Содержание к диссертации
Введение
1. Изученность вопроса контроля и прогнозирования состояния и свойств грунтовых массивов оснований горнотехнических сооружений, укрепляемых методом высоконапорной инъекции 4
1.1. Проблема укрепления обводненных неустойчивых грунтов оснований горнотехнических сооружений в Кузбассе 4
1.2. Технология укрепления грунтового массива методом высоконапорной инъекции (ВНИ) 19
1.3. Методы контроля состояния и свойств массива при его укреплении инъекционными методами 25
1.3.1. Геолого-маркшейдерские методы 26
1.3.2. Геофизические методы 28
1.4 Выводы, цель и задачи исследования 32
2. Обоснование схем и информационных критериев комплексного мониторинга процессов ВНИ 34
2.1 Изменение прочностных, деформационных и акустических свойств грунтов 34
2.2. Электрофизические свойства укрепляемых грунтов 37
2.3. Техническое обеспечение геолого-геофизического мониторинга при ВНИ 47
2.3.1. Геологические изыскания 47
2.3.2. Статическое геомеханическое зондирование 49
2.3.3. Сейсмическое зондирование 52
2.3.4. Маркшейдерско-геодезические измерения 54
2.3.5. Электрофизический бесскважинный геоконтроль 56
2.3.6. Скважинный бесконтактный индукционный геоконтроль 60
2.3.7. Совмещение мониторинга с технологическими операциями ВНИ 61
2.4. Информационные критерии геоконтроля качества высоконапорной инъекции грунтов 64
Выводы 70
3. Установление закономерностей изменения контролируемых физических свойств массива на различных стадиях ВНИ 73
3.1. Геологический и электрофизический контроль при строительстве сооружений на укрепляемом основании 73
3.2. Геологический, электрофизический и индукционный контроль при сооружении свайного фундамента во влагонасыщенных слоистых грунтах 85
3.3. Геологический и сейсмический контроль при укреплении основания эксплуатируемого сооружения 91
3.4. Геологический и электрофизический контроль при ликвидации аварийного состояния сооружения 100
Выводы 110
4. Разработка и реализация технических решений по геолого-геофизическому мониторингу оснований сооружений, укрепляемых методом ВНИ 112
4.1. Способ и устройства устранения неравномерных осадок конструкции 112
4.2. Способы контроля глубины погружения буронабивных, буроинъекционных и железобетонных свай 119
4.3. Внедрение разработок по контролю технологии ВНИ в Кузбассе... 129
Выводы 138
Заключение 140
Список литературы 143
Приложения 155
- Технология укрепления грунтового массива методом высоконапорной инъекции (ВНИ)
- Техническое обеспечение геолого-геофизического мониторинга при ВНИ
- Информационные критерии геоконтроля качества высоконапорной инъекции грунтов
- Геологический, электрофизический и индукционный контроль при сооружении свайного фундамента во влагонасыщенных слоистых грунтах
Введение к работе
Актуальность работы
Несвязные и частично связные песчано-глинистые отложения распространены на территории Кузбасса и имеют мощность до 30-50 м. Ведение горно-строительных работ и эксплуатация горнотехнических сооружений осложняется низкими прочностными параметрами грунтов, влиянием на них геосейсмической активности, перепадов температуры, влагонасыщения, статической деформации земной поверхности. При проходке устьев стволов имеют ме-сто вывалы объемом до 600 м , при ведении открытых горных работ в массивах глинистых четвертичных отложений зафиксированы обрушения бортов объемом до 700 тыс. м3, при эксплуатации надшахтных сооружений, технических и административных объектов происходят недопустимые осадки оснований. Для устранения технологических нарушений необходимо применение методов контролируемого инъекционного уплотнения массивов неустойчивых грунтов.
