Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Бестраншейные способы прокладки коммуникаций и сфера их практического использования 9
1.2. Технология гидроструйной цементации слабых грунтов 20
1.2.1 Сущность технологии гидроструйной цементации грунтов 20
1.2.2. Состав комплекта оборудования реализации технологии ГСЦ грунтов 30
1.2.2.1. Источник водоцементной суспензии высокого давления 30
1.2.2.2. Буровые установки для ГСЦ 34
1.3.3. Опыт практического применения машин для ГСЦ грунтов 38
1.3.3.1. Закрепление массива при проходческих работах 3 8
1.3.3.2. Закрепление массива при подземном строительстве 40
1.3.4. Перспективы развития технологии ГСЦ для строительной промышленности 42
1.4. Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки 43
1.5. Цель и задачи исследований 45
2. Разработка расчетной модели гидравлического разрушения грунтов водоцементными затопленными стуями 47
3. Экспериментальные исследования основных закономерностей процесса ГСЦ 74
3.1. Общие положения методики экспериментальных исследований 74
3.2. Стендовая база 78
3.3. Экспериментальные исследования влияния параметров процесса ГСЦ грунтов на эффективность закрепления массива на стендовой установке 82
3.3.1. Влияние давления водоцементной суспензии на диаметр закрепляемого массива 88
3.3.2. Влияние диаметра струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива 90
3.3.3. Влияние частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива 91
3.3.4. Влияние диаметра установки насадки на диаметр закрепляемого массива 93
3.3.5. Влияние скорости перемещения прокалывающего става на диаметр закрепляемого массива 94
3.3.6. Влияние параметров ГСЦ грунтов на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную знергоемкості процесса 96
3.4. Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке и проверка адекватности расчетной модели 112
4. Разработка оборудования для прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки 117
4.1. Разработка элементов прокалывающего става (вращатель, гидросъемник, расширитель, штанги) 117
4.2. Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки 130
Заключение 137
Литература 139
Приложения 151
- Сущность технологии гидроструйной цементации грунтов
- Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки
- Экспериментальные исследования влияния параметров процесса ГСЦ грунтов на эффективность закрепления массива на стендовой установке
- Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки
Введение к работе
Актуальность темы. Рост объёмов строительства, повышение требований к экологической безопасности ведения строительных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины, реализующие технологию прокладки трубопроводов методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности массива. Однако, существует возможность просадки грунта, приводящей к деформации и разрушению трубы. Вариантом решения данной проблемы является прокладка трубопроводов методом управляемого прокола с одновременным закреплением неустойчивого массива методом гидроструйной цементации грунтов (ГСЦ). Однако, отсутствие научно обоснованных методов выбора режимов работы оборудования, обеспечивающих прокладку трубопроводов с одновременным созданием грунтобетонной оболочки, ограничивает возможности такой техники и препятствует её широкому использованию.
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния конструктивных параметров на эффективность работы установки для бестраншейной прокладки трубопровода с созданием защитной грунтобетонной оболочки в слабых неустойчивых грунтах, и определяет актуальность работы.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт №02.740.11.0319)
Цель работы. Обоснование режимов работы инструмента и конструктивных параметров прокалывающе-цементирующей установки, а также выявление закономерностей формирования грунтобетонного массива заданной конфигурации.
Идея работы заключается в использовании эффекта повышения прочности и устойчивости грунтов при прокладке трубопроводов методом управляемого прокола путем разрушения и перемешивания их высокоскоростными водоцементными струями и создании на основе установленных закономерностей и при рациональных параметрах этого процесса эффективного оборудования для получения грунтобетонной оболочки в неустойчивых грунтах.
Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
установить влияние конструктивных и режимных параметров ГСЦ на показатели процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива;
разработать математическую модель процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ, позволяющую определить диаметр закрепляемого массива для различных условий;
выявить рациональные параметры процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ с проколом и получить расчетные зависимости для их определения;
разработать обобщенную зависимость для определения показателей процесса ГСЦ грунтов;
оценить адекватность разработанной математической модели реальному процессу формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ;
разработать методику расчета конструктивных параметров прокалывающих ставов для закрепления слабых грунтов, режимных параметров процесса ГСЦ и энергетических характеристик насосного оборудования.
