Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования
1.1 Общие понятия и характеристика технологии струйной цементации грунтов при сооружении транспортныхобъектов
1.2 Существующие предложения по моделированию процессовв струйной технологии 45
1.3 Прогнозирование прочности грунтобетона в струйнойтехнологии
1.4 Особенности твердения укреплённых цементом грунтов иприменения химических добавок в грунтобетоне 58
1.5 О применении комбинированных геотехнических конструкций, включающих традиционные индустриально изготавливаемые элементы и элементы из грунтобетона поjet-технологии 1.6 Цель и задачи исследования 66
Общая организация исследования
2.1 Общая программа проведения исследования
2.2 Лабораторная база 67
2.3 Производственные объекты, использованные в качествеопытно-экспериментальных 67
2.4 Работы, выполнявшиеся с использованием лабораторнойбазы и в камеральных условиях 2.5 Работы, выполнявшиеся в полевых условиях 69
3 Теоретические и экспериментальные исследованиясвойств грунтобетона 70
3.1 Сравнительный анализ струйной технологии с известными технологиями укрепления грунтов цементом и технологиейцементного бетона 70
3.2 Структурно-технологическая модель грунтобетона вструйной технологии 77
3.3 Прогнозирование прочности грунтобетона в струйнойтехнологии на основе предложенной модели
3.4 Прогнозирование долговечности грунтобетона в струйнойтехнологии 149
3.5 Разработка эффективной химической добавки дляприменения в струйной технологии 159
3.6 Выводы по главе 177
Разработка методики назначения расчетной прочностигрунтобетона в струйной технологии на основеобобщения фактических данных, получаемых нареальных объектах с определенными инженерно-геологическими условиями 180
5 Отработка конструктивно - технологических задачприменения струйной технологии цементации грунтов вусловиях реального опытно-экспериментальногостроительства 188
5.1 Общие данные об опытных объектах 188
5.2 Расчётная оценка динамических нагрузок, действующих на подземные сооружения, при использовании струйнойтехнологии 190
5.3 Расчёт рационального расположения устьев скважин на поверхности при использовании струйной технологии 204
5.4 Оценка фактической прочности и однородностигрунтобетона по образцам-кернам при использованииструйной технологии 212
5.5 Экспериментальная оценка несущей способности грунтоцементных свай, выполненных методом струйнойтехнологии 224
5.6 Опытно - экспериментальные работы при реконструкцииЛенинградского проспекта 227
5.7 Устройство глубокого котлована с грунтоцементнымкреплением в слабых грунтах в условиях плотной городскойзастройки 238
5.8 Применение технологии струйной цементации грунта приусилении фундамента и реконструкции историческихзданий на территории Государственного музея-заповедника«Царицыно» 243
5.9 Разработка системы научно-инженерного сопровождениятехнологии струйной цементации грунтов при сооруженииобъектов транспортного строительства 252
Заключение и общие выводы по диссертации 256
Список литературы 259
- Существующие предложения по моделированию процессовв струйной технологии
- Производственные объекты, использованные в качествеопытно-экспериментальных
- Структурно-технологическая модель грунтобетона вструйной технологии
- Расчёт рационального расположения устьев скважин на поверхности при использовании струйной технологии
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Крупномасштабное строительство транспортных сооружений, осуществляемое в настоящее время, предполагает проведение работ также в условиях сложной гидрогеологической обстановки, на слабых, обводнённых или структурно неустойчивых грунтах различного генезиса, состава и состояния. При этом возникает необходимость в укреплении стен и откосов глубоких котлованов, оснований и фундаментов путепроводов, мостов и тоннелей, в устройстве поддерживающих и ограждающих конструкций, противофильтрационных и противосуффозионных завес и пр.
С этой целью используют буронабивные сваи и др. конструкции из бетонных или железобетонных элементов, а также различные технологии укрепления грунта, такие, как замораживание, силикатизация, цементация или смолизация. Однако, указанные технологии, как правило, связаны со значительными объёмами земляных работ, требуют существенных материальных и финансовых затрат, больших площадей и переноса существующих коммуникаций или транспортных потоков, характеризуются длительными сроками возведения конструкций и динамическим воздействием на близлежащие здания и сооружения, а также значительной экологической нагрузкой на природную среду.
