CC BY
47
УДК 624.130:550.834:550.837
Н.Ю. Никулин, А.В. Покатилов, А.В. Плотников, С.М. Простов
КОНТРОЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОДНОРАСТВОРНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Для изучения процессов однорастворного электрохимического закрепления (ЭХЗ) грунтов 1 наряду с инженерно-геологическими изысканиями [1] был проведен комплекс геофизических исследований, включающий электрометрические и сейсмические методы. Электрометрические исследования проведены методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Этот метод позволил определить изменения удельного электрического сопротивления (УЭС) грунтов на разных этапах их закрепления. В ходе сейсмических исследований был изучен характер изменения скоростей распространения продольных Ур и по-
Общая технологическая схема проведения экспериментальных исследований представлена на рис. 1.
Геофизические работы методом ВЭЗ выполнены низкочастотной электроразведочной аппаратурой типа «Берёзка». Зондирования выполнялись симметричной установкой ЛМЫБ с максимальными разносами питающей линии АВ - 22 м, что позволило проследить изменение УЭС на глубину до 3,5 м. Центр каждой установки ВЭЗ располагался на оси соответствующего инъектора. В качестве питающих электродов использованы стальные, а приемных - медные штыри длиной 0,8 м, которые
ПУ2 СП2 СП3 СП4
V______А._____▲_______▲
9
Ar
ПУІ
V -■
ПУ20
о
V
ПУ3
А-
■Є
Рис. 1. Схема проведения геофизических исследований:
1-8 - точка ВЭЗ (ось инъекторов); 9 - схема сейсморазведочной установки; ПУ1-ПУ3 - пункт возбуждения сейсмических колебаний; СП1-СП7 - сейсмоприемники
Таблица 1. Параметры ВЭЗ
Параметр 1 2 3 4 5 6 7
AB/2, м 1,5 2,2 3 4 5,5 8 11
MN/2, м 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
к 1,26 2,88 5,5 9,89 18,84 40,04 75,83
перечных V волн в грунте. Теоретические и методические аспекты геофизического мониторинга техногенных массивов изложены в работах [2-4].
1 Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы
забивались на глубину до 0,3-0,5 м. Полуразносы питающей АВ/2 и приемной МЫ/2 линий и коэффициенты установок к приведены в табл. 1.
При устройстве заземлений принимались меры для уменьшения сопротивления заземления путем подлива воды в токовых и приемных линиях. Питающая и приемные линии собраны из про-
водов марки ГПСМП, схема их подключения представлена на рис. 2. В качестве источников питания линии АВ использовались батареи АМЦГ-100.
ВЭЗ как при основном, так и при пробном за-
АпВп/2=11м
1. Яг
АК
А« І Аі I
фін # /// *ф
Аі
м
НГФШФ
Л
БП
О
і
Ві \В2
III ф III фIIї ф III
Рис. 2. Схема установки ВЭЗ: (ось инъектора); А1В1...АпВп - питающие линии; МЫ - приемные линии; БП - блок питания; АК - автокомпенсатор “Березка ”; О - центр установки ВЭЗ
креплении выполнялось три раза: первое - до закрепления грунтов для установления их электрофизических свойств в естественном состоянии; два последующих - при пробном закреплении через 56 ч и 722 ч, а при основном - через 146 ч и 434 ч после начала обработки грунта током.
Измерение времени прохождения продольных и поперечных сейсмических волн через закрепленный массив проводилось с использованием цифровой многоканальной сейсморазведочной станции «ЛАККОЛИТ Х-М2» производства ООО «Логис».
Основные технические характеристики сейсмостанции следующие:
- диапазон регистрируемых частот, Гц 5-4000
- время регистрации, мс до 5120
- число накоплений 32000
В состав сейсмостанции входят: блок питания;
блок управления; сейсмостанция «ЛАККОЛИТ»; коса с сейсмоприемниками и источник сейсмических колебаний. Схема соединения составных элементов сейсмостанции приведена на рис. 3.
