CC BY
90
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.232. 522.2
НАХОЖДЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ ЗАКРЕПЛЕННОГО МАССИВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ ОТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
К. А. Головин, И.В. Сапронов
Представлена новая зависимость определения предела прочности породобе-тона при гидроструйной цементации горных пород на одноосное сжатие.
Ключевые слова: гидроструйная цементация, технология, предел прочности на сжатие, метод множественной регрессии.
Главным параметром закрепленного массива горной породы является его прочность на одноосное сжатие. В литературных источниках, например в книге И.И. Бройда «Струйная геотехнология», приводятся зависимости прочности закрепленной породы от относительного количества цемента на 1 м3 закрепленного грунта, при различных физикомеханических свойствах грунта:[1]
- водонасыщенных грунтов
Я
-|2
2449,5с
п + с (1- п)-
104 пс
рс8
влажных грунтов
Я = 106
сухих грунтов
2,45
Р
Рм
4 Л
1 -10
с Рсё
со /
(1 - П)
ж_
с
Я
2200с п - 0,3с
(1)
(2)
(3)
2
где р - плотность цементных частиц, кг/ м : р = 3000 - 3100;
Гс г с
р - плотность воды; Ж/С - водоцементное отношение раствора:
3
’^С=1, W=C=756.14 кг/м ; Ь - влажность грунта, %; р - плотность час-
ря
тиц, кг/ м ; О - диаметр грунтобетонной колонны, м; м0 - количество по-ровой воды на 1 м3 грунта, кг/ м3; м0 = Ьр (1 - п); п - предварительный
ря
объем грунта, оставшейся в теле колонны после размыва, Уя = 0,13 м3/ м; м - масса воды на 1 п.м. формируемой колонны: м0 = ; п - пористость
3 2
грунта; Ус1 - объем 1 п.м. грунтобетонной колонны, м /м; пс1 = рО /4; сс1 - количество цемента на 1 п.м. длины колонны, кг/м: сс1 = Су^ ;
33
с - количество цемента на 1 м закрепленного грунта, кг/ м : с = сс1 / ус1 ; с - относительное количество цемента на 1 м3 закрепленного грунта:
с = с/1000.
Из данных формул видно, что расчет прочности грунта никак не связан с параметрами работы установки для гидроструйной цементации, такими как: скорость подъема, частота вращения буровой колонны, диаметром струеформирующей насадки, давлением водоцементной смеси. Определение зависимости между технологическими параметрами работы установки и прочностью закрепленного массива позволит создавать массив с заданной прочностью.
Для определения зависимости были проведены многочисленные исследования, целью которых было выявление диаметра закрепленного массива для различных типов пород, при варьировании основных параметров процесса гидроструйной цементации. Анализ и обработка данных полученных в результате эксперимента проводился с помощью экспериментально-статического метода, который предусматривает графоаналитический анализ данных с применением теории вероятности и математической статистики. В ходе изучения процесса гидроструйной цементации горных пород, опыты планировались таким образом, чтобы была возможность находить качественную и количественную оценку различных параметров воздействующих на процесс цементации массива.
Для получения обобщённой зависимости прочности горного массива от технологических параметров установки использовались зависимости представленные выше. С помощью них находились значения концентрации цементного раствора в грунте, прочности закрепленного массива. Значение прочности массива и концентрации цемента в массиве напрямую зависят от диаметра закрепленного массива, который измерялся в ходе проведения опытов.
Прочность закрепляемого массива Я и концентрация с зависят от ряда параметров, главными из которых являются: скорость подъема буро-
вого става V, давление нагнетания водоцементной смеси Р, частота вращения бурового става п, диаметр отверстия нагнетающей насадки ^0, коэффициент сцепления С. Также на процесс гидроструйной цементации влияет коэффициент расхода смеси через насадку т, плотность водоцементной смеси р и диаметр пилотной скважины 00.
