Результаты экспериментальных исследований формирования гидроразрывов в пылевато-глинистых грунтах Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Результаты экспериментальных исследований формирования гидроразрывов в пылевато-глинистых грунтах

о см о см

со

о ш т

X

<

т о х

X

Самохвалов Михаил Александрович,

к.т.н., доцент кафедры строительного производства, Тюменский индустриальный университет, samohvalovma@tyuiu.ru,

Ашихмин Олег Викторович,

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой строительного производства, Тюменский индустриальный университет, ashihminov@tyuiu.ru

Токарев Алексей Евгеньевич,

старший преподаватель кафедры проектирования зданий и градостроительства, Тюменский индустриальный университет, tokarevae@tyuiu.ru

Паронко Александр Александрович,

аспирант кафедры строительного производства, Тюменский индустриальный университет, paronkoaa@tyuiu.ru

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований изготовления манжетных колонн с различным режимом инъекции раствора и формирование гидравлических разрывов «гидроразрывов» для эффективного закрепления грунтового основания, сложенного преимущественно пылевато-глинистыми грунтами. Анализ результатов полевых экспериментальных исследований позволил установить закономерность определения характера, геометрических размеров, количества и схемы формирования гидроразрывов на каждом горизонте инъекции в зависимости от режима инъекции для изготовления манжетной колонны, который может быть однократным (без повторяемости циклов) и циклическим с повторяемостью циклов от 3 до 5 раз.

Также в статье приводится обоснование эффективности применения манжетных колонн с циклическим режимом инъекции и повторяемостью циклов до 5 раз для создания искусственных оснований с улучшенными механическими характеристиками пылевато-глинистых грунтов.

Ключевые слова: инъекция раствора, манжетная технология, гидроразрыв, пылевато-глинистые грунты, закрепление грунтового основания.

Введение.

Одним из наиболее интенсивных направлений развития инновационных строительных технологий является устройство искусственных оснований путём улучшения механических характеристик грунтов поверхностным или глубинным уплотнением, закреплением или заменой слабого грунта более прочным [1-6].

Выбор технологии устройства искусственного основания зависит от нескольких факторов, таких как инженерно-геологические условия площадки строительства, уровень грунтовых вод, сроки выполнения работ [7-9].

В свою очередь, главными преимуществами закрепления грунта по манжетной технологии путём инъекции цементного раствора под давлением до 3-6 МПа с образованием и распространением в грунтовом массиве гидравлических разрывов («гидроразрывов») являются относительно короткие сроки и минимизация объёмов выполнения подготовительных и земельных работ, армирование грунта более прочными по структуре гидроразрывами из цементного раствора и одновременного уплотнения грунта между ними в процессе консолидации, особенно при высоком уровне грунтовых вод [10-15].

Цель и задачи исследования.

Цель исследования - повышение эффективности закрепления грунтового основания сложенного преимущественно пылевато-глинистыми грунтами с применением манжетных колонн и инъекцией раствора в режиме формирования гидравлических разрывов («гидроразрывов»).

Задачи исследования - обосновать эффективность применения манжетных колонн с инъекцией раствора в режиме формирования гидроразрывов для закрепления пылевато-глинистых грунтов по результатам экспериментальных исследований с определением следующих закономерностей в зависимости от режима инъекции для изготовления манжетной колонны:

- определение количества сформированных гидроразрывов на каждом горизонте инъекции;

- определение характера и геометрических размеров сформированных гидроразрывов;

- определение схемы формирования гидроразрывов (рисунок 1) на каждом горизонте инъекции.

Рисунок 1. Схемы формирования гидроразрывов в грунтовом массиве

а - формирование гидроразрывов в вертикальной плоскости;

б - формирование гидроразрывов в горизонтальной плоскости (в плоскости горизонта инъекции).

Характеристики грунтового основания.