Объект исследования – процесс формирования грунтобетонной оболочки методом ГСЦ вокруг трубопровода и создание обобщенной зависимости влияния различных параметров на ее диаметр.
Теоретическая и методологическая основа исследований.
Диссертационное исследование проведено на основании научных трудов отечественных и зарубежных специалистов по ГСЦ и возможной области применения данной технологии. В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок и оборудования для ГСЦ; разработка математической модели, экспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса ГСЦ, проведение экспериментов и обработка экспериментальных данных с применением метода математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
На защиту выносятся наиболее значимые положения диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
установлены закономерности процесса ГСЦ неустойчивых грунтов с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструмента;
разработана математическая модель гидравлического разрушения грунтов водоцементными струями;
установлена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массива;
установлена рациональная, с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива, скорость перемещения прокалывающего става;
создан комплект оборудования для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной грунтобетонной оболочки в слабых грунтах.
Практическое значение работы:
создана стендовая установка для исследования работы оборудования для ГСЦ в широком диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров.
разработана «Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки».
разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющий рассчитывать конструктивные параметры ГСЦ инструмента и режимные параметры процесса ГСЦ.
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, г. Тула, (2007, 2008 и 2009 гг.); на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения». Воркута, (2007).
Реализация результатов работы. «Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающе-цементирующих установок. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплине «Дорожные машины и производственная база строительства», «Проектирование и конструирование горных машин и оборудование».
Личный вклад автора заключается в определении цели диссертационной работы, в постановке задач и их решений, в проведении экспериментов по исследованию процесса ГСЦ при проколе, а также в разработке научных положений для всех элементов научной новизны работы на всех этапах выполнения диссертации – от научного поиска до реализации их на практике.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 монография и 13 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц.
Сущность технологии гидроструйной цементации грунтов
Для реализации технологии наклонно-направленного бурения также выпускается достаточно широкий спектр установок. Такие машины позволяют делать криволинейные переходы длинной до 600 метров, а некоторые и до 2000 метров.
Установки такого типа производят такие известные фирмы как Tractoechnik, Ditch Witch, Vermeer, Wirth-Soltau и другие. Таким образом, можно утверждать, что рынок представленных машин достаточно хорошо удовлетворяет потребности в реализации бестраншейных технологий. Одной из самых распространенных и хорошо зарекомендовавшей себя является компактная установка для поведения микротоннелей RVS - 80 фирмы Soltau Microtunnelling Gmbh [9]. Однако общим недостатком для всех машин является трудности проведения работ в слабых грунтах. Помимо этого существует возможность просадки, приводящей к деформации и разрушению трубы. Вариантом решения данной проблемы является предварительное закрепление слабого массива методом гидроструйной цементации грунтов. Струйная цементация слабых грунтов — это относительно новая перспективная технология закрепления массива (технология «Jet grouting»), которая уже имеет широкое распространение за рубежом, метод запатентован в 1971 г. в Японии. В нашей стране технология применяется с начала 90-х годов 20-го века.
Гидроструйная цементация грунтов (ГСЦ) является одной из перспективных технологий при решении сложных технических задач в различных областях строительства, геотехники и фундаментостроения. Применение метода ГСЦ для закрепления слабых грунтов приводит к значительному улучшению их физико-механических свойств: пылевато-глинистые грунты — уменьшается деформативность, увеличивается сопротивление сдвигу; несвязные песчаные грунты - повышается прочность, снижается водопроницаемость. [10]
Принципиально, технология ГСЦ грунтов заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водноцементной струи, направляемой на разрушение и перемешивание грунта в массиве без создания в нем избыточного давления. На первом этапе (см. рис. 1.6) специально оборудованной под ГСЦ буровой установкой бурится пилотная скважина диаметром 73 - 120 мм. Бурение производится до расчетной глубины, определяемой проектом, с предварительной промывкой цементным или глинистым раствором под давлением, обычно не превышающим 5 МПа. Промывочная жидкость подается непосредственно на грунторазрушающий инструмент. На следующем этапе насосной установкой высокого давления подается водоцементный раствор под давлением 45 - 50 МПа. Подачей высокого давления автоматически перекрывается канал орошения, и открывается канал питания струеформирующей насадки (или насадок, если их несколько) диаметром 0,8 - 3 мм. Причем насадка ориентирована таким образом, чтобы истекающая струя была направлена перпендикулярно оси буровой колонны. Включается вращение буровой колонны (с частотой 10 -25 об/мин) и, начинается подъем буровой колонны, происходит резание и перемешивание закрепляемого массива за счет высокой кинетической энергией струи. Таким образом, формуется массив закрепленного грунта цилиндрической формы состоящий из нового материала -грунтобетона (рис. 1.7).