Лишённой многих указанных недостатков является струйная технология цементации грунтов (jet-grouting). Она высокопроизводительна, позволяет создавать грунтоцементные конструкции различных размеров и форм (сваи, горизонтальные или наклонные площадки, стенки, своды и др.) на различной глубине, проводить работы с дневной поверхности или из подвалов и т.п. помещений, что особенно важно в стеснённых городских условиях, не ухудшает экологическую обстановку. Несомненным достоинством струйной технологии является её гибкость, манёвренность, возможность оперативно, по мере необходимости, корректировать принятые технологические режимы.
Однако, при всех достоинствах технологии jet-grouting, в настоящее время её применение сдерживает отсутствие надёжного прогноза прочности и геометрических размеров получаемого материала и конструкции, что существенно затрудняет назначение расчетных параметров и проектных характеристик. Кроме этого, не определены условия применения jet-технологии в сочетании с традиционными технологиями геотехнического строительства. Практически не используется такой резерв повышения эффективности, как химические добавки, несмотря на их широкое применение в других областях строительства.
В связи с этим, потребовалось провести дополнительные теоретические и опытно-экспериментальные исследования и обобщить накопленный опыт использования струйной технологии, определить оптимальные условия и алгоритм её применения в транспортном строительстве в сложных гидрогеологических условиях.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ НАСТОЯЩЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей
диссертационной работы является совершенствование теоретических основ и практических методов применения струйной технологии при строительстве транспортных сооружений в условиях обводнённых, слабых и структурно неустойчивых грунтов.
По сути, надо обеспечить предсказуемость свойств материала и проектных характеристик конструкций, возводимых в грунте высокопроизводительным методом струйной цементации, и повысить её эффективность.
В соответствие с поставленной целью в работе предусматривалось решить следующие задачи на основе проведения теоретических и экспериментальных исследований:
– разработать структурно-технологическую модель грунтобетона, получаемого по струйной технологии, позволяющую выполнить расчёт, подбор и корректировку его состава и принятых технологических режимов, и осуществить прогнозную оценку его прочности, однородности, поровой структуры и долговечности (морозостойкости, коррозионной стойкости);
- определить условия рационального применения химических добавок в струйной технологии, оценить достигаемый при этом эффект;
- разработать эффективные конструктивные и технологические решения с использованием струйной технологии при сооружении транспортных объектов в условиях слабых, обводнённых и структурно неустойчивых грунтов, в том числе, в виде сочетания с традиционными технологиями и конструкциями;
– предложить методику прогноза расчетной прочности грунтобетона в струйной
технологии на основе имеющейся базы региональных данных, полученной на конкретных объектах строительства;
- разработать и внедрить комплексную систему научно-инженерного сопровождения строительства транспортных объектов с применением струйной технологии, в том числе, в мегаполисе;
- разработать нормативно-методическую документацию, обеспечивающую дальнейшее применение предлагаемых конструктивных и технологических решений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:
- разработана структурно-технологическая модель грунтобетона как мелкозернистого (песчаного) бетона, содержащего агрегаты связного грунта различной природы и структуры; в модели предложено оценивать влияние таких агрегатов на прочность грунтобетона по аналогии с влиянием вовлечённого воздуха в традиционном цементном бетоне; теоретически и экспериментально обосновано применение данной модели для подбора и корректировки состава грунтобетона, прогноза его прочности, однородности и долговечности;
- исследовано влияние различных технологических и конструктивных факторов на возможные отклонения в положении грунтобетонной сваи по глубине (длине) от проектного (в предположении нормального распределения отклонений); показана значимая роль в обеспечении точности их расположения однородности грунтобетона и порядка устройства секущихся грунтобетонных свай;
- исследовано динамическое воздействие на подземные сооружения цементного раствора, выходящего под давлением из форсунок монитора, на основе анализа процессов его фильтрации через грунт и движения в грунтовом массиве, как затопленной водяной струи; показано влияние вида и свойств грунта, технологических параметров струйной технологии, а также уровня грунтовых вод на происходящие процессы;
– теоретически и экспериментально определены условия рационального применения химических добавок в струйной технологии; показано, что разработанная автором химическая добавка КДСЦ на основе этил- и метилсиликонатов натрия или калия снижает гидродинамическое сопротивление водоцементной струи в трубопроводах и мониторе, оказывает дезагрегирующее действие на грунт, повышает связность грунтобетонной смеси (препятствует её расслоению) и однородность грунтобетона, ускоряет темп его твердения;
- установлено, что применение добавки КДСЦ в струйной технологии позволило увеличить эффективный размер получаемой грунтобетонной конструкции, повысить однородность грунтобетона и снизить водоцементное отношение раствора при неизменном применяемом оборудовании и обычных режимах его работы, и, как следствие, уменьшить количество необходимых свай;
– предложена методика определения расчетных показателей грунтобетона в струйной технологии на основе имеющейся региональной базы данных с помощью
метода статистической обработки результатов, используемого в инженерной геологии (графо-аналитический способ Н.Н.Маслова-З.В.Пильгуновой);
- теоретически обоснованы и экспериментально выявлены особенности бокового трения грунтобетонной сваи о грунт в процессе её нагружения; определены перспективы применения и приведены конкретные примеры использования грунтобетонных свай в сочетании с традиционными бетонными и железобетонными конструкциями геотехнического назначения (буронабивными сваями, ростверками и пр.);
– на основе представлений о многофакторности струйной технологии, структурно-технологической и гидродинамической её моделей обоснован состав научно-инженерного сопровождения строительства, от геологической разведки грунтового массива до экспертной оценки данных мониторинга строительства.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обосновывается полученными лабораторными и натурными экспериментальными данными по прочности, однородности и долговечности материала и несущей способности нового типа конструкций, запроектированных и построенных с учётом предложенной модели струйной технологии на основе общепринятой теории прочности бетона.
