CONSTRUCTION DURATION AS A PARAMETER OF HYDROJET CEMENTATION TECHNOLOGY
CONSTRUCTION DURATION AS A PARAMETER OF HYDROJET CEMENTATION TECHNOLOGY
Abstract
Hydrojet cementation technology allows changing the properties of soft and water-saturated soils. One of the parameters of geotechnology is the speed of construction. There is a rational construction speed corresponding to the minimum energy consumption of geotechnology. The aim of the study is to determine the correspondence between the rational technological speed and the possible duration of construction in real conditions. Mathematical modelling using the finite element method was applied as a research method. Based on a comparative analysis of the behaviour of models of a water-saturated clay soil mass (linear Mohr–Coulomb and non-linear Soft Soil, Hardening Soil), the concept of a rational construction speed using hydrojet cementation technology was refined.
1. Введение
Благодаря технологии гидроструйной цементации (ГСЦ), слабый и насыщенный водой массив горной породы можно наделить полезными для деятельности человека свойствами , . Очевидно, что проект по осуществлению геотехнологии ГСЦ должен опираться на ряд ее параметров. Значит, их выявление и анализ области вариаций — представляет собой актуальное исследование.
Авторами монографии , на основе экспериментов показано, что ключевым параметром в технологическом процессе гидроструйной цементации является скорость строительства. Ученые отмечают ее прямую взаимосвязь с рентабельностью: «… Наличие точки минимальной энергоемкости процесса ГСЦ… соответствует рациональной скорости…» . Ясно, «что рациональная скорость» в конечном счете определяет продолжительность строительства. В связи с чем важным становится вопрос: «Каково влияние величины периода строительных работ на их ожидаемый результат?» Данная публикация и нацелена на характеристику темпа ГСЦ строительства.
М. Ю. Абелев, Ю. К. Зарецкий и Н. Н. Маслов в изданиях , ассоциируют длительность строительства с линейным увеличением во времени уплотняющей грунт нагрузки. Таким образом, в рамках указанного вопроса, представляет интерес исследование реакций массива грунта на нагружения, которые с разной постоянной скоростью возрастают до некоторого одинакового значения.
2. Методы исследования
В качестве метода исследования использован сравнительный анализ результатов численного моделирования массива глинистого грунта. Применяемый способ численного моделирования — широко распространенный в настоящее время метод конечных элементов в совокупности с теорией фильтрационной консолидации , , реализованный в программном комплексе Midas GTX NX . Заметим, что основные положения МКЭ изложены в работах А. Б. Фадеева, В. М. Улицкого, С. А. Кудрявцева, В. Н. Парамонова, И. И. Сахарова, А. Г. Шашкина, К. Г. Шашкина, а также Д. Потса, Т. Телфорда, Л. Здракович, А. Лиеса и других авторов . Особенностью использования МКЭ в задачах механики грунтов, является совместное решение двух систем уравнений — равновесия и неразрывности , .
Для обеспечения большей достоверности результатов, использованы три модели грунта: линейная Мора–Кулона (MC); логарифмическая Soft Soil (SS); и гиперболическая Hardening Soil (SS). Безусловно, нелинейных моделей грунта и соответственно типологий определяющих уравнений множество. Авторы книги систематизируют нелинейные модели грунта в историческом аспекте, упоминая исследования — А. И. Боткина, А. К. Бугрова, С. Р. Месчяна, М. М. Малышева, Г. А. Гениева, Г. М. Ломизе, А. Л. Крыжановского, Д. Друкера, Э. Гибсона, Дж. Хенкеля, А. Дженике, Р. Шилда, K. Роско, Дж. Берланда, Т. Танака, С. Петрущака, З. Мроза, В. Г. Федоровского, В. Ф. Александровича, А. Б. Фадеева, А. Л. Прегера, Б. И. Дидуха, Ю. К. Зарецкого и В. С. Коровкина. В издании показан аналогичный подход, но плеяда ученых дополнена такими исследователями, как — Г. К. Клейн, Ю. А. Рогатин, Б. И. Далматов, В. М. Чикишев, А. Г. Шашкин, А. В. Голли, М. Б. Лисюк, С. С. Вялов, О. Зенкевич. Примечательно, что ход истории показывает эволюцию от степенных моделей горной породы к логарифмическим и гиперболическим. Тем не менее, указанные выше модели грунта по мнению авторов ряда источников , , являются наиболее распространенными на практике.
Использованы характеристики глинистого грунта, откалиброванные для задач МКЭ в работе (табл. 1): «…нормально уплотненные или недоуплотненные или слегка переуплотненные мелкодисперсные грунты с очень мягкой или мягкой консистенцией… слои грунта простираются на глубину более 30 м… встречаются в природе в послеледниковых отложениях, таких как озерные глины…» . Авторы также отмечают, что это в высокой степени влажные или водонасыщенные грунты.
