CC BY
43
УДК 624.154.1
СТРУКТУРИРОВАНИЕ И УПРОЧНЕНИЕ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ
ПРИ НАПОРНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
П.Н. Должиков, М.Ю. Псюк
Рассмотрены процессы структурирования в глинистых грунтах после их напорной цементации. Предложен новый показатель цементации грунтов, по которому возможно оценить деформационные и прочностные свойства грунтов в зависимости от объема закачанного цементного раствора.
Ключевые слова: глинистый грунт, цементация, показатель цементации, деформация, прочность.
Практика современного строительства в сложных инженерно-геологических условиях показывает, что высокоэффективным методом упрочнения грунтов основания фундаментов зданий является напорная цементация с гидрорасчленением грунта [1 - 3]. Использование этого метода имеет широкий диапазон по инженерно-геологическим условиям и позволяет достигать высокой степени упрочнения грунта с экономической эффективностью в 2 - 3 раза.
Сущность данного метода заключается в нагнетании цементного раствора плотностью 1800 кг/м под давлением гидроразрыва глинистого грунта (1...3 МПа). В околоскважинном пространстве формируется система разнонаправленных цементных каналов (их называют уширениями или корнями). В зависимости от свойств грунта радиус гидрорасчленения составляет 1.2 м, а эквивалентная полость, заполненная цементным раствором, может изменяться от 10 до 50 % грунтового объема. В результате напорной инъекции грунта в нем формируется армирующая цементная сетка преимущественно с горизонтальным ориентированием, а между уширениями грунт консолидируется с улучшением деформационно-прочностных свойств [3].
В настоящее время достаточно полно разработаны методика проектирования и технологические схемы постановки таких буро-инъекционных свай при усилении оснований фундаментов. Однако на стадии проектирования невозможно прогнозировать степень упрочнения грунта, т.е. оценить его деформационно-прочностные свойства. Поэтому на практике часто прибегают к проведению опытных инъекцийи оценке несущей способности буроинъекционных свай, что является дорогостоящим мероприятием
[4].
В этой связи целесообразно выполнить обоснование критерия цементации глинистых грунтов, по которому возможно оценивать прочность заинъектированного грунта в зависимости от объема цементного раствора.
Естественные и искусственные грунты характеризуются помимо морфологических особенностей определенными структурными связями. При этом структурные связи представляют один из важнейших факторов, определяющих водно-физические и физико-механические свойства грунтов. Доказано, что тип структурных связей в грунтах имеет особое влияние на их деформационные и прочностные характеристики [5]. Особенно структурные связи влияют на прочность грунта, которая вырастает по мере изменения прочности межчастичных контактов. Поэтому в грунтах в зависимости от характера контактных связей выделяются следующие виды структур: коагуляционные; переходные; кристаллизационно-цементационные; смешанные; раздельнозернистые.
Поскольку рассматриваемые глинистые породы могут быть отнесены к грунтам с коагуляционными структурами, с незначительными включениями кристаллизационно-цементных структур, то после цементации эти грунты имеют четко выраженные смешанные структуры- коагуляци-онно-цементационные. В глинистой части закрепленного грунта преобладают коагуляционные структуры, а в цементных уширениях формируется достаточно прочная цементно-кристализационная структурная стека, армирующая грунт. Следует отметить, что микростроение таких грунтов отличается большим разнообразием в зависимости от пространственного положения вокруг инъектора.
Первоначально глинистые грунты различной степени литификации могут быть разуплотнены, иметь нарушенное сложение (например, насыпные), обладать высокой пористостью (40.. .60 %) при низких значениях плотности
(1,5.2,0 г/см ) с высокой обводненностью (> 0,8).Затем в результате цементации грунт существенно изменяет свои свойства: низкая пористость, высокая плотность. Поэтому заинъектированный грунт будет обладать новыми деформационно-прочностными свойствами. Деформирование таких грунтов при одноосном сжатии носит упруго-вязкий характер. Причем переход от упругих деформаций к вязким происходит после хрупкого разрушения цементных уширений. Поэтому характер деформационного поведения грунта будет определяться соотношением коагуляционных и кристаллизационно-цементных контактов. На первом этапе сжатия вся нагрузка воспринимается «цементным скелетом» в грунте, поэтому деформации будут упругие. После разрушения цементных контактов армирующей системы напряжения воспринимаются уплотненными глинистыми прослоями с коагуляционными контактами, что вызывает вязкое течение грунта.