– результаты теоретических и лабораторных исследований и опытного применения струйной технологии цементации грунтов в геотехническом транспортном строительстве;
– разработанные новые варианты конструкций различного назначения с использованием jet-технологии, в том числе, в сочетании с традиционными технологиями и конструкциями элементов транспортных сооружений;
- разработанные новые технологические решения при использовании jet-технологии в зависимости от природы укрепляемого грунтового массива и расположения существующих зданий и сооружений в зоне строительства;
– результаты лабораторных и натурных исследований грунтобетона и практический опыт применения комплексной химической добавки КДСЦ в струйной технологии;
– разработанная структурно-технологическая модель грунтобетона в струйной технологии при строительстве конструкций транспортных сооружений;
– методика обобщения базы региональных данных по плотности и прочности грунтобетона в струйной технологии;
– комплексная система научно-инженерного сопровождения строительства транспортных сооружений с использованием струйной технологии цементации грунтов.
– впервые при сооружении транспортных объектов в Российских условиях осуществлено широкомасштабное системное применение струйной технологии;
- доказана эффективность использования на обводнённых, слабых и структурно неустойчивых грунтах секущихся jet-свай, расположенных горизонтально, вертикально и под определённым углом, в том числе, армированных, при устройстве фундаментов и др. аналогичных сооружений, а также горизонтально, в виде противофильтрационных завес и подобных конструкций;
- на основе инженерных расчётов и практики строительства подтверждена высокая эффективность использования при сооружении объектов транспортного назначения на участках обводнённых и структурно неустойчивых грунтов комплексных конструктивных решений, использующих jet-технологию и традиционные технологии ( с устройством, в том числе, буронабивных свай, железобетонных ростверков и пр.);
– выявлены рациональные режимы струйной технологии в зависимости от предлагаемых конструктивных решений и условий строительства;
– разработана и широко внедрена в практику струйной технологии комплексная химическая добавка КДСЦ; установлены оптимальные условия применения комплексной химической добавки КДСЦ в составе водоцементного раствора в струйной технологии;
- определено эффективное расположение устьев секущихся вертикальных и горизонтальных грунтобетонных свай;
- на основе теоретических расчётов и практического применения установлены безопасные границы производства работ по устройству грунтобетонных конструкций от существующих зданий и сооружений и коммуникаций в зависимости от режимов струйной технологии;
– разработаны технологические регламенты и стандарты организации для проведения работ по струйной цементации грунтов при выполнении геотехнических работ в транспортном строительстве;
– разработана и реализована комплексная система научно-инженерного сопровождения работ при использовании струйной технологии, от геологической разведки грунтового массива до экспертной оценки данных постоянного мониторинга строительства.
Суммируя изложенное, можно сказать, что на основе научно-обоснованных методов разработаны документы нормативного характера, которые позволяют существенно повысить управляемость процессом высокопроизводительной струйной технологии и предсказуемость достигаемых результатов.
АПРОБАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований автора были
доложены на: конференции Тоннельной ассоциации России 29.10.2002г на тему «Некоторые особенности строительства тоннельно-эстакадного участка 3-его транспортного кольца в Лефортово», Герсевановских чтениях 24.03.2010г, г.Москва, на тему: "Проблемы сооружения уникальных строительных объектов в России"; Международной конференция "Российский опыт и развитие инновационных технологий при строительстве тоннельных объектов в г.Сочи", 8-10.02.2011, г.Сочи; на IV Транспортном конгрессе-2011, на круглом столе "Транспортные тоннели для будущих скоростных магистралей", 16.03.2011, г.Москва. Результаты исследований автора вошли в проекты, стандарты организаций и технологические регламенты по созданию транспортной инфраструктуры и по сооружению уникальных строительных объектов (при реставрации исторических зданий и сооружений в условиях мегаполиса).
По материалам диссертации опубликовано 20 статей. Новизна исследований защищена 22 патентами и авторскими свидетельствами.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Результаты исследований автора нашли применение при реконструкции Ленинградского проспекта в г.Москве, при проведении строительных работ на транспортных объектах в г.Перми, г.Казани, при строительстве кольцевой автомобильной дороги и строительстве второй сцены Мариинского театра в г.Санкт-Петербурге, а также в при проведении работ по реконструкции в Государственном заповеднике «Царицыно» в г.Москве и ещё на ряде объектов (всего 13 объектов).
ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Основной текст содержит 320 страниц машинописного текста, 38 рисунков, список литературы, включающий 280 наименований.
Существующие предложения по моделированию процессовв струйной технологии
При вращении струйного гидромонитора вокруг оси технологической скважины получается ґрунтобетонная колонна (свая), при поднятии гидромонитора без вращения - плоский элемент конструкции (например, противофильтрационная завеса).
Струйная технология предусматривает не только перемешивание размываемого грунта с водоцементным раствором, но также частичное его удаление вместе с частью получаемой грунтобетонной смеси на поверхность через специальный канал буровой штанги или через отдельную скважину на поверхность в виде пульпы, которая самотёком направляется в специальный пульпоприёмник, траншею или зумпф (образуются «изливы»).
Наличие изливов является косвенным индикатором стационарной, установившейся стадии струйной технологии, когда подаваемый в грунт водоцементный раствор, перемешиваясь с грунтом или частично вытесняя его, полностью заполняет пространство будущей грунтобетонной конструкции (например, колонны). При этом энергия струи расходуется на размыв и перемешивание грунта с водоцементным раствором в некоторых определённых геометрических границах будущей конструкции и её хватает также на транспортировку некоторой части образуемой грунтобетонной смеси на поверхность. В определённом смысле изливы - некоторый аналог «отказа» при забивке готовых железобетонных свай в грунт, показатель стабильности процесса в струйной технологии.
Объёмы изливов определяют из опыта, на стадии пробного бетонирования (устройства экспериментальной сваи). Отклонение величины изливов от ожидаемой величины свидетельствует об изменении установленных технологических параметров (давления, состава водоцементного раствора, скорости вращения или поднятия монитора) или состояния и свойств укрепляемого грунта.
Например, если изливов меньше, чем ожидается, то вероятно, что водоцементный раствор расходуется на заполнение каких-либо полостей в грунтовом массиве или, когда по мере движения монитора встречается более слабый или более обводнённый грунт и образуется ґрунтобетонная конструкция больших, чем предусматривалось, поперечных размеров. В свою очередь, больший, чем предполагалось, объём изливов может быть связан с повышением давления в мониторе или прохождением монитором слоя более плотного и прочного грунта. В последнем случае вероятно также уменьшение размеров конструкции в сечении.
Приведенные примеры иллюстрируют возможность оценивать по величине и составу изливов состояние осуществляемого технологического процесса в струйной технологии и, соответственно, оперативно вносить коррективы в принятые режимы (например, изменять скорость подъёма или вращения гидромонитора, давление или расход водоцементного раствора и др.).
Двухкомпонентная технология, jet-2, предусматривает одновременную с водоцементным раствором подачу через специальную соосно расположенную форсунку гидромонитора сжатого воздуха, создающего искусственный воздушный поток вокруг струи раствора (рис. 1.4). При этом размытый грунт выносится по скважине в потоке аэрированного раствора. На рис. 1.5 показано сооружение грунтобетонных колонн по двухкомпонентной технологии.
Трехкомпонентная технология, jet-З, предусматривает размыв грунта водяной струей в искусственном воздушном потоке, вынос размытого грунта через скважину в составе водовоздушной пульпы и подачу водоцементного раствора в виде отдельной струи через форсунку, расположенную ниже соосных размывающих форсунок гидромонитора (рис. 1.6).