Для возбуждения сейсмических колебаний применялось ударное устройство массой 10 кг. При записи продольных волн удар наносился вертикально (система 2-2), а поперечных - горизонтально в двух противоположных направлениях, перпендикулярных линии расстановки сейсмоприемников (система У-У). Т. к. поперечные волны обладают свойством инверсии при смене направления удара, повторные записи при регистрации поперечных волн обеспечивали определение времен первых вступлений и корреляцию их на сейсмограмме.
Для регистрации продольных волн применялись вертикальные сейсмоприемники СВ-30, для поперечных волн - горизонтальные СГ-10. Расстановка сейсмоприемников приведена на рис. 1.
Измерения акустических свойств массива проводились 4 раза: при пробном закреплении грунтов и 3 раза при основном закреплении.
По данным, полученным в ходе проведения вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), были построены графики изменения эффективного УЭС рк грунта в основных зонах ЭХЗ во времени t (рис. 4). Основные полученные результаты состоят в следующем.
1. Наиболее значительные изменения УЭС происходили на глубине погружения инъекторов до отметки И = 2 м.
2. При пробном закреплении (рис. 4, а, б) через 56 ч после начала закрепления в зоне ЭХЗ наблюдалось снижение УЭС в 1,07-1,3 раза, а в зоне электроосмоса в 1,16-1,25 раз. Через 722 ч после начала закрепления увеличение УЭС относительно исходных значений в зоне электрохимии составило 1,1-1,43 раза, а в зоне электроосмоса - 1,061,22 раза. Снижение УЭС на втором этапе объясняется интенсивным распространением электролита и увлажнением грунта в зоне электроосмоса. Далее процессы связывания частиц грунта и вытеснения влаги вызвали увеличение УЭС. В значительной степени данный процесс проявил себя в зоне ЭХЗ, так как закрепляющий раствор скон-
Ф III ФIII Ф III ФIII ФIII ФIII ФIII Ф III ФIII Ф
Рис. 3. Схема подключения сейсморазведочной станции:
1 - пункт возбуждения сейсмических колебаний; 2 - сейсмоприемники;
БП - блок питания; БУ - блок управления; СС - сейсмостанция «Лакколит»
б
Рис.4. Графики ВЭЗ по инъекторам №1 (а), №2 (б), №3 (в), №4 (г),№5 (д), №6 (е), №7 (ж), №8 (з): 1 - до закрепления грунтов; 2 - через 4 сут. после закрепления; 3 - через 20 сут. после закрепления
центрирован на этом участке.
3. При основном закреплении грунтов (рис. 4, в-з) наибольший прирост УЭС выявлен в зоне электроосмоса. На глубине 1 м от поверхности земли УЭС в точке № 7 увеличилось на 81% (рис.
4, ж), а в точке № 4 - в 4,3 раза. В зоне ЭХЗ через 146 ч наблюдалось снижение УЭС, а затем через 434 ч - незначительное увеличение до прежних значений (рис. 4, в, д). Более интенсивное увеличение УЭС в зоне ЭХЗ наблюдалось в точках № 6
300--
250--
200-
150-
100
56
V ;Ур , м/с
300-250--200-150100
362
б
t, ч
722
t, ч
434*
V V £ ’ р ’ > м/с
300-
250 --
200
150-
100
"146"
V V м/с 300-
250^ —
200-
150-■
100 .—
II
.Л
II
434
t, ч +т->-
146
t, ч -I—►
434
V ;Vp , м/с
300-250--' 200-150--100
ж
Йб"
434*
Рис. 5. Графики изменения скоростей прохождения сейсмических волн в закрепленных грунтах во времени в точке СП1 (а), СП2 (б), СП3 (в), СП4 (г), СП5 (д), СП6 (е), СП7 (ж):
1 - изменения скорости продольных волн Vp; 2 - изменение скорости поперечных волн Vs
и № 8 (рис. 4, е, з) и составило 20-28% в приповерхностной части зоны закрепления.
