CC BY
13
16. Balovtsev S.V., Skopintseva O.V., Kolikov K.S. Management of aerological risks in preparatory workings of coal mines // Sustainable development of mountain territories. 2022. Vol. 14. No. 1. pp. 107-116. DOI: 10.21177/1998-4502-2022-14-1-107-116.
17. Vasiliev P.V., Stas G.V., Smirnova E.V. Assessment of injury risk in mining // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2016. Issue. 2. pp. 45-58.
УДК 624.154.1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЫСКАНИЙ И ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГИДРОАКТИВИЗИРОВАННЫХ ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТОВ ПОД АВАРИЙНЫМ ЗДАНИЕМ ШКОЛЫ
А.Ю. Прокопов, П.Н. Должиков, В.М. Талалаева, С.О. Легостаев
Инженерно-геологическими исследованиями установлено, что основанием фундаментов аварийного здания школы являются просадочные суглинки. Для стабилизации деформаций здания применяется напорная цементация разуплотненных дисперсных грунтов с использованием ресурсосберегающей цементно-глинокарбонатной рецептуры. На основании лабораторных и натурных экспериментов обоснованы параметры закрепления грунтов основания и доказана высокая степень технико-экономической эффективности при реконструкции основания представленного гидро-активизированными просадочними грунтами.
Ключевые слова: аварийное здание, геология, просадочный грунт, ресурсрсбе-регающий раствор, технология, инъекция, закрепление.
Введение
На территориях закрытых угольных шахт за последние десятилетия произошли существенные изменения в горно-геологической и экологической ситуации [1, 2]. Наряду с геомеханическими процессами в породном массиве на первый план вышли гидродинамические процессы и явления. Прежде всего, это связано с катастрофическим подъемом уровня подземных вод и гидроактивизацией породного массива [3 - 5].
Многочисленными исследованиями доказано существенное ухудшение деформационно-прочностных свойств горных пород, развитие эффектов гидродинамического напряжения и горных ударов, формирование провалов, неконтролируемых выходов подземных вод на поверхность [68]. Для решения возникающих горно-экологических проблем разработаны и применяются специальные методы упрочнения и гидроизоляции горных пород. Наиболее актуально применение таких инженерных мероприятий в шахтерских городах и поселках, где в результате гидроактивизации горных пород произошли недопустимые деформации строительных конструкций зданий социально-бытовой инфраструктуры. В этих условиях перспективно применение широко апробированных методов тампонажа горных пород с использованием вязкопластичных растворов [9]. При этом важно применение дешевых ресурсосберегающих тампонажных растворов. В этом направлении также выполнены многие разработки, например: использование отвальных пород, золы ТЭЦ, металлургических шлаков и др. Практика
работ подтверждает эффективность применения ресурсосберегающих растворов при упрочнении и гидроизоляции горных пород [10].
Поэтому цель работы - закрепление гидроактивизированных про-садочных грунтов основания аварийного здания ресурсосберегающими растворами.
Методика исследований
При выполнении исследований применялась комплексная методика: обследование здания и инженерно-геологические изыскания; лабораторные исследования свойств закрепленных грунтов ресурсосберегающими растворами; обоснование технологических параметров и технологической схемы закрепления грунтов; проведение экспериментальных работ; анализ результатов исследований.
Результаты исследований
Аварийное здание школы №14 находится в городе Шахты. На первом этапе исследований проведено обследование строительных конструкций здания школы. Для определения технического состояния фундаментов вскрыты шурфы под несущие стены. На вскрытых участках конструкций фундаментов здания обнаружены дефекты в виде трещин, снижения прочности в результате длительного выщелачивания вяжущего раствора водой - не выявлены.
Во всех отсеках здания наблюдается крен стен от вертикали в диапазоне от 10 до 200 мм. Также при обследовании в стенах выявлены дефекты в виде наклонных и вертикальных сквозных трещин раскрытием 2 -5 мм. Фотография характерной трещины в наружных стенах представлены на рис. 1.