Разработанная в ОАО "Институт "УралНИИАС" технология высоконапорной инъекции (ВНИ), включающая стадии частичного гидроразрыва закрепляемого слоя, заполнения полости цементно-песчаным раствором, уплотнения зоны инъекции опрессовкой и формирования несущего инженерно-геологического элемента, является эффективным методом управления физико-механическими свойствами грунтового массива. Применение технологии ВНИ для укрепления оснований горнотехнических сооружений сдерживается отсутствием надежных методов комплексного мониторинга гидродинамических и геомеханических процессов в укрепляемом массиве с учетом неоднородности его свойств. Для решения данной проблемы необходимо традиционные геолого-маркшейдерские методы геоконтроля применять в комплексе с геофизическими, что обеспечит детальный мониторинг состояния и свойств массива в пространстве и во времени. Вместе с тем, до настоящего времени не разработаны методики геолого-геофизического мониторинга, отражающие особенности физических свойств грунтового массива и диапазоны изменения информационных критериев геоконтроля, не установлены зависимости между параметрами геоконтроля, необходимые для прогноза качества укрепительных работ, не разработаны способы непрерывного мониторинга процессов ВНИ при ведении строительных и ремонтных работ.
Актуальным представляется теоретическое, экспериментальное обоснование, разработка способов и методик геолого-геофизического мониторинга процессов ВНИ грунтовых оснований горнотехнических сооружений, увязанных с основными технологическими операциями.
Исследования выполнялись при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 05-05-64100.
Цель работы - разработка способов геолого-геофизического мониторинга грунтовых оснований, укрепляемых методом высоконапорной инъекции, обеспечивающих увеличение сроков безаварийной эксплуатации горнотехнических сооружений.
Основная идея работы заключается в использовании взаимосвязей прочностных, деформационных, акустических и электромагнитных свойств массивов песчано-глинистых грунтов, подвергнутых воздействию ВНИ, для непрерывного контроля процессов дезинтеграции, насыщения укрепляющим раствором, консолидации и набора прочности обрабатываемой зоны.
Задачи исследования:
- обоснование схем и информационных критериев комплексного мониторинга процессов ВНИ;
- установление закономерностей изменения контролируемых физических свойств массива на различных стадиях ВНИ;
- разработка и реализация технических решений по геолого-геофизическому мониторингу оснований сооружений, укрепляемых методом ВНИ.
Методы исследований
Выполнен комплекс исследований, включающий: анализ и обобщение научно-технической информации в областях инъекционного укрепления грунтовых массивов, методов контроля состояния, свойств горных пород и качества укрепительных работ; натурные экспериментальные исследования процессов в грунтовых массивах методами геологического, маркшейдерского и геофизического мониторинга на специально оборудованном полигоне и промышленных объектах; обработка результатов экспериментов методами теории информации и статистики.
Объекты исследований - зоны неустойчивых песчано-глинистых грунтов в основаниях горнотехнических сооружений, подвергнутых укреплению методом ВНИ цементосодержащих растворов.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- вероятность устойчивого состояния массива при интегрированном геоконтроле (без внедрения) определяется соотношением средних прогнозных значений текущей и конечной прочностей, а при дифференцированном (с внедрением) - относительной суммарной величиной интервалов с прогнозной прочностью, превышающей минимальный зафиксированный по глубине уровень, при этом на заключительных стадиях укрепления необходимость интегрированного геоконтроля стремится к нулю, а дифференцированного - стабилизируется на уровне Ад = 0,3 7-0,51;
- мониторинг изменений эффективного удельного электросопротивления обеспечивает контроль радиуса распространения укрепляющего раствора при ВНИ в диапазоне 0,2-0,6 м и прогнозирование конечного уровня прочности, превышающего начальный в 1,5-4 раза;
- геолого-геофизический мониторинг включает установление расположения первоочередных участков ВНИ с наименьшими осадками оснований, контроль стабилизации дополнительных осадок при селективном нагнетании и обеспечивает устранение деформаций продольной оси сооружений.
Научная новизна работы заключается:
- в определении диапазонов изменения информационных критериев при контроле качества ВНИ;
- в установлении закономерностей изменения физико-механических, электрофизических параметров грунтового массива при ВНИ и взаимосвязей между ними;
- в разработке способа непрерывного мониторинга деформаций и изменения свойств основания сооружения при селективной контролируемой ВНИ
для устранения неравномерных осадок сооружения. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- применением стандартных методик инженерно-геологических изысканий, маркшейдерских и геофизических измерений, а также измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку;
- использованием методов статистики и теории информации при обработке экспериментальных данных;
- положительными результатами применения методов геолого-геофизического мониторинга процессов ВНИ на более чем 30 объектах технических сооружений в течение 8 лет.