Таким образом, влияние параметров гидроструйной цементации на прочность закрепляемого массива и концентрацию цемента в нем, можно представить в виде:
Я=/1(о0ур,туЛ0уруУ,п,с)
с = /1(Во,р,т,йо,Р,У,п,С) ,
где - диаметр пилотной скважины, м; р - плотность водоцементной смеси, кг/м , л - коэффициент расхода через нагнетающую насадку; й0 - диаметр нагнетающей насадки, м; Р - давление водоцементной смеси, Мпа;
V - скорость подъема бурового става, м/с, п - частота вращения бурового става, с-1, С - коэффициент сцепления горной породы, МПа.
Анализ влияния каждого из факторов на прочность закрепленного массива горной породы ведет к построению графиков, использовать которые не достаточно удобно. Трудность использования этих графиков состоит в том, что разрозненные частные зависимости, связывающие между собой отдельные параметры при заданных значениях других переменных, не объединены общим уравнением и не могу позволить оценить общую картину технологии гидроструйной цементации. Поэтому для создания общих количественных зависимостей необходимо изыскать графоаналитический метод, который даст возможность объединить объем экспериментальных данных с учетом внутренних качественных и количественных связей между зависимыми переменными
К выше приведенным исследованиям, которые использовались для нахождения зависимости рациональной скорости перемещения буровой установки, были добавлены значения, полученные в результате варьирования параметров приведенных в табл. 1.
Таблица 1
Диапазон варьирования основных параметров процесса гидроструйной цементации
Основные факторы Диапазон изменения
Давление водоцементной смеси - Р, МПа 40 - 60
Диаметр нагнетающей насадки - йо, м 0,002 - 0,003
Скорость перемещения бурового става - V, м/с 0,0018 - 0,0082
Частота вращения бурового става- п, с-1 0,167- 0,330
Коэффициент сцепления горных пород - С, МПа 0,006 - 0,064
Часть параметров в процессе опытных исследований не варьировались. К числу неизменяемых параметров относятся: р,00, и /л.
С учетом постоянства данных параметров, выражение (4) приобретает следующий вид:
Последовательность определения зависимости прочности закрепленного массива выглядит следующим образом:
- на первом этапе производится расчет параметров влияющих на прочность грунтобетонной породы, в зависимости от диаметра закрепленного массива, при различных показателях скорости подъема, частоты вращения буровой колонны, а так же диаметра струеформирующих насадок и давления водоцементной суспензии. Последовательно рассчитывались параметры: пс1, G0, пся, сс1, с, с, Я. При этом учитывались коэффициенты влажности и пористости для различных видов грунтов. Так же для каждого типа грунта применялась своя формула прочности по Бройду, в зависимости от влажности породы.
На следующем этапе выполнялось построение зависимостей скорости приращения объема закрепляемого массива от концентрации цемента, а так же скорости приращения объема закрепляемого массива от прочности породы. Выбор именно скорости приращения объема закрепляемого массива, в качестве связующего компонента между прочностью и концентрацией закрепленного массива и технологическими параметрами установки связан с тем, что данный параметр напрямую зависит от скорости подъема, частоты вращения буровой колонны, диаметра струеформирующих насадок, давления нагнетания водоцементной смеси. Для полученных параболических зависимостей строились линии аппроксимации, которые исследовались на экстремум, для нахождения максимальных значений прочности породы и концентрации цемента в массиве. Максимальным значениям прочности и концентрации соответствуют рациональные значения технологических параметров работы установки, которые были сведены в единую таблицу.
На заключительном этапе проводился анализ массива полученных данных с применением метода множественной регрессии.
Результатом обработки массива экспериментальных данных методом множественной регрессии были полученные следующие зависимости:
33
- концентрации цемента на 1м грунта (кг/м )
Я = /2(й0,Р,У,н,С), с = /2(й0,Р,У,и,С).
(5)
Р0’45 • ^00’48
(6)
прочность грунтобетонного массива (Па)
н _ 664,35• Р0’75 • ^00,83 ^
^ _ т^0,76 ,„0,14 ^0,34 . (7)
V • п • С
Индекс корреляции для выражения концентрации равен Я = 0,786, критерий Фишера Е = 70,82. Критическое значение критерия Фишера для
зависимости (6) при 5 % уровне значимости составляет Р0,05 = 2,255 [53],
что подтверждает достоверность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации расчетных данных по Бройду относительно расчетных данных по новой зависимости составил Квар= 2,9 %, что указывает на удовлетворительную сходимость данных.