Рис. 1. Наклонная сквозная трещина в наружной стене школы
На участке возле фундаментов были пробурены разведочные скважины. По результатам инженерно-геологических изысканий установлено, что в геологическом строении участка до глубины 12 м принимают участие верхнечетвертичные делювиальные суглинки и глины, перекрытые с поверхности почвенно-растительным слоем и техногенным грунтом. Ниже приводится геолого-литологический разрез по участку:
- техногенный грунт (суглинок бурый, с включением строительного мусора). Мощность слоя составляет 0,3 - 1,4 м;
еО1у - почвенно-растительный слой - суглинок серо-бурый, маловлажный, с корнями растений. Мощность слоя составляет 0,3 - 0,5 м;
¿Ош - суглинок желто-бурый, твердой консистенции, с прожилками карбонатов, с гидроокислами марганца. Мощность слоя 6,9 - 8,9 м;
¿Ош - глина желто-бурая, твердой консистенции, с прожилками карбонатов, с гидроокислами марганца. Вскрытая мощность слоя 2,2 - 4,2 м.
В геологическом разрезе выделено два специфических инженерно-геологических элемента:
ИГЭ 1 - суглинок желто-бурый, твердой консистенции, по нормативному значению числа пластичности тяжелый, пылеватый, незасолен-ный. Природная влажность составляет 17...24 %. Плотность при естественной влажности колеблется в пределах 1,64.1,87 г/см3. Модуль деформации составляет: при естественной влажности - 22.24 МПа, в условиях водонасыщения - 7.8 МПа, сцепление составляет 18 кПа, угол внутреннего трения - 19о. Суглинки по результатам компрессионных испытаний проявили просадочные свойства;
ИГЭ 2 - глина желто-бурая, твёрдой консистенции, легкая, пылева-тая. Природная влажность составляет 17.22 %. Плотность при естественной влажности колеблется в пределах 1,86.2,04 г/см3. Модуль деформации составляет в условиях водонасыщения 18 МПа, сцепление - 34 кПа, угол внутреннего трения - 19о. Глины просадочными и набухающими свойствами не обладают.
Грунтами основания здания в местах вскрытия их шурфами являются просадочные суглинки ИГЭ-1. Характеристика физико-механических свойств просадочных грунтов приведена в табл. 1.
Из результатов исследований установлено, что просадочные грунты, суглинки ИГЭ-1, по результатам компрессионных испытаний проявили просадочные свойства до глубины 7,8 - 9,5 м. Мощность просадочной толщи 6,9 - 8,9 м. Тип грунтовых условий по просадочности - первый.
В соответствии с результатами инженерно-геологических изысканий получено, что начальное просадочное давление равно р^=0,06 МПа. При проверочном расчете суммарная осадка и просадка составила 8+831=4,35 см + 18,84 см = 23,19 см, что превышает предельно допустимые 15 см. Поэтому несущая способность основания по начальному просадоч-
ному давлению не обеспечивается. В этой связи основной причиной аварийных деформаций здания является гидроактивизация суглинка и проявление просадочности основания фундамента.
Таблица 1
Физико-механические свойства грунтов в скважинах и шурфах на глубинах, соответствующих глубине заложения фундаментов
■ ■ ■ 1 е Относительная просадка при е -
Номер скв. или шурфа оо ю с 11 ¡с ю ио ^ [рирод. влаж ность % Плотность желета г/см Коэф. пористости д.е. Степень водо насыщения тт 12% Бытов. давл-МПа давлении МПа ач-е просад давл-е
1-1 а С 0,1 0,2 0,3 X
Скв.1 2,0 16,40 1,55 0,740 0,60 0,040 0,001 0,002 0,009 0,022 0,21
Скв.1 3,0 17,40 1,46 0,850 0,55 0,060 -0,003 -0,002 0,004 0,026 0,23
Скв.5 2,0 14,70 1,63 0,650 0,61 0,040 0,002 0,004 0,006 0,012 0,28
Скв.5 3,0 14,90 1,62 0,660 0,61 0,061 0,004 0,006 0,009 0,014 0,23
Скв.6 2,0 18,80 1,56 0,730 0,69 0,040 0,001 0,004 0,010 0,017 0,20
Скв.6 3,0 19,00 1,52 0,770 0,66 0,059 0,003 0,006 0,012 0,023 0,17
Ш.1 2,0 16,20 1,47 0,830 0,53 0,040 0,018 0,027 0,041 0,054 0,02
Ш.1 2,2 16,20 1,49 0,800 0,54 0,044 0,005 0,011 0,023 0,038 0,09
Ш.2 2,4 17,70 1,55 0,740 0,65 0,049 0,003 0,006 0,011 0,018 0,18
Ш.2 2,6 17,60 1,57 0,720 0,66 0,053 0,001 0,003 0,010 0,012 0,20
Ш.3 0,6 17,70 1,56 0,730 0,65 0,010 0,000 0,006 0,011 0,018 0,18
Ш.3 0,8 17,80 1,55 0,750 0,65 0,014 0,000 0,004 0,012 0,020 0,17
Макс-е 19,00 1,63 0,850 0,69 0,018 0,027 0,041 0,054 0,28
Мин-е 14,70 1,46 0,650 0,54 -0,003 -0,002 0,004 0,012 0,02
В качестве способа реконструкции основания выбран метод укрепления грунтов путем напорной цементации [11, 12]. Технологией предусматривается армирование грунтов основания на всю просадочную толщу элементами повышенной жёсткости с использованием способа цементации грунтов до глубины 7,5 м ниже подошвы фундамента. Это достигается путём нагнетания в инъекторы ресурсосберегающего цементного раствора с глинокарбонатными добавками под давлением гидрорасчленения грунта. С целью экспериментальной проверки эффективности закрепления грунтов ресурсосберегающим цементно-глинокарбонатным раствором на специальном стенде выполнялись лабораторные инъекции [13]. В результате исследований установлено, что модуль деформации закрепленных грунтов составляет 28...30 МПа, а прочность на одноосное сжатие достигает 6...8 МПа.