Соосные жидкостная и воздушная форсунки. 1 - жидкостная форсунка; 2- воздушная форсунка. Следует отметить, что использование технологий jet-2 и jet-З позволяет существенно увеличить поперечный размер получаемых конструкций (диаметр грунтобетонных колонн и пр.). Однако, как правило, при этом прочность грунтобетона оказывается ниже, чем при однокомпонентном варианте струйной технологии, при использовании jet-1.
Если монитор не вращать вокруг вертикальной оси, как отмечено выше, а медленно поднимать с фиксируемым направлением размывающей форсунки, то в грунте формируется плоская прорезь, заполненная водоцементным раствором. При твердении указанного раствора образуется плоская (панельная) конструкция средней толщиной около 15см. Такие плоские конструкции используют, обычно, в качестве секций противофильтрационных завес.
Сооружение плоских элементов конструкции имеет свои технологические особенности. В частности, при сооружении плоской конструкции по трехкомпонентной технологии размытый грунт удаляется практически полностью. При этом водоцементный раствор заполняет подготовленную (размытую) полость через вертикальный растворный патрубок в нижней части монитора, а не через отдельную боковую форсунку.
Существует две основных схемы сооружения плоских конструкций с помощью струйной технологии: сквозная и тупиковая.
Для получения плоской конструкции по сквозной схеме (рис. 1.7) в грунте бурят, помимо основной рабочей скважины также вторую (изливающую) скважину, которую располагают в направлении размыва грунта, задаваемом механической фиксацией форсунки монитора в выбранном направлении.
При размыве грунта по такой схеме происходит так называемый «пробой» между скважинами или «сбойка», как это называют в горном деле. Этот «пробой» поддерживают в течение всего времени размыва плоской прорези. Пульпа размытого грунта в этом случае изливается на поверхность через изливающую (дополнительную) скважину.
Производственные объекты, использованные в качествеопытно-экспериментальных
При моделировании струйного размыва грунта струи классифицируют по видам, по соотношению плотностей струи (устр) и окружающей её среды (уср): при плотности устр уср струя считается несвободной затопленной, при устр=уср свободной затопленной, при устр уср - свободной незатопленной [99, 157]. Если струя после выхода из гидромонитора находится в окружении воздушной среды («рубашки»), то её можно считать свободной незатопленной, если в окружении воды или образующейся при размыве грунта пульпы - свободной или несвободной затопленной струёй. Для струйной технологии часто применяют зависимости, полученные для свободных затопленных или незатопленных струй.
Обычно разделяют три участка струи после выхода из монитора. На первом участке струя имеет сплошную структуру и сохраняет поперечные размеры, определяемые диаметром сопла. На втором участке струя имеет плотную сердцевину (ядро), но уже начинает расслаиваться, увеличиваться в диаметре и приобретать конусовидную форму, терять напор и скорость. На третьем участке струя распадается на отдельные капли и струйки, теряет ударную силу.
По грубой оценке и опыту, длина первого участка для свободной затопленной струи составляет 80ефі второго (80-330)с1ф, третий начинается после -ЗООёф. Здесь ёф - диаметр форсунки (сопла) монитора [15, 99, 157].
Если предположить, что в струйной технологии справедливы указанные представления о свободной затопленной струе, если при этом считать границей размывающего действия струи третий её участок, то для ёф=2,5-5мм (табл. 1.1) можно получить ориентировочную оценку радиуса действия струи и, соответственно, радиуса образуемой колонны, в виде Кк 300ёф=300(2,5-5)=75-150см.
Для оценки радиуса действия струи в таких моделях часто используют также зависимость давления в ней (Рх) от расстояния от форсунки гидромонитора (х). В частности, в многочисленных исследованиях экспериментально и теоретически было установлено (например, [1]), что давление в струе падает экспоненциально с расстоянием от форсунки, начиная с определённого расстояния (со второго участка). Т.е., в общем случае, Рх=Рехр(-Ахв), (1.1) где А и В - коэффициенты, зависящие от конкретных условий строительства и выбранного направления в пространстве по отношению к оси струи, Р - давление струи в мониторе, х=0.
Однако, применение указанной зависимости предполагает экспериментальное определение входящих в неё коэффициентов в конкретных условиях производства работ, учёт реального поведения струи в подземном пространстве.
