проводилась методом преломленных волн в виде отдельных точек сейсмозондирований (ТСЗ) с получением встречных годографов и регистрацией скоростей продольных Vp и поперечных Vs волн. Измерения проводили сейсмической станцией "Поиск-1-6-12 АСМ ОВ" с использованием 6 и 12 каналов. При регистрации продольных волн применяли сейсмо-приемники СВ-30, поперечных - СГ-10, шаг измерений при зондировании составлял 2 м. При регистрации продольных волн сейсмоприемники устанавливали вертикально в ямках глубиной 0,1-0,3 м, возбуждение колебаний осуществляли путем вертикального удара ручным тампером (кувалдой массой 25 кг) по специальной подставке (система Z-Z). Для повышения эффективности удара в области падения груза снимался верхний рыхлый слой грунта до 0,3 м. Регистрация поперечных волн осуществлялась при ориентации сейсмо-приемников и направления удара перпендикулярно профилю (система Y-Y). Поперечные волны возбуждались путем нанесения горизонтально направленного удара по вертикальной стенке специально вырытой ямки глубиной 0,3-0,5 м. Регистрация колебаний производилась с помощью светолучевого осциллографа Н-700 на фотобумагу. Схема установки приведена на рис. 2.

Таблица 2

Глубина отбора, м № ИГЭ Гранулометрический состав, % Природная влажность W Плотность грунта р, г/см3 Коэффициент пористости е Модуль дефформации, Ел, МПа Угол внутреннего трения (р, град

Песок Пыль Глина

2,0 2 0,25 1,87 0,81 3,3 18

3,0 2 11,5 67,9 20,6 0,30 1,86 0,89 19

4,0 2 12,0 73,3 14,7 0,31 1,90 0,86 3,8 20

5,0 2 0,24 1,96 0,71

6,0 2 0,24 1,96 0,71 3,4

3,0 2 0,23 1,94 0,71 5,2

4,0 2 13,3 ! 70,4 16,3 0,22 1,96 0,68 3,3 21

5,0 2 0,25 1,94 0,74 5,2 19

6,0 2 12,3 72,5 15,2 0,24 1,97 0,69 2,8

7,0 2 0,24 1,94 0,72 22

7,0 3 14,7 70,6 14,7 0,32 1,94 0,84 2,1 17

8,0 3 18,6 64,6 16,8 0,28 1,96 0,76 17

9,0 3 0,28 1,96 0,76 2,8

10,0 3 22,9 59,2 17,9 0,27 1,99 0,72

4,0 3 13,7 70,0 16,3 0,31 1,87 0,88

5,0 3 17,5 63,5 19,0 0,30 1,86 0,89 2,7

6,0 3 0,25 1,99 0,70 19

7,0 3 0,26 1,97 0,72 2,9

8,0 3 18,8 66,0 15,2 0,27 1,98 0,73 3,3 21

9,0 3 0,27 2,03 0,69 3,6

8,0 3 9,9 74,9 15,2 0,29 1,94 0,79 2,1 20

9,0 3 19,9 64,9 15,2 0,27 2,01 0,70

11,0 4 17,5 67,3 15,2 0,41 1,82 1,08 2,5 18

12,0 4 0,37 1,83 1,01

10,0 4 0,37 1,85 0,99 3,4 20

11,0 4 16,6 66,0 17,4 0,30 1,88 0,86

12,0 4 14,4 67,6 17,9 0,27 1,93 0,77 19

10,0 4 18,8 66,0 15,2 0,28 1,96 0,76 2,2 22

12,0 4 15,5 63,9 20,6 0,29 1,95 0,78

При обработке экспериментальных данных сначала производили корреляцию (определение времени первых вступлений волны путем сопоставления формы колебаний), затем были построены годографы продольных и поперечных волн для серии наблюдений от исходного состояния массива до 62 сут с момента закачки раствора (рис.

3).

Для расчета геосейсмического разреза применяли способ средних скоростей, согласно которому вычисляли кажущиеся скорости преломленных волн V}

и глубины расположения преломляющих границ hi'.

АГ;

Vt =

At:

(1)

К =

tmv<v<

i+1

(2)

2<]VM-Vi3

где Axi - интервал годографа, м; Ati - приращение момента времени прихода волны, с; toi -ордината касательной на пересечении с осью t годографа, с.

Вычисление скоростного разреза проводили по формуле Кондратьева [4]:

Таблица 3

Физико-механические свойства грунтового массива__

Глубина z, м Плотность грунта в естественном залегании р, г/см3 Ел, МПа v/vs К, м/с Ен, МПа

6 1,69 0,70 1,8 420 7,85

4 1,74 0,37 1,55 340 4,75

5 1,76 0,62 1,8 375 6,65

5 1,65 0,50 1,7 385 6,35

4 1,63 0,42 1,5 355 4,65

8 1,66 0,71 1,5 475 8,40

6 1,79 0,50 1,51 360 5,30

4 1,69 0,31 1,52 285 3,05

5 1,71 0,33 1,47 330 4,05

4 1,76 0,42 1,46 370 5,05

5 1,80 0,56 1,55 390 6,35

8 1,75 0,71 1,6 455 8,80

Vi(zi) = xix

i

следует, что при твердении укрепляющей цементной смеси

-0,0072 у¿ + 0,1574 rj¡ - 0,1446,происходит увеличение скоро-

где rji =

Vih

X

X

l'

(3)

zi ■

координаты.