Технологические параметры закрепления грунтов рассчитаны по методике проектирования формирования искусственного основания методом напорной цементации, приведенной в [11]. Значения технологических параметров цементации грунтов указаны в табл. 2.
Основные технологические операции при закреплении грунта следующие: бурение скважин; установка инъекторов; приготовление раство-
ра; подача растворов в грунт; контроль качества. Принципиальная технологическая схема приготовления и нагнетания цементного раствора представлена на рис. 2.
Закрепление грунтов выполняется под подошвой ленточных фундаментов при наличии защитного слоя грунта мощностью 1,8 - 2,0 м. Для обеспечения равномерного распределения закрепляющего раствора в массиве грунтового основания предусмотрено напорное инъекционное армирование грунтов выполнить в 4 заходки на отметках - 3,70 м; - 5,65 м; - 7,60 м; - 9,55 м.
Таблица 2
Технологические параметры цементации грунтов
Параметр Значение
Вид раствора Цементный с глино-карбонатной добавкой
Плотность раствора , кг/м3 1800
Глубина закрепления, м 10
Диаметр закрепления , м 1,4
Расстояние между скважинами , м 1
Количество скважин, шт. 623
Объем раствора на одну заходку, м3 3,9
Объем раствора на одну скважину, м3 15,5
Общий объем раствора, м3 9656,5
Давление нагнетания раствора , МПа 0,4-0,5
Для установки каждого инъектора бурится скважина до отметки -1,80 м, затем инъектор устанавливается в скважину и опускается вибропогружателем до отметки первой заходки - 3,70 м. Технологией предусмотрено применение неизвлекаемых инъекторов, которые дополнительно армируют грунт основания. Инъекторы изготавливаются из труб диаметром 42 мм с толщиной стенок 2,8 мм и высотой перфорированной части 1,5 м (2,0 м). Длина перфорированной части инъектора I типа принимается -1,5 м, для II типа 2,0 м. Общее количество инъекторов - 623 шт. В зазоре между стенкой скважины и инъектором устанавливается «мертвый пакер» и выдерживается сутки до начала инъецирования первой заходки. По остальным трём заходкам до отметки - 9,55 м инъектор опускается вибропогружением.
Тампонажный ресурсосберегаюзий раствор готовится путём разведения реагентов исходя из следующих процентных соотношений: портландцемент -30 %; глинокарбонатная добавка -42 %; вода -28 %. Для закрепления грунтов используется сульфатостойкий портландцемент М400. Приготовление раствора должно производиться непосредственно перед нагнетанием его в грунт с помощью растворомешалки типа РМ - 0,35. Нагнетание закрепляющего раствора производится насосом НБ3-120/40 Расчетный общий расход материалов для приготовления раствора следующий: портландцемент 410 т; добавка 570 т; вода 660 м3.
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема приготовления и нагнетания цементного раствора с добавками
Перед началом производства работ по закреплению грунтов на участке были организованы экспериментальные закачки раствора. Нагнетание раствора в каждую скважину производилось по комбинированной технологической схеме до условного отказа, за который принималось: поглощение скважиной расчётного количества закрепляющего раствора при давлении нагнетания не превышающего проектного 0,35.0,4 МПа и при регулируемой подаче раствора. Давление нагнетания раствора не должно превышать 0,5 МПа. При давлении нагнетания менее 0,2 МПа инъекция считалась неудовлетворительной, выполнялась повторная закачка дополнительного объёма закрепляющего раствора после технологического перерыва не менее 1 суток.