При изучении акустических характеристик закрепленных грунтов оценивалось изменение скоростей прохождения продольных и поперечных сейсмических волн через закрепленный массив грунта (рис. 5). Сейсмоприемник на участке пробного закрепления устанавливался между зонами электроосмоса и ЭХЗ. Через 722 ч (рис. 5, а, б) после окончания закрепления скорость поперечных сейсмических волн на этом участке увеличилась на 24 % и составила 145 м/с. Скорость про-
дольной волны возросла на 18 %.
При основном закреплении в зоне электроосмоса (рис. 5, в, е) значительных изменений скоростей продольных и поперечных волн не выявлено. Наиболее интенсивное увеличение скоростей продольных Vp и поперечных Vs волн наблюдалось в зоне электрохимии у инъекторов № 5 и № 8 - 1,16 и 1,27 раза соответственно (рис. 5, г, ж). В меньшей степени изменение скоростей проявилось на участке расположения инъекторов № 3 и № 6. Исходная скорость поперечной волны у инъектора № 3 составила 115 м/с, а после закрепления 165 м/с.
а
г
I
д
Рис. 6. Взаимосвязь относительных изменений модуля деформации Е, угла внутреннего трения ф, сцепления грунта С и эффективного удельного электросопротивления рк при однорастворном ЭХЗ:
1 - в зоне ЭХЗ при пробном закреплении; 2 - в зоне электроосмоса при пробном закреплении; 3 - в зоне ЭХЗ при основном закреплении (точка №6); 4 - в зоне электроосмоса при основном закреплении (точка №4)
Скорость продольной волны возросла на 12%, а у инъектора № 6 на 11%.
В целом метод достаточно надежен для оценки степени закрепления грунтов методом ЭХЗ.
Накопленная база данных контролируемых параметров, определенных по результатам ЭХЗ прямыми и геофизическими методами, позволила построить зависимости между относительными изменениями параметров: деформационного -
модуля упругости Е, прочностных - сцепления С, угла внутреннего трения ф и УЭС грунта рк (рис. 6).
В дальнейшем при закреплении грунтов однорастворным способом ЭХЗ полученные взаимосвязи позволят оперативно контролировать и прогнозировать относительное изменение прочностных и деформационных параметров по величине УЭС грунта.
а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экспериментальное однорастворное электрохимическое закрепление глинистых грунтов / Никулин Н.Ю., Плотников А.В., Покатилов А.В., Простов С.М // Вестник КузГТУ, 2011, № 5. - С. 12-17. .
2. Простов, С. М. Электромагнитный геоконтроль процессов укрепления грунтов/ С. М. Простов, О. В. Герасимов, Е. А. Мальцев; РАЕН. - Томск: Изд-во ТГУ, 2007. - 211 с.
3. Герасимов, О.В. Исследование зависимости между механическими и электрофизическими свойствами грунтов, укрепляемых методом высоконапорной инъекции / О.В. Герасимов, С.М. Простов, Д.Ю. Пахомов // Вестник КузГТУ, 2006, №6. - С. 21-23.
4. Герасимов, О. В. Изучение процессов укрепления неустойчивых грунтов оснований сооружений сейсмическим методом / О. В. Герасимов, С. М. Простов // Вестник КузГТУ, -2006, № 6. - С. 15-19.
□ Авторы статьи:
Простов Сергей Михайлович, д.т.н., проф. теоретической и геотехнической механики КузГТУ. Тел.8-3842-39-63-36, е - mail raen@kuzstu.ru
Никулин Николай Юрьевич, соискатель КузГТУ, инженер-геофизик ООО "НООЦЕНТР-Д. Тел. 8-3842-69-15-91 e - mail n.y.nikulin@mail.ru
Плотников Александр Валерьевич, канд. геол.-минер. наук, нач. отдела инженерностроительных изысканий ООО “НООЦЕНТР-Д”, Тел. (3842) 73-45-19, e - mail plotn@inbox.ru.
Покатилов Андрей Владимирович, кпнд.техн.наук, доцент каф. строительного производства и экспертизы недвижимости ГУ КузГТУ, е - mail
an.pokatilov@yandex.ru