Личный вклад автора заключается:
- в обосновании информационных критериев контроля качества ВНИ;
- в разработке методик, организации, проведении натурных экспериментальных исследований по комплексному контролю процессов ВНИ, обработке и анализе их результатов;
- в разработке технических решений по контролируемой селективной ВНИ грунтовых оснований горнотехнических сооружений;
- в организации внедрения научно-технических разработок по геолого-геофизическому мониторингу процессов ВНИ на объектах промышленного и гражданского назначения в Кузбассе.
Научное значение работы состоит в установлении информационных критериев, диапазонов изменения и взаимосвязей физических свойств грунтового массива, подвергнутого ВНИ, разработке на этой основе технических решений, обеспечивающих непрерывный геолого-геофизический мониторинг гидродинамических и геомеханических процессов.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке методик комплексного мониторинга процессов ВНИ грунтов, увязанной с технологическими операциями и планограммой работ;
- в разработке методик, обеспечивающих контроль процессов селективной ВНИ грунтовых оснований неравномерно деформированных сооружений.
Реализация работы. Рекомендации по геолого-маркшейдерскому мониторингу состояния и свойств грунтового массива при ВНИ использованы ООО "НООЦЕНТР-Д" и ОАО УК "Кузбассразрезуголь" при строительстве, реконструкции и ремонте технических сооружений. Результаты работы вошли составной частью в "Методические указания по комплексному геологическому, маркшейдерско-геодезическому и геофизическому контролю процессов укрепления оснований горнотехнических сооружений методом высоконапорной инъекции цементно-песчаных растворов / ГУ КузГТУ, ООО "НООЦЕНТР-Д". -Кемерово, 2006. - 40 с", согласованные с ОАО УК "Кузбассразрезуголь".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Казахстанско-Японском геотехническом семинаре (Астана, 2001 г.), научно-техническом семинаре "Вопросы инженерно-геологических, экологических и геодезических изысканий в Уральском регионе (Екатеринбург, 2003 г.), Международном геотехническом симпозиуме "Фундаментостроение в сложных инженерно-геологических условиях" (Санкт-Петербург, 2003 г.), Российской научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов" (Пермь, 2004 г.), Международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии разработки и использование минеральных ресурсов" (Новокузнецк, 2006), IV Российско-китайском симпозиуме "Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений" (Кемерово, 2006), Неделе горняка (Москва, 2007), научной конференции студентов, аспирантов и преподавателей ГУ КузГТУ (Кемерово, 2007).
Экспонат "Технология контролируемой высоконапорной инъекции цементно-песчаных растворов при укреплении оснований технических сооружений", включающий разработки автора диссертации, удостоен диплома I степени Международной выставки "Экспо-Сибирь" (Кемерово, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 монография, 6 статей в реферируемых журналах, получено 2 патента на изобретения и 1 свидетельство на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 22 таблицы, список литературных источников из 164 наименований, приложения.
Технология укрепления грунтового массива методом высоконапорной инъекции (ВНИ)
Физические и методические основы инъекционного укрепления трещиновато-пористых горных пород заложены в результате фундаментальных исследований в области физико-химического воздействия на массив, изложенных в работах А. Камбефора [42], И. И. Вахрамеева [43], Н. Г. Трупака [44], Э. Я. Кипко, Ю. А. Полозова, О. Ю. Лушниковой [4-6], И. Т. Айтматова, Б. Д. Половова [45], Ю. 3. Заславского [46], А. П. Максимова [47], Л. М. Ерофеева [48], В. А. Хямяляйнена, Ю. В. Буркова, П. С. Сыркина [8,9].