Схема цементации грунтов основания приведена на рис. 3.
Глина ИГЭ-2
Рис. 3. Схема цементации грунтов основания под ленточным
фундаментом
На участке экспериментальных инъекций выполнено контрольное бурение. На образцах закрепленных грунтов проведены исследования деформационно-прочностных свойств. Сравнение результатов изменения свойств грунта до и после цементации выполнялось в сходственных точках закрепления, и средние значения представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты исследования деформационно-прочностных свойств
грунтов
Условие № ИГЭ р, т/м3 Е, МПа Ф, град С, МПа
В естественном обводнении 1 1,75.1,78 7.8 19 0,018
2 1,98.2,04 18.19 20 0,034
После закрепления 1 2,10.2,15 23.25 21.22 0,22.0,24
2 - - - -
По результатам моделирования 1 2,05.2,10 28.30 22.23 0,25.0,27
2 2,21.2,23 32.36 24.25 0,29.0,30
Исходя из результатов лабораторных и натурных исследований, после инъекции достигаются физико-механические характеристики закрепленных грунтов: модуль общей деформации 23...25 МПа и прочность при одноосном сжатии затвердевшего армированного грунтового элемента 5.6 МПа, что позволяет после реконструкции основания обеспечить нормальную эксплуатацию школы.
Выводы
По результатам инженерно-геологических изысканий установлено, что основной причиной аварийных деформаций здания является гидроактивизация суглинка и проявление просадочности основания фундамента. В качестве способа реконструкции основания выбран метод укрепления грунтов путем напорной цементации с использованием ресурсосберегающего раствора, в котором 42 % дешевых добавок. Как показали экспериментальные закачки раствора, после инъекции физико-механические характеристики закрепленных грунтов улучшаются: модуль общей деформации 23...25 МПа и прочность при одноосном сжатии затвердевшего армированного грунтового элемента 5.6 МПа, что подтверждает эффективность напорной инъекции цементно-глинокарбонатного раствора в проса-дочные суглинки.
Список литературы
1. Должиков П.Н., Пронский Д.В., Легостаев С.О. Тампонажно-закладочные работы в регионах закрытия шахт: монография. Ростов-на Дону: ООО «ДГТУпринт». 2020. 291с.
2. Проблемы развития горнодобывающего комплекса Восточного Донбасса и пути их решения: монография / под ред. Страданченко С.Г. Новочеркасск: Лик. 2009. 198 с.
3. Должиков П.Н, Прокопов А.Ю. Геодинамические процессы в гидроактивизированных подработанных горных массивах: монография. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2015. 149 с.
4. Косов О.И. Геодинамические процессы при ликвидации шахт Восточного Донбасса // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности. Шахты: ЮРО АГН РФ. 2006. № 9. C.139-145.
5. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over inclined shafts af Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. P. 159 - 165.
6. Качурин Н.М. Геомеханические и аэрогазодинамические последствия подработки территорий горных отводов шахт Восточного Донбасса // ИзвестияТульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. №. 1. С. 170-181.
7. Должиков П.Н., Легостаев С.О., Талалаева В.М. Анализ гидроактивизации массива горных пород при подтоплении Шахтинского угольного района // Сб. науч. тр. 14-й Межд. научн.-техн. конф. «Перспективы развития строительных технологий». Днепр: НТУ «ДП», 2020. С.16-21.
8. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Hamidullina // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
9. Комплексный метод тампонажа при строительстве шахт: учеб. пособ / Э. Я. Кипко [и др.]. 2-е изд., доп. и перераб. Днепропетровск: Национальный горный ун-т. 2004. 367 с.
10. Должиков П.Н., Фурдей П.Г. Бесцементные тампонажно-закладочные смеси на основе шлаковых отходов: монография. Дюссельдорф: LAPLAMBERT. AcademicPublishing, 2018. 173с.
11. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Буро-инъекционная технология упрочнения оснований фундаментов: монография. Ростов-на-Дону: ООО «ДГТУ-принт». 2019. 174с.
12. Исаев Б.И., Бадеев С.Ю., Цапкова Н.Н. Инъекция грунтов при возведении фундаментов, подготовка оснований и охрана окружающей среды. Ростов-на-Дону: Фонд науки и образования. 2014. 513 с.
13. Должиков П.Н., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Исследование деформационно-прочностных свойств грунтов, армированных буро-инъекционными сваями // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. №4. С.221-228.