Экспериментальные исследования деформационно-прочностных свойств заинъектированных грунтов проводились на образцах четвертичных суглинков с объемной массой скелета грунта 1,55-2,0 г/см , влажностью на границе раскатывания 22 % и на границе текучести 35 %, началь-
ной пористостью 0,42.0,45. Влажность испытываемых суглинков изменялась от 25 % до 35 %.
Исходя из условий косоугольного деформирования грунта под фундаментом [6], была выбрана модель для испытания заинъектированных грунтов с приложением сдвигающей нагрузки под углом 30°. Таким образом, в деформирование включались все слои грунта - глинистые и цементные. Число цементных слоев в испытываемом образце варьировалось так, что соотношение мощности эквивалентного слоя АН к высоте образца Нсо-ставляло 0,1; 0,25; 0,5. Схема испытаний образца при АН/Н = 0,25 приведена на рис. 1.
Результаты испытаний заинъектированного грунта при одноосном сжатии приведены на рис. 2. Испытания проводились при различной влажности грунта.
Полученные данные показали, что при влажности близкой к границе текучести слои грунта «скользят» по цементному каркасу и деформируемость грунта увеличивается. В общем случае, когда структура грунтов и влажность натурные, относительная деформация заинъектированных грунтов не превышает 2 %.
Поскольку изучаемый грунт имел коагуляционные и цементационные контакты, то зависимость сдвигающего напряжения от нормальной нагрузки имела криволинейный характер (рис. 3). Исследования проводили по методике быстрого сдвига.
При напряжениях сжатия более 0,3 МПа происходило выполажива-ние кривой сдвига. Это указывает на развитие в грунте пластических деформаций.
Рис. 2. Относительная деформация заинъектированного грунта: 1 - 1¥=32 %; 2 - W=30 %; 3 - W=25 %
Рис. 3. Кривые сдвига для заинъектированных грунтов: 1 - W=32 %; 2 - W=30 %; 3 - W=25 %
Установлено, что в результате формирования в грунте цементных уширений происходит увеличение сцепления с 0,02.0,03 МПа до 0,2.0,35 МПа, а угол внутреннего трения изменяется на 2.3°. Такое резкое увеличение сцепления обусловлено наличием кристалло-цементных структурных связей в армирующем каркасе. Коагуляционные структурные связи вступают в работу на втором этапе сдвига. Поэтому сдвиговое раз-
рушение грунта носит хрупко-пластичный характер. Повышение влажности грунта приводит к активизации пластических деформаций.
Таким образом, формирование в глинистом грунте жесткого кристаллического каркаса из цемента приводит к резкому улучшению строительных свойств этих грунтов за счет преобладающего механического действия армирующего каркаса. Причем степень цементации грунтов в зависимости от их свойств и инженерной задачи может быть разной [1, 10, 11].
Будем рассматривать некоторый объем грунта V с начальной пористостью П0. Объем скелета грунта
vs =(1 - «0 У (1)
С другой стороны, в этом объеме У$ присутствуют объемы грунта с коагуляционными связями Уки с кристаллизационно-цементационными
связями уКц: У = ук + уКц.