Авторы [194] предлагают вместо строгого решения уравнения типа (1.1) для предварительной оценки размеров грунтобетонной колонны, получаемой по струйной технологии, применить менее строгую зависимость, согласно которой давление по оси струи падает, ориентировочно, до 1% от первоначальной её величины в мониторе на расстоянии 20-К30см от форсунки. Т.е., Р2о-зо=0,01Р Кстати, на воздухе давление в водяной струе на таком же расстоянии от форсунки снижается существенно меньше, приблизительно, на один порядок, т.е., Р20.зо=0,1Р.
Например, в гидродинамической машине типа КО-514 по комплексной очистке поверхности проезжей части автомобильных дорог давление воды падает с ІбМПа в трубопроводе до 1,5МПа на поверхности покрытия, отстоящем приблизительно на таком же расстоянии (20-30см) от форсунок [103]. Закономерно, при наличии спутного потока воздуха в свободной затопленной водяной струе, расстояние, на котором давление падает до 1%, увеличивается с 20-30см до 60-150см (приблизительно, в 3-5 раз). Такое действие воздуха применительно к струйной технологии, соответственно, проявится в уменьшении потерь давления водоцементной струи, что объясняет и иллюстрирует эффективность двухкомпонентного варианта струйной технологии в части увеличения поперечного сечения получаемых грунтобетонных конструкций [15, 21, 90].
Применяя указанную закономерность [194], можно приблизительно рассчитать диаметр устраиваемой в струйной технологии грунтобетонной сваи, не прибегая к строгим определениям эмпирических коэффициентов в уравнениях типа (1.1). Для этого следует оценить величину давления на границе создаваемой грунтобетонной колонны, Ргр, которую может выдерживать грунт без существенных деформаций. Для предварительной оценки можно принять Ргр=0,1-0,5МПа. Например, именно такое давление оказывает на грунт каток в начале процесса уплотнения [47, 108] или именно при такой ранней прочности свежеуложенного бетона СНиП 3.03.01-87 (п.2.14) разрешает обработку его поверхности водной и воздушной струёй (0,ЗМПа и более). Одновременно, эта величина давления в скважине на глубине Н=10-50м (табл. 1.1) достаточна для появления изливов на поверхности (как известно, для поднятия воды на такую высоту требуется давление в 1-5атм).
Согласно [194], эта допустимая величина давления струи на границе грунтобетонной колонны будет составлять, приблизительно, 1% от используемого давления струи в мониторе, если эта граница будет находиться на указанном расстоянии в 20-30см. Отсюда, Р=Ргр/0,01=(0,1-0,5МПа)/0,01=(10-50МПа). Но как раз именно такое давление водоцементного раствора рекомендуется использовать в струйной технологии (табл.1.1). Т.е., согласно зависимости [194], при рекомендуемых режимах однокомпонентнои струйной технологии расстояние от форсунки монитора до границы грунтобетонной колонны, при котором давлении падает до 1%, составляет 20-30см. При этом, с учётом диаметра технологической скважины, ёс=10-15см (таблица 1.1), радиус грунтобетонной колонны составит PvK=x+0,5dc=(20-30)+(5-7,5)=25-37,5cM, а её диаметр - D=50-75CM.
Представленная оценка диаметра грунтобетонной колонны приблизительна, основана на допущениях о характере движения струи водоцементного раствора в подземном пространстве как свободной затопленной водяной струи и пр., не учитывает размывающее действие струи при вращении монитора вокруг оси буровой штанги и разнообразные свойства грунта и пр. Тем не менее, найденные закономерности изменения давления в струе в зависимости от расстояния от монитора полезны для анализа струйной технологии.
Структурно-технологическая модель грунтобетона вструйной технологии
Однако, такой подход, при всей его внешней привлекательности, ограничен принципиальными отличиями струйной технологии от традиционной технологии бетона (об этом говорилось выше, табл.3.1), среди которых для структуры и свойств получаемого грунтобетона наиболее важны следующие две её особенности: - в качестве заполнителя в грунтобетоне по струйной технологии, как и в других технологиях укрепления грунтов, может быть использован связный (в том числе, глинистый или илистый и т.п.) грунт, содержащий частицы также в виде агрегатов; - в струйной технологии используют грунтобетонные смеси с более высоким водосодержанием по сравнению с обычной технологии бетона (в частности, это подтверждает литая консистенция изливов).
В результате свойства грунтобетона в струйной технологии могут существенно отличаться от свойств цементного бетона (при сравнимых величинах В/Ц и расходах цемента, при одинаковых условиях твердения и пр.).