Теория и практика инъекционного упрочнения массива горных пород вокруг подземных горных выработок нашло отражение в целом ряде научных публикаций, монографий [49-60]. В достаточной степени изученными являются вопросы определения гидродинамических характеристик массива, обоснования состава и характеристик тампонажного раствора, закономерностей фильтрации растворов в трещиновато-пористой среде, технологии производства работ и контроля их качества. Ведущими организациями в области производства работ по укреплению и тампонажу неустойчивых пород на горных предприятиях, объектах подземного и городского строительства являются ГОАО "Спецтампо-нажгеология", ОАО "Кузниишахтострой" и НИИОСП им. И. М. Герсеванова.
Анализ научно-технической литературы показывает, что область применения традиционных методов ограничена твердыми породами с раскрытием трещин не менее 0,1-0,2 мм или гравелистыми породами без заполнителя пор с размером зерен не менее 2-3 мм. В трещиноватом породном массиве с более тонкой трещиноватостью и малопористом грунтовом массиве эффект от инъек-тирования можно получить только при применении высокопроникающих химических растворов. Во влагонасыщенных глинистых грунтах и плывунах рекомендовано применять замораживание или электрохимическое укрепление.
Механизм уплотнения пористых грунтов реализуется инъекцией цементного или цементно-песчаного раствора, который, проникая в поры или трещины, вытесняет воду с последующим постепенным твердением и образованием цементного камня. Теоретические и экспериментальные основы цементации грунтов разрабатывались в трудах И. М. Литвинова [61], В. Н. Голубкова [62], М. Н. Гольдштейна [63, 54], Л. В. Гончаровой [65], И. М. Горьковой [66], А. А. Бартоломея [67-70], В. И. Осипова [71-73], Б. Н. Мельникова [74], Н. А. Цытовича [75], М. Аббуда [76]. Технологические решения ограничивались только относительно высокопроницаемыми грунтами, при этом давление нагнетания раствора не должно было вызывать разуплотнение грунта. Не исследовалась возможность закрепления связных грунтов.
В работах Л. В. Нуждина [77-79], В. В. Лушникова, В. А. Богомолова [80-89], начиная с 80-х годов, были сделаны попытки внедрить растворы в связные грунты. Первые исследования показали, что грунты действительно практически непроницаемы для раствора. Раствор неконтролируемо растекался в грунтовом массиве, образуя гидроразрывы и утечки, не приводя к ожидаемому эффекту при заданном давлении. При откопке инъекторов, выполненных по традиционной технологии, было установлено, что происходит гидроразрыв пласта с неконтролируемым растеканием раствора во все стороны от инъектора на большое расстояние. При этом давление достигало критического уровня 0,2-0,5 МПа, что приводило к прорывам и выходу раствора на поверхность или в каналы коммуникаций. Эффект возрастал, когда инъекция велась под слоем мерзлого грунта, который препятствовал прорывам, при этом раствор закачивали до отказа.
Совершенно в другом направлении были начаты и доведены до внедрения в производство работы сотрудников института "Уральский Промстройпро-ект" (позднее - ОАО "УралНИАСцентр"; затем ОАО "УралНИИАС") В. И. Иваненко, А. А. Эппа, В. В. Лушников, В. А. Богомолова, Ю. А. Оржахов-ский и др. [91-96].
При разработке технологии высоконапорной инъекции предпринимались попытки локализовать область распространения раствора, применяя лопастные инъекторы направленного действия. Раствор поступал через отверстия в прорезы, образованные лопастями на конце инъектора при вдавливании. Образовывалась крестообразная пространственная система, которая улучшала свойства массива за счет армирования грунта жесткими элементами, образуемыми после его твердения. Эта методика так же применяется в производстве работ при строго направленном инъецировании.
Технология высоконапорной инъекции (ВНИ) неустойчивых песчано-глинистых грунтов в основаниях горнотехнических, промышленных и гражданских объектов включает следующие основные операции: частичный гидроразрыв закрепляемого слоя связных грунтов; заполнение образовавшейся полости специальным цементно-песчаным раствором; уплотнение зоны инъекции опрессовкой. После твердения смеси грунта с раствором образуется новый инженерно-геологический элемент массива, существенно повышающий его несущую способность.