В результате инъекции в грунт цементного раствора с выходом камня к можно записать
У*ц = V + кУц = Ук + Укц + кУц. (2)
Введем безразмерный показатель цементации грунта, равный отношению объемов скелетов заинъектированного грунта к начальному объему скелета:
V кУ кУ п = = 1 +-ч— = 1 + --ч—. (3)
У У + У (1 - п0 )У
« к кц V 0 /
Как видно, этот показатель всегда больше единицы и показывает степень изменения структурных связей в грунте за счет инъекции цементного раствора объемом Уц. Например, выполняется инъекция насыпного
грунта с пористостью п0 = 0,5 цементным раствором с выходом камня к = 0,75 (плотность 1,6 г/см ) под давлением, обеспечивающим соотношение Уц/У = 0,2. Показатель цементации грунта составляет п=1,3, что показывает: объем кристалло-цементных связей в грунте увеличивается на 30 %. Это означает, что показатель цементации косвенно показывает увеличение прочности заинъектированного грунта. Поскольку прочность за-инъектированного грунта увеличивается за счет формирования цементного каркаса и за счет уплотнения грунта, то необходимо учесть и последнее.
На образцах четвертичного суглинка была проведена серия сдвиговых испытаний заинъектированных грунтов (цементно-силикатный раствор плотностью 1,8 г/см ). При этом эквивалентный объем цементного раствора изменялся от 0 до 0,5, а формула показателя цементации для цилиндрического объема грунта имела вид
к АИ ,
П = 1 + ---г. (4)
1 - п И
Результаты сдвиговых испытаний грунтов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты сдвиговых испытаний грунта
п/п Пористость, по, % Выход цементного камня, д.ед. Отношение ДИ/И Показа-тельце-мен-тации, П, дед. Сцепление, С, МПа Угол внутреннего трения, Ф,град Напряжение сдвига, т, МПа
1 48 0,9 0 1,0 0,027 25 0,17
2 47 0,9 0,1 1,17 0,16 24 0,30
3 47 0,9 0,25 1,42 0,26 22 0,37
4 50 0,9 0,5 1,9 0,35 22 0,47
По результатам исследований установлено, что в зависимости от объема закачанного цемента показатель цементации имеет линейную функцию. Однако увеличение объема инъектируемого цемента дает нелинейную зависимость напряжения сдвига грунта. Поэтому в интервале действующих напряжений в грунте (0,1.0,5 МПа) зависимость напряжения сдвига грунта от объема инъекции принимается линейной. Исходя из этого, результаты исследований напряжения сдвига грунта, после статистической обработки [7], сравнивались с показателем цементации.
Это позволило с погрешностью 14.16 % получить эмпирическую зависимость
' кУ, ^
т = 1,5т0
1 +
ц
= 1,5(С0 +ан^Фо И +
кУ,
\
ц
(1 -П0V 0 V (1 -П0) V
(5)
где С0, ф0 - начальные сцепление и угол внутреннего трения грунта.
Эмпирический параметр ^=1,5 был определен для четвертичных суглинков и учитывает свойства грунта и степень уплотнения суглинка между уширениями. По данным [3] суглинок в результате инъекции цементного раствора уплотняется в 1,4 - 1,8 раза, а модуль общей деформации увеличивается в среднем в 1,5 раза.
Таким образом, инъекция цементного раствора в глинистый грунт в режиме гидрорасчленения приводит к формированию в нем кристаллиза-ционно-цементационной структуры; деформирование такого грунта имеет упруго-вязкий характер и составляет 2.4 %, а напряжение сдвига может быть оценено по новой эмпирической формуле в зависимости от объема закачанного цементного раствора.
Список литературы
1. Должиков П.Н., Збицкая В.В. Буро-инъекционная технология упрочнения оснований фундаментов: монография. Ростов н/Д: ООО «ДГТУ-принт», 2019. 174 с.
2. Инъекция грунтов при возведении фундаментов, подготовка оснований и охрана окружающей среды / Б.И. Исаев [и др.]. Ростов н/Д: Фонд науки и образования, 2014. 513 с.
3. Должиков П.Н., Акопян А.Ф., Акопян В.Ф. Исследования деформационно-прочностных свойств грунтов, армированных буро-инъекционными сваями // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4. С. 221-228.
4. Должиков П.Н., Талалаева В.М. Испытания несущей способности буро-инъекционных цементных свай // Физико-математические и технические науки, как постиндустриальный фундамент общества. Уфа: Аэтерна, 2018. С. 41-43.