Для определения физико-механических характеристик грунтов (таблица 1) и их напластования на площадке для проведения исследований были выполнены скважины с отбором проб грунта нарушенной и ненарушенной структуры. Установившийся уровень грунтовых вод в интервале глубин 0,9-1,2 м

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов строительной площадки

Вид Глина Суглинок

Мощность, м 0,4-1,5 1,5-10,0

Насыпная плотность, кН/м3 18,1 19,2

Влажность, % 19,0 29,0

Коэффициент пористости, дед. 0,81 0,75

Степень водонасыщения, д.ед 0,68 0,93

Показатель текучести, д.ед 0,16 0,62

Угол внутреннего трения, град 19,7 16,2

Коэффициент удельного сцеп-пения, кПа 26,0 20,0

Модуль деформации, МПа 18,7 7,9

Рисунок 2. Конструкция манжетной колонны

Для инъекции раствора применялся трёхплунжер-ный насос НБ 160/6.3 с рабочим давлением от 3,0 до 6,3 МПа. В каждый горизонт инъекции нагнетание раствора осуществлялось раздельно с применением гидравлического пакера. В свою очередь гидравлический пакер присоединялся к насосу при помощи шланга высокого давления [3,10,13].

Перед началом работ между скважиной и наружной поверхностью верхней части трубы-инъектора устраивалась бетонная пробка для предотвращения свободного выхода раствора из скважины. Раствор состоял из цемента марки М400 (водоцементное отношение 1:1), бентонита марки ПБМБ (5%) и силикат натрия (3%). Раствор проверялся на растекаемость после каждого замеса при помощи конуса АзНИИ (рисунок 3), требуемое значение растекаемости 18-22 см.

Оборудование для проведения исследований.

Для закрепления грунта применялись манжетные колонны, представляющие собой стальную трубу 57х3.5 длиной 2 м. Нижний конец трубы-инъектора закрыт сферической заглушкой. На поверхности трубы-инъектора сделаны отверстия с шагом 300 мм для инъекции раствора закрытые резиновыми манжетами, блокирующими обратное попадание в трубу-инъектор раствора после его инъекции. Резиновые манжеты фиксировались на поверхности трубы-инъектора с двух сторон от отверстий для инъекции раствора при помощи автомобильных хомутов, чтобы исключить их сползание в процессе погружения трубы-инъектора и трения о поверхность грунта боковых стенок скважины. Несколько отверстий, выполненных на одинаковом расстоянии закрытые одной резиновой манжетой, образуют горизонт инъекции. На каждой манжетной колонне было выполнено 5 горизонтов инъекции (рисунок 2).

Рисунок 3. Проверка растекаемости раствора по конусу АзНИИ

Изготовление манжетной колоны осуществлялось с двумя режимами инъекции: однократным и циклическим. Под однократной инъекции понимается инъекция

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м о

о

CS

о

CS

со

о ш m

X

3

<

m о х

X

сразу всего требуемого объёма раствора. Под циклической инъекцией понимается инъекция раствора в объёме от 1/2 до 1/5 от требуемого объёма раствора с технологическими паузами от 4 до 8 часов необходимыми для увеличения вязкости или затвердевания сформировавшихся во время первой инъекции (или более ранними инъекциями) раствора. И так данная операция повторялась от 2 до 5 раз. На каждую манжетную колонну расходовалось 150 л раствора (по 30 л в каждый горизонт инъекции).

Результаты экспериментальных исследований.

Для оценки эффективности закрепления грунтового основания с использованием манжетных колонн и определения геометрических параметров гидроразрывов была выполнена их экскавация (рисунок 4).

Рисунок 4. Результаты экскавации манжетных колонн: а - циклический режим инъекции с повторяемостью циклов 5 раз;

б - циклический режим инъекции с повторяемостью циклов 3 раза;

в - однократный режим инъекции (без повторяемости циклов).

Изучив результаты экскавации манжетных колонн (рисунок 4) были выявлены следующие закономерности:

- циклический режим инъекции для изготовления манжетной колонны с повторяемостью циклов от 3 до 5 раз приводит к увеличению количества сформированных гидроразрывов на каждом горизонте инъекции и как следствие более эффективному закреплению грунтового массива по сравнению с однократным режимом инъекции;

- толщина гидроразрывов при циклическом режиме инъекции в 1,5-1,8 раза больше чем при однократном режиме;

- формирование гидроразрывов при однократном режим инъекции (без повторяемости циклов) и циклическом режиме инъекции с повторяемостью циклов до

3 раз главным образом происходит в вертикальной плоскости (рисунок 1а) по причине пересечения зон формирования гидроразрывов смежных горизонтов инъекции;

- увеличение количества повторяемости циклов инъекции до 5 раз приводит к формированию гидроразрывов как в вертикальной плоскости, (рисунок 1а) так и в плоскости горизонта инъекции (рисунок 4а, 1б) по причине переуплотнения грунтового массива ранее сформированными гидроразрывами в вертикальной плоскости и перераспределения напряжений - постепенное увеличение вертикальных напряжений и относительное уменьшение радиальных.