Технологические решения, обеспечивающие эффективность инъекции и составляющие существо метода ВНИ, следующие: инъекция выполняется вязкими растворами, которые растекаются в массиве и в то же время кольматируют образуемые в грунте трещины и разрывы; наиболее доступно применение обычного цементно-песчаного раствора, консистенция (подвижность) которого устанавливается опытным путем; инъекция осуществляется в определенном временном режиме, включающем нагнетание раствора, кратковременную задержку инъекции для самозалечивания образующихся полостей и разрывов в грунте; производится предварительное ослабление пристенного слоя скважины водой, что позволяет исключить лавинообразное разрушение грунта и уменьшить вероятность неконтролируемых утечек раствора; в цементно-песчаные растворы вводятся специальные добавки, в зависимости от ситуации замедляющие или ускоряющие процесс твердения цемента; после инъекции осуществляется опрессовка массива грунта высоким давлением, что позволяет улучшить свойства грунта не только в области инъекции, но также в окружающем массиве.
Выполнением инъекции по описанной технологии достигается следующий эффект: закрепляющий раствор не растекается в массиве грунта, а удерживается в зоне инъекции и накапливается в ней по мере подачи его растворона-сосом. В результате процесс инъекции и упрочнения оказывается независимым от проницаемости грунта. Этот процесс подобен расширению скважины при прессиометрическом нагружении, что позволяет при анализе ситуации использовать соответствующие задачи механики грунтов, решенные ранее для этого вида нагружения грунта.
Техническое обеспечение геолого-геофизического мониторинга при ВНИ
Бурение контрольных скважин производят буровой установкой УРБ-2А-2 колонковым способом с диаметром коронки 151 мм без промывки короткими рейсами Ah = 0,151 м под руководством геолога (ответственного исполнителя работ). Отбор проб грунта из скважин (монолитов) производят методом задав-ливания тонкостенного грунтоноса диаметром d = 56-146 мм. Интервал опробования изменяется в диапазоне А/г = 0,2-1,0 м. Глубина контрольных геологических скважин должна, как правило, превышать глубину зоны закрепления на 3-4 м.
Лабораторные исследования грунтов естественного сложения и закрепленных выполняют в специализированной грунтовой лаборатории на сдвиговых и компрессионных приборах системы Тидропроект". Исследования проводят по методикам, согласно действующим ГОСТам и инструкциям. Компрессионные и сдвиговые испытания грунтов выполняют при их естественной влажности. Сжимаемость определяют с нагрузкой до 0,3 МПа ступенями по 0,05 МПа до полной консолидации грунтов на каждой ступени. Сдвиговые испытания проводятся по схеме ускоренного среза при трех ступенях вертикальных нагрузок без консолидации грунтов. Расчет показателей физико-механических свойств грунтов производят с помощью специальной программы, составленной на основе требований нормативных документов.
Для ускоренных исследований физико-механических свойств связных и несвязных грунтов применяют полевую лабораторию Литвинова ПЛЛ-9 [111]. Исследования приборами полевой лаборатории производят непосредственно в поле, на строительной площадке или в лаборатории образцов грунта, отобранных с помощью приспособлений, включенных в состав полевой лаборатории. Лаборатория позволяет производить следующие работы: отбор из шурфов, котлованов и с поверхности земли проб грунта природного сложения и природной влажности для определения их основных физических характеристик, для компрессионных испытаний и испытаний на просадочность, фильтрацию, сушку образцов грунта в сушильном шкафу, компрессионные испытания, определение объемного веса грунта (в состоянии природной влажности), объемного веса грунтового скелета, природной влажности (весовой и объемной), степени влажности, пористости и коэффициента пористости, степени плотности песчаных грунтов, пластичности глинистых грунтов (границы раскатывания, границы текучести и числа пластичности), гранулометрического состава песчаных (сыпучих) грунтов, угла естественного откоса песчаных грунтов в сухом состоянии и под водой, относительной просадочности макропористых грунтов, коэффициента уплотнения, коэффициента фильтрации, максимальной молекулярной влагоемкости. В состав полевой лаборатории входят приборы, размещенные в футляре, и сушильный шкаф. В комплект входят следующие приборы и принадлежности: прибор для определения угла естественного откоса песчаных грунтов, комплект сеток для определения гранулометрического состава песчаных грунтов, прибор для определения пластичности глинистых грунтов, два нажимных стакана для отбора грунта, толкатель, нож, весы с разновесами, два подвеса, коробка с банками для определения пластичности, две коробки с компрессионными гильзами, воронка, прибор для компрессионных испытаний, струбцина, рычажная система для нагружения, комплект грузов, четыре гильзы для определения физических показателей, прибор для определения максимальной молекулярной влагоемкости, индикатор, банка с бумажными фильтрами, прокладками и кольцами, два винтовых зажима. Статическое зондирование грунтов выполняют по методике, регламентированной ГОСТ 199112-2001.