По фракционному составу несвязный грунт часто соответствует фракционному составу песка или песчано-гравийной смеси. При этом частицы такого грунта - это, обычно, плотные и прочные зёрна, в зависимости от свойств образующей породы (например, пески кварцевые или известняковые и пр.).
Для связного грунта частицы грунта - это, обычно, частицы породообразующих минералов размером до 50мкм, соответствующие размеру пылеватых и глинистых частиц, определяемых отмучиванием (ГОСТ 8267-93, п.4.7.1). Как правило, такие частицы грунта так же, как частицы несвязного грунта, достаточно плотные и прочные.
Одновременно, частицы связного грунта могут образовывать агрегаты. В отличие от породообразующих минералов, агрегаты частиц связного грунта состоят из мелкодисперсных частиц, соединённых между собой кристаллизационными, коагуляционными или физико-механическими связями, и они могут быть малопрочными и пористыми. Условно, к таким агрегатам можно отнести частицы размером более 1,25мм, как характеризуют глину в комках [61], или более 2мм [76]. В частности, разнообразие связей частиц грунта между собой нашло своё отражение, в том числе, в нормативной документации, в ГОСТ 25100-95 «Грунты. Классификация» и др.
Агрегаты зёрен грунта представляют собой слабые и пористые элементы структуры. Соответственно, их наличие в грунтобетоне снижает его прочность и долговечность, в отличие от частиц стандартного, плотного и прочного инертного заполнителя в обычном цементном бетоне, где содержание глинистых или илистых частиц или глины в комках строго ограничено (ГОСТ 26633-91).
Например, при средней плотности зёрен грунта (удельном весе), представленных породообразующими минералами, в среднем, у3=2,70г/см , плотность образованных ими агрегатов частиц (глинистых комков и пр.) может составлять, в среднем, уа=1,75г/см [61]. Соответственно, величина полной пористости такой частицы - агрегата (капиллярной и условно-закрытой, паровоздушной) может достигать Па=(1-уа/у3)100=(1-1,75/2,70)100=35,2%, а сама частица - отличаться низкой прочностью.
Можно, в частности, отметить, что представленные средние табличные данные плотности зёрен и агрегатов грунта близки средним значениям, приведенным в табл. 1.3.
Эффективность известных технологий устройства различных конструктивных элементов из грунтов и грунтобетонов во многом определяется возможностью максимально разрушить, раскрыть такие агрегаты, уменьшить их воздушную и капиллярную пористость, достичь максимального уплотнения соответствующей смеси в создаваемом слое (конструкции).
При этом, способность конкретной технологии укрепления грунтов добиться максимального уплотнения, в наибольшей степени разрушить (диспергировать) агрегаты связного грунта зависит от многих факторов, в том числе от гранулометрического состава грунта и других его свойств и природы.
Например, с точки зрения достижения максимальной прочности грунтоцементных материалов (грунтобетонов), уплотняемых методом укатки, наиболее благоприятны агрегаты частиц определённого размера, диаметром 2-5мм [76]. Т.е., именно такие по размерам агрегаты частиц связного (глинистого) грунта при уплотнении укаткой позволяют получить грунтобетон наибольшей плотности и прочности.
По аналогии с этим, струйная технология на ряде объектов, где могут образовываться агрегаты частиц грунта неоптимального для прочности грунтобетона размера (например, преимущественно, размером от Змм до 10мм [15]), может быть ограничена в части диспергирования (дезагрегации) частиц связного грунта и в части обеспечения прочности получаемого грунтобетона.
Водосодержание получаемой в струйной технологии грунтобетонной смеси (по терминалогии, принятой в технологии бетона, - это расход воды в расчёте на 1м смеси в уплотнённом состоянии) может достигать 200-3 ООл/м и более и соответствовать водосодержанию подвижных и литых бетонных смесей или превышать его. По аналогии с обычным цементным бетоном [6, 37, 77], такое высокое водосодержание грунтобетонной смеси (вторая важная особенность струйной технологии), как правило, приводит к увеличению объёма и размера капиллярных пор образуемого грунтобетона. Одновременно, возрастает риск расслаиваемости грунтобетонной смеси, повышается неоднородность грунтобетона, снижается его долговечность.
Эти особенности струйной технологии необходимо учитывать при анализе составов и прогнозе свойств грунтобетона.