Индекс корреляции для выражения прочности равен Я = 0,87, критерий Фишера Е= 139,89. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (7) при 5 % уровне значимости составляет Р0>05= 2,255 [53], что подтверждает достоверность полученного выражения экспериментальным данным. Коэффициент вариации расчетных данных по Бройду относительно расчетных данных по новой зависимости составил Квар= 6,354 %, что указывает на удовлетворительную сходимость данных.
Для установления достоверности расчетных результатов полученных с использованием новой зависимости, были отобраны образцы керна. Образцы породы закрепленного массива подвергались испытаниям на соответствие физико-механических свойств, прогнозируемым показателям. Образцы отбирались в ходе проведения экспериментов, при различных параметрах работы установки.
В виде критерия механической прочности исследуемой породы, на основании общепринятых норм был выбран предел прочности на одноосное сжатие.
Проведение исследований на одноосное сжатие (раздавливание) в настоящее время получили наибольшее распространение среди лабораторных способов по общей оценки прочностных свойств материалов типа горных пород и бетонов. Показатель прочности, вычисляемый во время данных исследований, является временное сопротивление одноосному сжатию (раздавливанию), т.е. максимальный показатель сжимающего напряжения, которая испытывает горная порода в момент разрушения образца. Именно этот показатель называют пределом прочности на одноосное сжатие (раздавливание). В научно-технической литературе рассматриваются различные методы точного определения указанной величины.
Из отобранных кернов выпиливались образцы кубической формы, которые подвергались шлифованию. Подготовленные к испытаниям образцы показаны на рис 1.
Определение предела прочности материала на одноосное сжатие проводилось двумя способами:
- при помощи прибора П9-С в полевых условиях;
- при помощи стационарных испытательных машин на базе гидрав-
лических прессов в специализированной лаборатории при кафедре Г и СПС ТулГУ.
Рис. 1. Подготовленные образцы материала для прочностных испытаний
Результаты определения предела прочности на одноосное сжатие, полученные на образцах различных размеров и различных форм, сводились к сопоставлению со значениями по рекомендованным в литературе правилам и соотношениям.
Коэффициент вариации экспериментальных данных относительно расчетных данных по новой зависимости составил Квар= 2,34 %, что указывает на отличную сходимость данных. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных приведено на рис. 2.
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00
Расчетная прочность
Рис. 2. График сопоставления расчетной и экспериментальной прочности закрепленного массива
Проверка адекватности зависимости концентрации цемента в массиве возможна лишь теоретически, в связи со сложностью оценки процентного содержания цемента в закрепленной породе. Прочность грунтобетонного массива напрямую связана с концентраций цемента в массиве, можно предположить, что полученная зависимость концентрация цемента на 1 м3 породы от параметров процесса гидроструйной цементации является достоверной, в связи с достоверностью аналогичной зависимость прочности закрепленного массива.
Итогом данной работы является новая зависимость в определении прочности закрепленного массива горной породы, которая являет собой более простое и понятное средство нахождения значений прочности. При этом прямая связь прочности массива с технологическими параметрами процесса гидроструйной цементации позволяет точнее контролировать процесс закрепления грунта и получать физико-механические характеристики, заданные при проектировании.
Список литературы
1. Струйная геотехнология: учебное пособие / Бройд И.И. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. 448 с.
Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф.,
kagolovin@inbox. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сапронов Игорь Владимирович, аспирант, lambo0505@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FINDING THE STRENGTH OF DEPENDENCE TIGHTNESS OF THE ROCK MASS ON THE PROCESS PARAMETERS HYDRO-JET-GROUTING
K.A. Golovin, I. V. Sapronov
A new definition of dependence strength porodobetona when jetting cementation of rock uniaxial compression.
Key words: hydro-jet grouting technology, the compressive strength, the method of multiple regressions.
Golovin Konstantin Aleksandrovich, doctor of technical science, professor, kagolovin'a inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sapronov Igor Vladimirovich, postgraduate, lamho0505 ayandex.ru. Russia, Tula, Tula State University