Показатели статического зондирования грунта в процессе вдавливания зонда регистрируют с интервалом по глубине не более 0,2 м. Скорость погружения зонда в грунт должна составлять V = (1,0±0,3) м/мин. Испытание грунта заканчивают после достижения заданной глубины или предельных усилий на зонд. Регистрацию результатов испытаний грунтов статическим зондированием производят на диаграммной ленте. После окончания испытания грунта зондировочную скважину тампонируют грунтом и закрепляют знаком с соответствующей маркировкой. Для испытания грунтов статическим зондированием применяют установки, состоящие из следующих основных узлов: зонда; штанг; устройства для вдавливания и извлечения зонда; опорно-анкерного устройства; измерительного устройства. В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три типа (рис. 2.10): I - зонд с наконечником из конуса и кожуха; II - зонд с наконечником из конуса и муфты трения; III - зонд с наконечником из конуса, муфты трения и уширителя. Площадь основания конуса зондов всех типов составляет 10 см , а величина угла при вершине конуса - 60. Наружный диаметр муфты трения равен диаметру основания конуса, а длина муфты трения - 310 мм. Наконечники зондов типов II и III имеют над муфтой трения цилиндрическую часть длиной не менее 72 мм, с наружным диаметром, равным диаметру муфты трения. Наружный диаметр штанги зонда типа I равен 36 мм, а зондов типов II и III - назначается из конструктивных соображений, но принимается не более 55 мм. Длина звеньев штанги составляет не менее 800 мм.
Информационные критерии геоконтроля качества высоконапорной инъекции грунтов
Технологические особенности высоконапорной инъекции (ВНИ) грунтов состоят в следующем: - процессы дезинтеграции грунтового массива на стадии начальной подачи укрепляющего раствора при максимальном давлении и проникновении водо-цементно-песчаной смеси в образовавшиеся полости происходят весьма неравномерно как по глубине, так и в радиальном направлении вследствие анизотропии физико-механических свойств многослойных четвертичных песчано-глинистых отложений; - процессы изменения агрегатного состояния порозаполняющего укрепляющего раствора развиваются весьма неравномерно в пространстве и во времени вследствие того, что укрепление приходится проводить на влагонасыщен-ных (в ряде случаев заболоченных) участках, при наличии в грунтовых водах химических компонентов, ускоряющих или замедляющих структурообразующие реакции, а также при существенных температурных градиентах в массиве. Изложенное требует специальных критериев при контроле качества ВНИ. Перспективным представляется использование для решения данной задачи информационных параметров. В МГГУ предложено применять в системах контроля геомеханических процессов информационную энтропию Н, представляющую собой количественную меру неопределенности состояния системы [142]: где Pj - вероятность z -го состояния системы; п - количество состояний системы; а - основание логарифма. В частности, из (1) следует, что при достоверном состоянии Р, = 1 Я - О (неопределенность отсутствует), а при равновероятных состояниях Н -» Ятах (неопределенность наибольшая).