5. Теоретические основы инженерной геологии / под.ред. Е.М. Сергеева. М.: Недра, 1985. 288 с.
6. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б. Ухов [и др.]. М.: Высшая школа, 1994. 527 с.
7. Должиков П.Н. Семирягин С.В. Основы планирования и обработки результатов экспериментальных исследований. Алчевск: ДонГТУ, 2013. 191 с.
8. Сорочан Е.А., Быков В.И., Егоров А.И. Усиление грунтов основания, фундаментов и несущих конструкций аварийных зданий инъекционными методами // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2001. №1. С. 20-22.
9. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles //The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2015. P. 79-83.
10. Benoot J. et al. Analysis of installation factors of screwed tube piles with grout injection // Proceedings of the Fourth International Conference on New Developments in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. V. 1. №.1. P. 225-230.
11. Прокопов А.Ю., Сычев И.В. Определение деформационных характеристик грунтового массива, преобразованного по технологии армирования грунта цементно-песчаным раствором // Инженерный вестник Дона, 2019. №3(54). С. 28.
Должиков Петр Николаевич, д-р техн. наук, проф., dolpn'a yandex.ua, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Псюк Марина Юрьевна, асп., marikapt@rambler. ru, Луганская Народная Республика, Алчевск, Донбасский государственный технический университет
STRUCTURING AND STRENGTHENING OF CLAY SOILS UNDER PRESSURE
CEMENTATION
P.N. Dolzhikov, M. U. Psuk
Structuring processes in clay soils after their cementation have been considered. A new indicator of soil cementation is proposed, by which it is possible to evaluate the deformation and strength properties of soils depending on the volume of injected cement.
Key words: clay soil, cementation, cementation index, deformation, strength.
Dolzhikov Peter Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, dolpnayandex. ua, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Psuk Marina Urevna, postgraduate, marikaptarambler. ru, Luhansk People's Republic, Alchevsk, Donbass State Technical University
Reference
1. Dolzhikov P. N., Zbitskaya V. V. Buro-injection technology for strengthening the foundations of foundations: monograph. Rostov n/A: LLC "DSTU-print", 2019. 174 p.
2. Injection of soil in the construction of foundations, preparation of foundations and environmental protection / B. I. Isaev [et al.]. Rostov n/ A: Foundation of science and education, 2014. 513 p.
3. Dolzhikov P. N., Akopyan A. F., Akopyan V. F. Research of deformation and strength properties of soils reinforced with drill-injection piles // Izvestiya of the Tula state University. earth science. 2019. Issue 4. Pp. 221-228.
4. Dolzhikov P. N., talalaeva V. M. Tests of the bearing capacity of drilling-injection cement piles // Physical and mathematical and technical Sciences, as a post-industrial Foundation of society. Ufa: Aeterna, 2018. Pp. 41-43.
5. Theoretical foundations of engineering Geology / ed. by E. M. Sergeev. Moscow: Nedra, 1985. 288 p.
6. Mechanics of soils, bases and foundations / S. B. Ukhov [et al.]. Moscow: Higher school, 1994. 527 p.
7. Dolzhikov P. N. Semiryagin S. V. Fundamentals of planning and processing of experimental research results. Alchevsk: DonGTU, 2013. 191 p.
8. Sorochan E. A., Bykov V. I., Egorov A. I. Strengthening of Foundation soils, foundations and load-bearing structures of emergency buildings by injection methods // Foundations, foundations, and soil mechanics. 2001. No. 1. P. 20-22.
9. Herion S. et al. Numerical Investigations on the Deformation Behavior of Horizontal Loaded Injection Piles // The Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2015. P. 79-83.
10. Benoot J. et al. Analysis of installation factors of screwed tube saws with grout injection // Proceedings of the Fourth International Conference on New Developments in Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. V. 1. no.1. P. 225-230.
11. Prokopov A. Yu., Sychev I. V. Determination of the deformation characteristics of the soil mass transformed by the technology of soil reinforcement with cement-sand solution // Engineering Bulletin of the don, 2019. no. 3(54). P. 28.