Струйная цементация позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных грунтов как природного, так и техногенного происхождения. Натурные испытания грунтобетонных массивов, проведенные на различных объектах подземного строительства, показали, что в зависимости от инженерно - геологических условий несущая способность отдельного цилиндрического элемента массива (сваи), выполненных методом струйной цементации, составляет 30 -50 т [11, 12].
В зависимости от конкретных целей обработки массива применяется однокомпонентная, двухкомпонентная и трехкомпонентная струйные цементации. Кроме того, могут быть использованы такие специальные приемы, как частичная предварительная промывка обрабатываемых грунтов («pre-washing») или полное их замещение после гидроразмыва и выноса на поверхность цементным раствором или цементным раствором с добавлением мраморной пудры.
Режим предварительного размыва позволяет при обработке повысить соотношение цемент - грунт и, следовательно, прочность закрепляемых грунтов, что особенно актуально в глинистых массивах.
Использование цементно-песчанных растворов для замещения грунтов нецелесообразно ввиду высокой абразивности зерен кварца (быстро изнашиваются и выходят из строя раствороподающие шланги высокого давления).
Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки
Как было отмечено выше особенностью работы инструмента при струйной цементации, совмещенной с процедурой расширения скважины и протягиванием трубопровода, является расположение струе формирующей насадки на инструменте. При этом важным является изменение радиальной координаты установки насадки и, соответственно, её расположения относительно разрушаемого массива. Так, имеющиеся математические модели описания процесса взаимодействия струй и грунта позволяют прогнозировать эффективность проникновения струи в массив при истечении из струеформирующей насадки, месторасположение которой относительно массива не конкретизировано.
В работах [45-49] предложено решение, основанное на краевых задачах, охватывающих известные плоские струйные установившиеся течения идеальной несжигаемой жидкости при введении в метод расчета вспомогательной функции Жуковского. Представление в виде плоской модели является возможным ввиду того, что отображения области комплексного потенциала w = (p + iy/ асимметричного течения являются квазиконформными и обладают основными свойствами конформных отображений, которые именно и ориентированы на решение плоских задач. В итоге задача сводится к определению поля скоростей и давлений в струе с заданными на бесконечности расходом Q и скоростью vo, натекающей на упругое тело бесконечных размеров заданной формы и растекающейся на границе L этого тела (рис. 2.1). Главной искомой величиной является распределение давления иа границе L как функции дуговой абсциссы S линии L. Для этого достаточным является нахождение комплексного потенциала скорости в каждой точке z = х + iy области течения. При таком подходе область комплексного потенциала, которая представляет собой полосу с разрезом, отображается на верхнюю полуплоскость с соответствием точек, указанным на рис. 2.1.
Кроме приведенной формулы, выводятся также функциональные уравнения дуговой абсциссы S и прямоугольных координат x(i;) и у( ). Отысканию распределения давления на границе твердого тела заключается в определении действительной вспомогательной функции U( ), являющейся решением краевой задачи.
Как уже отмечалось выше, следующая задача заключается в установлении количественной картины напряженного состояния грунта, возникающей под воздействием контактного давления струи. В данных работах предлагается использовать известные формулы Колосова-Мусхелишвили для определения компонентов осевых напряжений:
Однако представленная расчетная модель не ориентирована на конкретное тело - разрушаемый грунт, так как не содержит никаких характеристик данного грунта (например, модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел прочности или крепость, сцепление, угол внутреннего трения и т.п.). В результате возможно лишь качественное представление о поле напряжений, но сохраняющее общие тенденции их распределения в теле.
Авторами в работах [45-49] не указывается дальнейший порядок исследований. Можно предположить, что итогом расчета является сравнение полученных напряжений с критическими (по разрушению) характеристиками повергаемого воздействию струи воды тела. Например, такое сравнение может быть произведено на. основании общего условия прочности [50]: где С и (р - сцепление и угол внутреннего трения твердого тела (грунта). Кроме того, с гомощью предложенного метода оказывается возможным решение только части задач, связанных с лобовой атакой струи на преграду, хотя и имеющую различную конфигурацию (преимущество метода конформного отображения твердого тела с криволинейной поверхностью на линейную полуплоскость). Данный метод также не ориентирован на описание процессов разрушения грунтов затопленными струями.