В работе [143] сформулированы методические подходы к информацион- ному обеспечению технологического контроля устойчивости горных выработок, предполагающие использование следующих критериев: количество информации /, получаемое при геоконтроле; информационная эффективность Э контроля; необходимость iV контроля: где Я(со) - априорная безусловная энтропия при состоянии со объекта; Я(со/х) - усредненная энтропия в результате измерения параметра х объекта в состоянии со; Яд - допустимое значение Я. Необходимость контроля ./V в задачах геомеханики может быть определена двумя путями [143]: - для двух состояний выработки (устойчивое и неустойчивое) величину Яд устанавливают, принимая нормальное распределение вероятности Р и исходя из критерия пренебрежимо малой вероятности выхода за пределы трех сред-неквадратических отклонений -Рд = 0,00135, Яд = 0,0148 бит; - считая геомеханические процессы, происходящие в массиве, изотермическими, приравнивают информационную энтропию Я термодинамической, а величину N определяют из соотношения деформаций є (напряжений ст) реального и нетронутого массивов. В частности, в работе [143] для принятого критерия устойчивости с/сгсж 0,9 получены диапазоны Э = 0,576-0,579 для тензометрического метода геоконтроля и Э = 0,797 для двухпараметрового контроля (тензометрический в комплексе с акустоэмиссионным). Используя условие Э N и аналитическое решение задачи о НДС массива, обоснованы зоны одно- и многопараметрового контроля вокруг одиночной выработки, камеры и очистного пространства.
При геоконтроле по нескольким параметрам величина Э убывает с ростом погрешностей измерений и тесноты статистической связи между этими пара- метрами. Поскольку величина Н, вычисленная по формуле (2.24), зависит от основания а логарифма, при п = 2 целесообразно принимать а - п, что обеспечивает универсальность Н для различных по технологическим особенностям объектов [144]. С целью адаптации приведенных выше информационных критериев к контролю качества технологии ВНИ была проведена обработка банка данных, полученных в результате экспериментальных исследований на геополигоне ООО "НООЦЕНТР-Д" (г. Кемерово). Проведено опытное нагнетание по технологии ВНИ в 15 скважинах на глубину до h = 8 м. На различных стадиях обработки массива проведено статическое механическое зондирование в 32 точках полигона на полную глубину прибором электромеханического каротажа ПТМ с тензометрическим зондом типа "Пика". Поинтервально с шагом 0,2 м определяли сопротивление грунта погружению конуса q3 и повороту фрикционной муфты fv Более детально методика прямых геомеханических исследований, геологическая структура и свойства массива приведены в работах [153, 157]. Комплекс применяемых на полигоне методов геоконтроля включал: - интегрированные (с земной поверхности) - бесскважинные геоэлектрическое и сейсмическое зондирования; - дифференцированные (с проникновением вглубь массива) - статическое геомеханическое зондирование и скважинный индукционный каротаж. На рис. 2.20 представлены результаты поинтервального вдавливания зонда на четырех опытных участках, отражающие изменение прочностных свойств массива в естественном состоянии, непосредственно после нагнетания, через 10 и 46 сут после него.
Геологический, электрофизический и индукционный контроль при сооружении свайного фундамента во влагонасыщенных слоистых грунтах
Опытно-промышленные испытания комплексного метода геоконтроля гидродинамических и геомеханических процессов в закрепляемых грунтах проведены на площадке строящейся базы служебного автотранспорта ОВО (г. Кемерово, ул. Железнодорожная). Исследование физико-механических свойств грунтов, проектирование и устройство фундаментов здания базы в обводненных неустойчивых грунтах с изготовлением буроинъекционных свай методом фиксированно-высоконапорной цементации по технологии ООО "НООЦЕНТР-Д" проведены в 2002-2003 гг. [148]. Согласно инженерно-геологическим изысканиям, прорезаемые буроинъ-екционными сваями геологические слои представлены почвой с включением строительного и бытового мусора, суглинками легкими высокопористыми от бурых до серых, суглинками тяжелыми серыми высокопористыми. Наличие подстилающего слоя тяжелых суглинков способствовало образованию безнапорного горизонта грунтовых вод на глубине 0,3-1,0 м от земной поверхности и заболачиванию местности, что потребовало применения специальной технологии выполнения фундаментов с закреплением грунтов основания. Технология закрепления состояла в следующем. На участке изготовления буроинъекционных свай пробурены лидерные скважины на глубину 0,6-0,7 м, через которые залавливались перфорированные инъекторы на глубину 5,5 м.