Выводы.

По результатам выполненных экспериментальных исследований изготовления манжетных колонн для эффективного закрепления пылевато-глинистого грунтового основания следует применять циклический режим инъекции с повторяемостью циклов до 5 раз и выдерживанием технологических пауз от 4 до 8 часов, необходимых для увеличения вязкости или затвердевания ранее сформировавшихся гидроразрывов.

Литература

1. Далматов Б.И. Особенности устройства фундаментов на пылевато- глинистых грунтах в условиях реконструкции / Б. И. Далматов, В. М. Улицкий, Л. К. Про-нев // Основания, фундаменты и механика грунтов -1986. - Т. 5 - С.4-6.

2. Кокорев, И.В. Особенности инженерно-геологических изысканий при реконструкции здания на слабых грунтах / И.В. Кокорев, Д.С. Букреев, Н.Н. Раки-тина, Р.Р. Бахронов // Вестник МГСУ. 2009. №1 С.57-60

3. Ибрагимов, М.Н. Закрепление грунтов инъекцией цементных растворов. Монография. / М.Н. Ибрагимов, В.В. Семкин. - М.: Издательство АСВ, 2012.

4. Стасишина А.Н. Выбор рационального способа реконструкции свайных фундаментов / А.Н. Стасишина, М.И. Абу Махади // Вестник РУДН, серия Инженерные исследования. 2016. №2 С.91-95

5. Готман А.Л., Хурматуллин М.Н. Исследование работы свай, изготовленных методом струйной цементации в глинистых фунтах // Основания, фундаменты и механика фунтов.-2012. -№4. -С. 16-19.

6. Богов С.Г. Опыт усиления фундаментов старых зданий с использованием сфуйной технологии // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2007. - №3. -С. 28-29.

7. Пономаренко, Ю.В. Укрепление оснований фундаментов эксплуатируемых зданий и сооружений / Ю.В. Пономаренко, В.С. Кузькин // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №6 С.52-54.

8. Мангушев, Р.А. Современные свайные технологии / Р.А. Мангушев, А.В. Ершов, А.И. Осокин/ М.: Издательство АСВ. - 2007. - 160 с.

9. Петрухин, В.П. Новые способы геотехнического строительства: Научное издание / В.П. Петрухин, О.А. Шулятьев, О.А. Мозгачева. - М.: Издательсто АСВ. -2015. - 224 с.

10. Осокип A.M., Денисова CO., Шахтарина Т.Н. Технологическое обеспечение подземного строительства в условиях городской застройки 7 Жилищное строительство. 2014. №3. С. 16-24.

11. Мацегора, А.Г. Инъекционное укрепление грунтов основания фундаментов / А. Г. Мацегора, А.И. Осо-

кин, В. А. Ермолаев // Промышленное и гражданское строительство. 2006. №7 С.52-53.

12. Fleming K. Piling engineering / K. Fleming, A. Weltman, M. Randolph, K. Elson - CRC press, 2008.

13. Karol R.H. Chemical grouting and soil stabilization. New York / R. H. Karol // Basel. Marcel Dekker - 2003. -588с.

14. Terceros Arce M. The Use of an Expander Body with Full Displacement Piles in Medium-Dense Sandy Soils Mario / M. Terceros Arce, M. A. Terceros Herrera // Geo-China - 2016. - 142-151с.

15. Полищук, А.И. Опыт усиления фундаментов реконструируемых зданий инъекционными сваями / А.И. Полищук, А.А. Петухов, Р.В. Шалгинов, А.А. Тарасов // Вестник ПНИПУ, Строительство и архитектура. 2014. №3 С.131-144.