Прокопов Альберт Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, prokopov72 aramhler.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., dolpnayandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Талалаева Виктория Михайловна, ассист, victoryHHtagmail. com, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Легостаев Станислав Олегович, горный инженер, гл. методист, stas_legostaev@mail.ru, Россия, Шахты, Шахтинский техникум дизайна и сервиса «Дон-Текс»
SURVEY RESULTS AND FIXING OF HYDROACTIVATED SUBSIBLE SOILS UNDER
THE EMERGENCY SCHOOL BUILDING
A.Yu. Prokopov, P.N. Dolzhikov, V.M. Talalaeva, S.O. Legostaev
Engineering-geological studies have established that subsidence loams form the basis of the foundations of the emergency building of the school. To stabilize the deformations of the building, pressure grouting of deconsolidated dispersed soils is used using a resource-saving cement-clay-carbonate formulation. On the basis of laboratory and field experiments, the parameters of fixing the base soils were substantiated and a high degree of technical and economic efficiency was proved in the reconstruction of the base represented by hydroacti-vated subsidence soils.
Key words: emergency building, geology, collapsible soil, resource-saving mortar, technology, injection, fixing.
Prokopov Albert Yurievich, doctor of technical sciences, professor, head of the chair, prokopov 72@rambler.ru , Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Dolzhikov Pyotr Nikolaevich, doctor of technical sciences, prof., dolpnayandex.ru , Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Talalaeva Victoria Mikhailovna, assistant, victoryHHt@gmail.com , Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Legostaev Stanislav Olegovich, mining engineer, chief methodologist, stas_legostaev@mail.ru , Russia, Shakhty, Shakhty Technical School of Design and Service "Don-Tex"
Reference
1. Dolzhikov P.N., Pronsky D.V., Legostaev S.O. Grouting and laying works in the regions of mine closure: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DGTUprint". 2020. 291c.
2. Problems of development of the mining complex of Eastern Donbass and ways to solve them: monograph / ed. Stradanchenko S.G. Novocherkassk: Lik. 2009. 198 p.
3. Dolzhikov P.N., Prokopov A.Yu. Geodynamic processes in hydroactivated mined mountain massifs: monograph. Rostov-on-Don: RGSU, 2015. 149 p.
4. Kosov O.I. Geodynamic processes during the liquidation of the mines of Eastern Donbass // Ecological and economic problems of nature management in the mining industry. Mines: YURO AGN RF. 2006. No. 9. C.139- 145.
5. Dolzhikov P.N., Belodedov A.A., Legostaev S.O. Research into Dangerous surfase deformations over enclosed shafts af Abandoned Coalmines. Scientific Reports on Resource Issues. Freiberg, Germany: TU Bergakademie, 2016. V.1. P. 159 - 165.
6. Kachurin N.M. Geomechanical and aerogasodynamic consequences of mining the territories of mining branches of the mines of Eastern Donbass // Izvestiyatul State University. Earth sciences. 2017. No. 1. pp. 170-181.
7. Dolzhikov P.N., Legostaev S.O., Talalaeva V.M. Analysis of hydroactivation of a rock mass during flooding of the Shakhtinsky coal district // Collection of scientific tr. 14th International scientific-Technical. conf. "Prospects for the development of construction technologies". Dnipro:NTU "DP", 2020. pp.16-21.
8. Investigations of the regularity of the formation of a dip over the mine / P. Dolzhikov, A. Prokopov, M. Prokopova, N. Hamidullina // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 196. Article 03008. (XXVII R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering).
9. Complex method of grouting in the construction of mines: textbook. the manual / E. Ya. Kipko [et al.] // 2nd ed., reprint. and add. Dnepropetrovsk: National Mining Universi-ty-T. 2004. 367 p.
10. Dolzhikov P.N., Furday P.G. Cement-free grouting-laying mixtures based on slag waste: monograph. Dussel-dorf: LAPLAMBERT. AcademicPublishing, 2018. 173s.
11. Dolzhikov P.N., Zbitskaya V.V. Drilling-injection technology of strengthening the foundations of foundations: monograph. Rostov-on-Don: LLC "DSTU-print". 2019. 174c.
12. Isaev B.I., Badeev S.Yu., Tsapkova N.N. Injection of soils during the construction of foundations, preparation of foundations and environmental protection. Rostov-on-Don: Foundation for Science and Education. 2014. 513 p.
13. Dolzhikov P.N., Akopyan A.F., Akopyan V.F. Investigation of the deformation and strength properties of soils reinforced with drill-injection piles // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. No. 4. pp.221-228.