В устьевой части инъекторов на глубину 0,5 м выполнен тампонаж затрубного пространства раствором на расширяющемся цементе. После монтажа инъекто-ров производились работы по устройству железобетонного ростверка, а затем осуществлялось поочередное нагнетание в инъекторы цементно-песчаного раствора. Раствор имел следующий состав (на 1м): песок мелкий с примесью глинистых частиц до 2 % и пылеватых частиц до 20 % - 1150 кг; портландцемент марки М400 -750 кг; вода - 450 л; специальные патентованные добавки; контрастная соль NaCl - 5 кг. Давление нагнетания поддерживали постоянным Р = 0,8-1 МПа по зажимной схеме, время нагнетания составляло 10-20 мин, при этом расход раствора не превышал V= 1 м3 на один инъектор. Для контроля геомеханических и гидродинамических процессов в закрепляемом обводненном грунтовом массиве были проведены комплексные геоэлектрические исследования следующими методами: эффективных электросопротивлений по схеме вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ, AM = MN = NB, АВ 15 м); электросопротивлений заземлителя-инъектора по двухэлектродной схеме опытным прибором ИСЗ-1 на частоте/= 500 Гц; сква-жинного индукционного каротажа (ИК). Схема установки с геологическими данными о строении грунтового массива представлена на рис. 3.10. Контрольная скважина была пробурена на расстоянии 0,6 м от инъектора и армирована толстостенной полиэтиленовой трубой 4 с внутренним диаметром 150 мм, герметизированной с нижнего торца. Индукционный датчик 5 перемещали по скважине досылочными штангами 7, сигнал с датчика, переданный по соединительному кабелю 6, измеряли прибором КП-2 в режиме милливольтметра. Измерения по схемам ВЭЗ и ИСЗ проводили с помощью штыревых забивных электродов 3. Результаты статического зондирования на экспериментальном участке приведены на рис. 3.11. Из графиков q3(h) и/3 (И) следует, что слои наименее прочных грунтов расположены на интервалах h = 2-4,25 м и h = 6-8 м, а наиболее прочных - на интервале h = 4,5-6 м (тугопластичные суглинки).
Таким образом, в процессе инъекции произошли существенные изменения геоэлектрической структуры массива. Измерения методами ВЭЗ и ИК проводили в 3 этапа: непосредственно перед закачкой, непосредственно после нее и через 10 суток после закачки. Графики изменения параметров рк (метод ВЭЗ) и Е (метод ИК) приведены на рис. 3.13. Анализ графиков показывает, что прослеживается общая закономерность, обусловленная тарировочной лабораторной зависимостью аппаратуры ИК: параметры ирк связаны гиперболической зависимостью. Вместе с тем имеются существенные отклонения в характере графиков pJAB) и E(h), связанные с различиями в физических основах методов ВЭЗ и ИК, а также их различной контролируемой базой. Для геомеханической интерпретации результатов геоконтроля были построены графики относительного изменения параметров, характеризующие динамику контролируемых процессов на стадиях нагнетания и набора прочности массивом (рис. 3.14): Совместный анализ результатов геоконтроля позволяет сделать следующие основные выводы о геомеханических и гидродинамических процессах в контролируемой зоне: - нагнетание раствора привело к отжиму поверхностного слоя массива и образованию зоны повышенных пустот на интервале h = 1,25-1,75 м под действием инъекционного давления (данному интервалу соответствуют отрицательная аномалия Е и положительная рк, графики 1 на рис. 3.14); - наибольшее проникновение раствора в массив произошло на интервале h - 2,25-4,25 м, соответствующем расположению наиболее слабого слоя (на данном интервале имеет место положительная аномалия Е и отрицательная рк), что свидетельствует о положительном эффекте обработки массива, заключающемся в закреплении наименее прочного участка, определяющего несущую способность основания фундамента в целом;