Одним из наиболее распространенных подходов к решению первой части общей задачи гидравлического разрушения грунтов является использование теоремы о количестве движения в проекции на ось X действующей силы (рис. 2.3). В общем случае уравнения о сохранении импульса для данной задачи при проецировании на ось и Y имеют следующий вид:
где m1, m2 и m - секундный расход массы жидкости в соответствующих сечениях (см. рис. 2.3); V-. v и v - скорость струи в этих же сечениях; а2 угол наклона преграды при обратном потоке жидкости; R - реакция преграды; At - промежуток времени, при котором осуществляется импульсное воздействие струи на преграду.
Экспериментальные исследования влияния параметров процесса ГСЦ грунтов на эффективность закрепления массива на стендовой установке
Моделирование разрушения и закрепления грунтового массива методом ГСЦ потребовало некоторой идеализации, т.е. введения ряда предположений. Поэтому наиболее правильным в таком случае является сравнение результатов теоретических исследований, выполненных по модели, с закономерностями процесса формирования ґрунтобетонного массива, установленными экспериментально, и, таким образом, оценка адекватности этой модели реальному процессу.
Исследования процесса ГСЦ является весьма сложной теоретической падачей. Процесс создания ґрунтобетонного массива зависит от целого ряда случайных факторов, часть из которых просто невозможно учесть.
Проверка адекватности обобщенной расчетной модели осуществлялась путем сопоставления результатов численного эксперимента с данными натурного эксперимента, проведенного на стендовой лабораторной установке. В свою очередь, выполнение работ на стендовой установке проводилось с использованием экспериментально-статистического метода [33, 53-58], предусматривающего проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных, с применением методов теории вероятности и математической статистики. Необходимое количество опытов для исследования каждого параметра, обеспечивающее получение достоверных результатов, было определено методом малой выборки: где Квар - коэффициент вариации пробной выборки, %; Кдоп - допустимая ошибка, %; tH - нормированное отклонение. Проведенные предварительные эксперименты позволили определить коэффициент вариации опытных данных, при взаимодействии исполнительного органа прокалывающей машины с массивом грунта. Получено, что при повторении одноименных опытов 5-6 раз коэффициент вариации находится в пределах 10 - 15 %. Принимая нормированное отклонение t„ = 1,96 при надежности Рнад = 0,95 и допустимую ошибку Кдоп = 15 %, получаем количество повторных опытов n = 4. Однако, для получения более достоверных результатов, количество одноименных опытов зачастую превышало 4. Эмпирические зависимости были получены методом корреляционного и регрессионного анализа в предпосылках "нормальной регрессии" [59-61]. Индексы корреляции, коэффициенты вариации и регрессии вычислялись на персональном компьютере по разработанным программам. После вычисления оценок коэффициентов регрессии и их среднеквадратических отклонений определялась статистическая значимость коэффициентов по Т-критерию Стьюдента при 5 % уровне значимости для числа степеней свободы К2. Коэффициент регрессии считался значимым с надежностью Рнад = 0,95, если выполнялось условие: где: Sj - оценка j-ro коэффициента регрессии; д [5-J- оценка среднего квадратического отклонения j-ro коэффициента регрессии (стандартная ошибка оценки); T0,os - критическое значение критерия Стьюдента, определяемое по справочной таблице в зависимости от числа степеней свободы К2. Поскольку вид аппроксимирующих зависимостей был заранее неизвестен, то оценка значимости полученных уровней регрессии, заключающаяся в установлении соответствия математической модели экспериментальным данным, производилась с помощью критерия Фишера F при 5 % уровне значимости. Полученная в виде уравнения регрессии модель считалась адекватной (значимой) результатам эксперимента с надежностью РНад = 0,95, если выполнялось условие: Qocm - остаточная сумма квадратов, характеризующая влияние неучтенных факторов и определяющаяся по формуле: расчетное значение величины Y, вычисленное по полученному равнению регрессии при подстановке в него опытных значений Xf, Кj, К2 - числа степеней свободы, которые равны:Исследования процесса ГСЦ горных пород является весьма сложной теоретической задачей. Взаимодействие суспензионной струи с массивом зависит от целого ряда слз чайных факторов, часть из которых просто невозможно учесть. Поэтому изучение процесса ГСЦ горных пород проводилось, в том числе, с применением экспериментально-статистического метода [59-66], предусматривающего проведение экспериментальных исследований с последующим графоаналитическим анализом опытных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики.
Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния основных действующих факторов на показатели процесса ГСЦ грунтов, на базе научной лаборатории Тульского государственного университета кафедры Геотехнологий и строительства подземных сооружений был создан стенд (рис. 3.1).
Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки
Экспериментальная установка представляет собой сварную конструкцию, состоящую го рамы 1 с помощью анкерных болтов укрепленной на бетонном фундаменте, привода 2 (асинхронного двигателя с планетарным редуктором), предназначенного для вращения поворотного стола 3 посредством цепной передачи 4. На поворотном столе установлена емкость 5 с образцом закрепляемого грунтового массива. Непосредственно над емкостью 5 расположена горизонтальная балка 6 по которой, при помощи винтового податчика, в радиальном направлении может перемещаться ползун 7 с закрепленным на нем ГСЦ инструментом 8. Причем балка 6 расположена таким образом, что ГСЦ инструмент 8 имеет возможность перемещения в горизонтальной плоскости от оси вращения емкости 5 до ее стенки. В вертикальной плоскости ГСЦ инструмент 8 также может перемещаться при помощи перестановочного винта на ползуне 7. Водоцементная суспензия подавалась от источника давления (плунжерного насоса) к ГСЦ инструменту 8 по гибкому трубопроводу. В ходе всех проводимых экспериментальных исследований плотность водоцементной суспензии составляла 2000 кг/м . Такая плотность была выбрана на основании выполненного анализа литературных источников [16, 25]. Водоцементная суспензия такой плотности несет практически максимально возможное количества цемента с одновременным сохранением свойств жидкотекучести.
В качестве источника давления водоцементной суспензии используется насосная установка оригинальной конструкции, обеспечивающая подачу водоцементной суспензии требуемой плотности к ГСЦ инструменту с давлением до 60 МПа и расходом до 50 л/мин [67-77]. Емкость 5 заполнялась грунтом, который впоследствии подвергался закреплению. ГСЦ инструмент 8, при помощи винтового податчика, устанавливался таким образом, чтобы истекающая из него струя проходила через ось вращения емкости 5, а при помощи перестановочного винта на ползуне 7, так, чтобы срез струеформирующей насадки совпадал с поверхностью обрабатываемого грунта. Работа стендовой установки осуществлялась следующим образом: - включался привод 2 передающий вращение через цепную передачу 4 на поворотный стол 3 с установленной на нем емкостью 5; емкость 5 с обрабатываемым грунтом начинает совершать вращательное движение; - одновременно включались подача водоцементной суспензии под высоким давлением от источника давления к ГСЦ инструменту 8 и винтовой податчик, осуществляющий перемещение ползуна 7 и ГСЦ инструмента 8 в горизонтальной плоскости от оси вращения емкости 5 в радиальном направлении. Таким образом, моделировался процесс ГСЦ грунтов. После завершения процесса ГСЦ грунта емкость 5 снималась со стендовой установки и выдерживалась до момента затвердевания массива закрепленного грунта, а на стендовую установку устанавливалась другая емкость с образцом грунта, чем обеспечивалась непрерывность процесса экспериментальных исследований.
Далее, сформированный массив отрывался из емкости 5 после чего проводились его геометрические и прочностные измерения (рис. 3.2).
Струеформирующая насадка ГСЦ инструмента 8 перемещалась относительно обрабатываемого грунта по винтовой линии, аналогично перемещению ее в процессе ГСЦ грунтов (см. рис. 3.1).
При обработке экспериментальных данных, полученных на описываемой стендовой установке, за диаметр закрепляемого массива D принималась величина, равная удвоенной глубине сформированного закрепленного массива грунта, а скорость перемещения прокалывающего става V и частота вращения прокалывающего става п пересчитывались исходя из частоты вращения емкости с грунтом и скорости перемещения ГСЦ инструмента в радиальном направлении.