По результатам сейсмических исследований определяли динамический модуль упругости грунта в натурных условиях

Ен =0,00103p¡

[ур/у5У-1

(4)

где р - плотность грунта в естественном залегании, т/м3.

При обработке использовалась построенная на основе формулы (4) номограмма (рис.

4).

Результаты обработки экспериментальных данных приведены на рис. 5. Из графиков

500 1000 К> м/с

сти поперечной волны в диапазоне от У5 = 70-600 м/с до У5 = 700-1100 м/с, скорости продольной волны в диапазоне от Ур = 500-700 м/с до Ур = 1400-2000 м/с, при этом модуль упругости возрос от начального уровня Ен = 0,5-3,5 МПа до

Ен= 13-23 МПа.

Зависимости акустических У5, Ур и деформационного Ен параметров от времени / набора прочности близки к линейным, причем на глубине к = 3 м величина Ен в 2-4 раза выше, чем в поверхностном слое массива {к = 1 м) (рис. 6). При насыщении грунтов укрепляющим раствором происходит резкое увеличение скорости Ур продольных волн, а скорость У5 попе-

речных волн остается практически неизменной, что является признаком попадания раствора в исследуемую зону. Следует

200

600

800 Ц, м/с

Рис. 4. Номограмма для определения модуля деформации Ен по результатам сейсмических измерений при р= 1 г/см3: 1 ~ Ур/ К = 5; 2 - 2; 3-1,7; 4-1,5

отметить, что величина модуля деформации Ен, зависящая от

МПа

Рис. 5. Графики изменения скорости поперечных Ух (а), продольных Ур волн (б) и модуля деформации Ен по глубине И массива (в) (точки на графиках Ух и Ур соответствуют расчетным глубинам расположения преломляющих границ): 1 - до закачки; 2 - через 2 сут после закачки; 3 - через 34 сут; 4 -

через 62 сут

скоростей упругих волн Ур и сразу после закачки раствора уменьшается, а затем, по мере затвердевания раствора увеличивается.

С целью установления взаимосвязи между деформационными параметрами глинистых грунтов, подвергшихся укреплению, была проведена статистическая обработка банка данных, включающего модуль общей деформации Ел, определенный в лабораторных условиях, и динамический модуль упругости Ен, рассчитанный по формуле (4) по результатам сейсмических измерений. Исходные данные для анализа

Таблица 4

Результаты статистической обработки данных _

Уравнение Коэффициент корреляции (корреляционное отношение) Критерий надежности оценки Г Остаточное среднеквадратичное отклонение А

Е, = 0,03498 + 0,08042 Ен г = 0,97216 13,12 0,03623

Ел = -0,26583 + 0,44794 1пЕн Я = 0,95693 10,42 0,04488

Ел = 0,18976ехр(0,16069 Ен) Я = 0,96002 10,84 0,04328

45 и сут

Рис. 6. Графики изменения средних значений скоростей упругих волн Ур и Ух (а)и модуля деформации Ен на различной глубине И от времени прошедшего с момента закачки

ные зависимости (табл. 4).

Для прогноза деформационных свойств грунтов по данным сейсмических измерений целе-

эффективности применения сейсмического метода для контроля физического состояния укрепленных грунтов основа-

приведены в табл. 3.

В результате обработки по программе "Статистика" получены следующие корреляцион-

сообразно использовать линейную зависимость.

Приведенные в работе результаты свидетельствуют об

ний сооружений и прогноза деформационных свойств массива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тютюнник, П. М. Геоакустический контроль состояния пород и качества предварительного тампонажа при сооружении шахтных стволов / П. М. Тютюнник, В. В. Смирнов, В. П. Сбитнев II Шахтное строительство. - 1984. - №2. - С. 20-24.

2. Ермолович, В. В. Геоакустический контроль качества тампонажа закарстованных сред // Геоакустические методы контроля и исследования массива горных пород и процессов: Сб. науч. трудов ВИО-ГЕМ. - Белгород, 1985. - С. 88-94.

3. Гурвич, И. И. Сейсмическая разведка. - М.: Недра, 1970 - 370 с.

4. Рекомендации по применению сейсмической разведки для изучения физико-механических свойств рыхлых грунтов в естественном залегании для строительных целей / ПО "Стройизыскания. - М., 1974. -142 с.

5. Герасимов, О. В. Применение контролируемой высоконапорной инъекции неустойчивых грунтов в основаниях горнотехнических сооружений в Кузбассе // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Сб. тр. Межд. науч.-практ.конф. - Новокузнецк, 2006. - С. 52-57.

П Авторы статьи:

Герасимов Простое

Олег Васильевич Сергей Михайлович

- заместитель директора по - докт.техн.наук, проф.каф. теорети-

науке ОАО "НООЦЕНТР-Д" ческой и геотехнической механики