Таблица 1 - Приведенные характеристики глинистого грунта для моделей MC, SS и HS
Характеристика | Единица измерения | Значение |
Удельный вес твердой фазы | кН/м3 | 19,5 |
Эффективный угол внутреннего трения | ° | 25,3 |
Эффективное сцепление | кН/м2 | 13,2 |
Секущий модуль деформации | кН/м2 | 3253 |
Одометрический модуль деформации, | кН/м2 | 2948 |
Модуль деформации разгрузки, | кН/м2 | 19170 |
Опорное давление | кПа | 100 |
m | – | 0,63 |
R | – | 0,83 |
Коэффициент Пуассона | – | 0,2 |
Коэффициент переуплотнения, OCR | – | 1,34 |
Давление предварительного уплотнения, POP | кПа | 46 |
Коэффициент пористости в естественном состоянии, | – | 0,803 |
Коэффициент фильтрации | м/сутки | 8,64∙10–5 |
– | 0,034 | |
– | 0,094 | |
Модуль общей деформации | кН/м2 | 2653 |
Примечание: по данным [10]
3. Материалы исследования
Анализ проведен на примере осесимметричной задачи, расчетная схема которой изображена на рис. 1. На абсолютно жестком не консолидирующемся основании находится пласт глины, размером 5 на 40 м. Сверху расположен дренирующий слой упругого материала толщиной 0,5 м с характеристиками: коэффициент фильтрации 8,64∙10–4 м/сутки; модуль упругости 3000 кН/м2; удельный вес 18 кН/м3; начальная пористость 0,85; коэффициент Пуассона 0,3 . К этому слою на отрезке протяженностью 5 м прикладывается распределенная нагрузка. Боковые границы упругого и глинистого слоя свободны только вдоль вертикальной оси. По плоскости, ограничивающей сверху упругий слой, задан уровень грунтовых вод. Поровая жидкость имеет возможность беспрепятственно перемещаться под действием силы тяжести. Геостатическое (начальное) состояние массива глины соответствует значениям давления предварительного уплотнения (POP) и коэффициента переуплотнения (OCR) указанным в табл. 1. Размеры одного конечного элемента составляют 0,25 на 0,25 м. Нагрузка величиной 500 кПа прикладывается в течении 10, 40 и 160 суток. Затем массив консолидируется при неизменной нагрузке. Полный рассматриваемый период времени составляет 360 суток.
Рисунок 1 - Объект численного моделирования
Примечание: отмечена характерная точка
4. Результаты
На рис. 2–7 показаны расчетные значения осадки и порового давления в характерной точке глинистого слоя (рис. 1).
Рисунок 2 - Перемещение характерной точки (осадка) при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель MC
Рисунок 3 - Нейтральные (поровые) напряжения в характерной точке массива глины при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель MC
Рисунок 4 - Перемещение характерной точки (осадка) при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель SS
Рисунок 5 - Нейтральные (поровые) напряжения в характерной точке массива глины при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель SS
Рисунок 6 - Перемещение характерной точки (осадка) при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель HS
Рисунок 7 - Нейтральные (поровые) напряжения в характерной точке массива глины при различном периоде приложения нагрузки (курсивом, в сутках). Модель HS
5. Обсуждение
Графики на рис. 2, 4, и 6 демонстрируют уменьшение осадок при увеличении времени строительства. Причем более 0,5 м при использовании нелинейных моделей SS и HS. Все графики поровых напряжений (рис. 3, 5, 7) демонстрируют не более чем двухкратное, по отношению ко времени строительства, время стабилизации (консолидации). Тем не менее на основании аналитических решений, приведенных в , следует ожидать, что стабилизация всего массива глины намного более продолжительна. Кратное увеличение периода строительства, приводит к кратному уменьшению модуля нейтральных (поровых) напряжений.
6. Заключение
Согласно работе рациональная скорость строительства элемента ГСЦ («колонны» ) диаметром около 1 м в глинистом грунте составляет порядка 0,005 м/с . Так, колонна высотой 10 м возводится в течении 2000 с. Соответственно, сплошное заполнение ГСЦ колоннами участка массива размерами 5 на 5 м (что соответствует линейному размеру отрезка нагрузки в рассмотренной выше модели), можно, с учетом подготовительных операций, осуществить менее чем за 10 суток. Как показал численный эксперимент снижение скорости строительства приводит к существенному уменьшению осадок (рис. 4, 6) и, таким образом, понятие «рациональная скорость строительства», при использовании технологии гидроструйной цементации на слабых водонасыщенных грунтах, необходимо дополнить словосочетанием: «при максимальных ожидаемых осадках». Вероятно, увеличение времени строительства, при соответствующем снижении осадок и поровых давлений, улучшит экологичность технологии (см. например ). Данное замечание открывает перспективы дополнительных профильных исследований.