Results of experimental investigations of the formation of

hydraulic fractures in dust-clay soils Samokhvalov M.A., Ashikhmin O.V., Tokarev A.E., Paronko A.A.

Industrial University of Tyumen

The article presents the results of experimental field investigations making columns by cup technology with different type of injection the solution and different type of formation of hydraulic fractures. These investigations are performed for efficient strengthening the soil base consists of dust-clay soils. Analysis of the results of experimental field investigations allowed establish true pattern of the character, geometrical dimensions, number and schemes of the formation of hydraulic fractures in every cuff horizons in dependence by type of the solution injection. Solution injection can be one-shot (without repeatability of cycles) and multi-shot cycles with repeatability of cycles from 3 to 5 times. The article also gives justification efficiency using columns by cup technology with multi-shot cycles by type of the solution injection and with repeatability of cycles up to 5 times for creation the man-made base consists of dust-clay soils with improved characteristics. Keywords: injection the solution, cup technology, hydraulic fractures, dust-clay soils, strengthening the soil base.

References

1. Dalmatov B.I. Features of the device foundations on dusty clay

soils in the conditions of reconstruction / B. I. Dalmatov, V. M. Ulitsky, L. K. Pronev // Foundations, foundations and soil mechanics - 1986. - V. 5 - P.4-6.

2. Kokorev, I.V. Features of engineering and geological surveys

during the reconstruction of a building on soft soils / I.V. Kokorev, D.S. Bukreev, N.N. Rakitina, R.R. Bakhronov // Vestnik MGSU. 2009.No1 P.57-60

3. Ibragimov, M. N. Fixation of soils by injection of cement mortars.

Monograph. / M.N. Ibragimov, V.V. Semkin. - M.: DIA Publishing House, 2012.

4. Stasishina A.N. The choice of a rational method of reconstruction of pile foundations / A.N. Stasishina, M.I. Abu Mahadi // Bulletin of RUDN University, a series of Engineering Studies. 2016.No2 P.91-95

5. Gotman A.L., Khurmatullin M.N. The study of the work of piles

made by jet cementation in clay pounds // Foundations, foundations and mechanics of pounds. 2012. -№4. -WITH. 1619.

6. Gods S.G. The experience of strengthening the foundations of

old buildings using sfuynoy technology // Foundations, foundations and soil mechanics. - 2007. - No. 3 .-- S. 28-29.

7. Ponomarenko, Yu.V. Strengthening the foundations of operating

buildings and structures / Yu.V. Ponomarenko, V.S. Kuzkin // Industrial and civil engineering. 2012.No. 6 S. 52-54.

8. Mangushev, R.A. Modern pile technologies / R.A. Mangushev,

A.V. Ershov, A.I. Osokin / M .: Publishing house ASV. - 2007 .-- 160 s.

9. Petrukhin, V.P. New methods of geotechnical construction: Scientific publication / V.P. Petrukhin, O.A. Shulyatiev, O.A. Mozgacheva. - M .: Publishing house DIA. - 2015 .-- 224 p.

10. Osokip A.M., Denisova CO., Shakhtarina T.N. Technological support for underground construction in urban areas 7 Housing. 2014.No3. S. 16-24.

11. Macegora, A.G. Injection reinforcement of foundation foundation soils / A. G. Matsegora, A. I. Osokin, V.A. Ermolaev // Industrial and civil construction. 2006. No. 7 S. 52-53.

12. Fleming K. Piling engineering / K. Fleming, A. Weltman, M. Randolph, K. Elson - CRC press, 2008.

13. Karol R.H. Chemical grouting and soil stabilization. New York / R. H. Karol // Basel. Marcel Dekker - 2003 .-- 588s.

14. Terceros Arce M. The Use of an Expander Body with Full Displacement Piles in Medium-Dense Sandy Soils Mario / M. Terceros Arce, M. A. Terceros Herrera // Geo-China - 2016. -142-151c.

15. Polishchuk, A.I. Experience of reinforcing the foundations of reconstructed buildings with injection piles / A.I. Polishchuk, A.A. Petukhov, R.V. Shalginov A.A. Tarasov // Bulletin of PNIPU, Construction and Architecture. 2014.No. 3 P.131-144.

X X О го А С.

X

го m

о

О

м о