С учётом упомянутых отличий, представление грунтобетона как бетона предполагает наличие сведений о его составе, возможности его определения (расчёта и подбора), регулирования (корректировки и контроля) в процессе струйной технологии.
Оценить состав получаемого в струйной технологии грунтобетона, где нет раздельного дозирования компонентов, как в традиционной технологии цементного бетона (табл.3.1.), можно на основе рассмотрения баланса осуществляемых материальных потоков.
Расчёт рационального расположения устьев скважин на поверхности при использовании струйной технологии
Плотность грунтобетонной смеси при лабораторном изготовлении отражает влияние не только агрегатов связного грунта, как предусмотрено в рассмотренной модели грунтобетона в струйной технологии, но и вовлечённого воздуха. Т.е., при лабораторном подборе составов грунтобетона, на величинах плотности грунтобетонной смеси и прочности грунтобетона отражается как наличие агрегатов связного грунта, так и возможное воздухосодержание смеси.
Всё это предполагает обязательное изготовление пробной конструкции (экспериментальной сваи) в струйной технологии для внесения коррективов в результаты лабораторных подборов составов грунтобетона. Лабораторные подборы состава грунтобетона - это только первая часть общей комплексной системы научно-инженерного сопровождения строительства.
Кроме этого, только в натурном эксперименте можно окончательно оценить технологические свойства применяемого водоцементного раствора и параметры получаемой грунтобетонной конструкции в струйной технологии, эффективность добавок и других технологических решений.
В производственных условиях есть ещё одна особенность струйной технологии, затрудняющая применения данной модели: в струйной технологии не предусмотрен операционный контроль свойств грунтобетонной смеси или изготовление контрольных образцов грунтобетона для последующего испытания на прочность и другие свойства. Свойства грунтобетона определяют с помощью выбуренных образцов-кернов или неразрушающими методами. Но чтобы воспользоваться рассматриваемой моделью, необходимы данные о плотности грунтобетонной смеси, уфсм В работе считали возможным данные о плотности грунтобетонной смеси получить по кернам: плотность полностью водонасыщенных образцов с большой степенью точности равна плотности грунтобетонной смеси. Разница, как показали прямые лабораторные испытания, составляют ±10-20кг/м (±0,01-0,02r/cMJ). Таким образом, предложенная структурно-технологическая модель позволила: - рассчитать начальные лабораторные составы грунтобетона при подборе его состава; - выявить основные закономерности поведения получаемой грунтобетонной смеси и грунтобетона на материалах, используемых в конкретных условиях строительства; - на основе полученных лабораторных зависимостей фактической плотности и величины эквивалентного объёма вовлечённого воздуха от задаваемых значений Ха в грунтобетоне и сопоставления со значениями его плотности в производственных условиях (в полностью водонасыщенных образцах-кернах) получить информацию о фактическом составе грунтобетона и, при необходимости, внести соответствующие коррективы с помощью изменения расхода водоцементного раствора, варьируя скорость поднятия гидромонитора.
При этом, важно подчеркнуть, для струйной технологии, согласно предложенной модели, величины ур, уф/ур и VB3KB следует заново рассчитывать для каждого нового состава, для каждой предполагаемой влажности грунта. Предложенная в работе структурно-технологическая модель грунтобетона позволила объяснить некоторые особенности поведения химических добавок при их применении в струйной технологии. Здесь они проявились во влиянии на плотность грунтобетонной смеси не только за счёт снижения В/Ц, как в технологии бетона, но, как можно предположить, также за счёт дезагрегирующего (диспергирующего) действия на агрегаты связного грунта и на прочность грунтобетона: уменьшение величины Ха и VB3KB соответственно повышает прочность грунтобетона. Это отличает применение добавок в грунтобетоне по струйной технологии от традиционного цементного бетона, где количество глинистых частиц в заполнителе строго ограничено и где указанный эффект не проявляется или незначителен.
Оценка однородности грунтобетона в струйной технологии с помощью разработанной структурно-технологической модели.
В настоящее время грунтобетон, получаемый по струйной технологии, характеризуется высокой неоднородностью. Об этом подробно говорилось в главе 1, как об одной из проблем эффективного применения струйной технологии. Так, по опыту, по результатам испытания на прочность лабораторных контрольных образцов и образцов-кернов, выбуренных из грунтобетонной конструкции, коэффициент вариации прочности грунтобетона (в серии или в партиях образцов) может превышать 30%, в зависимости от конкретных условий строительства.
