Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время резко активизировалось использование подземного пространства городов и строительство многоэтажных подземных комплексов различного назначения, транспортных тоннелей, коллекторов большого диаметра.
Отечественный и зарубежный опыт насчитывает свыше нескольких тысяч успешно выполненных объектов, на которых производились работы по технологии гидроструйной цементации песчаных грунтов.
Однако более широкое применение гидроструйной цементации песчаных грунтов сдерживается низкой управляемостью технологии, сложностью процесса цементации, отсутствием технологических взаимосвязей параметров технологии от количества потерь цемента, выносимого с грунтоцементной пульпой.
В настоящее время струйную цементацию (гидроструйную геотехнологию), следует рассматривать, с одной стороны, как один из вариантов скважин-ной физико-химической геотехнологии - скважинную гидравлическую добычу полезных ископаемых, а с другой - как направление развития гидромеханизации.
Современная гидроструйная цементация грунтов представлена тремя основными процессами: гидроструйное разрыхление грунта, гидравлическое удаление части разрыхленного грунта с одновременным его замещением цементным раствором и гидротранспорт пульпы размытого грунта по технологической скважине.
Несмотря на наличие многочисленных результатов аналитических и экспериментальных исследований по гидроструйной цементации различных грунтов выбор основных технологических параметров струйной цементации (давление цементного раствора, диаметр насадок монитора, скорость подъема и частота вращения монитора и др.), как правило, осуществляется без должного обоснования только на основе результатов ранее выполненных работ на аналогичных объектах. Поэтому технологические параметры гидроструйной цементации, к сожалению, не всегда оказываются достаточно обоснованными и рациональными.
В связи с этим обоснование параметров гидроструйной цементации песчаных грунтов на основе оперативного определения содержания цемента в грун-тоцементном материале подземной строительной конструкции является весьма своевременной и актуальной научной задачей.
Целью работы являлось установление закономерностей гидроструйной цементации песчаных грунтов и влияния горно-геологических, гидравлических, технических и технологических факторов на процесс возведения подземных сооружений с учетом содержания цемента, выносимого с грунтоцементной пульпой, для обоснования технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности и снижение стоимости подземного строительства.
Идея работы заключается в совершенствовании технологии гидроструйной цементации песчаных грунтов за счет повышения качества контроля и управляемости процессов на основе разработанной методики определения со-
4 держания цемента в грунтоцементном материале конструкции, обеспечивающей оперативный контроль качества формируемых конструкций.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
– параметры гидроструйной цементации песчаных грунтов должны обосновываться на основе зависимостей физико-механических свойств грунтоце-ментного массива от горно-геологических, гидравлических, технических и технологических факторов с учетом содержания цемента в грунтоцементном материале подземной строительной конструкции;
– количество цемента в грунтоцементном материале подземной конструкции при гидроструйной цементации зависит от величины давления раствора, скорости подъема и частоты вращения монитора и установляется при добавлении в раствор порошкообразного графита;
– добавление в раствор порошкообразного графита, тонкость помола которого не ниже тонкости помола цемента, а массовое отношение порошка графита составляет 1-10% от массы цемента, позволяет контролировать количество цемента в грунтоцементном материале при гидроструйной цементации.
Научная новизна работы:
– установлены зависимости величины диаметра, прочности на одноосное сжатие грунтоцементного материала конструкции и потерь цемента от давления цементного раствора, скорости подъема и частоты вращения гидроструйного монитора для гравелистого, крупного, среднего, мелкого и пылеватого песков;
– разработано четыре варианта способов определения содержания цемента в грунтоцементном материале конструкции при гидроструйной цементации песчаных грунтов;
– уточнена методика определения производительности гидроструйного гидравлического разрушения песчаных грунтов высокоскоростными струями с учетом зависимости между производительностью разрушения и затрачиваемой при этом мощности высокоскоростной струи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
– использованием стандартных методик обработки экспериментальных данных при проведении экспериментальных исследований;
– удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментальных данных;
– положительным результатом внедрения разработанных рекомендаций определения основных технологических параметров гидроструйной цементации в зависимости от разновидности песчаных грунтов в практику городского подземного строительства.
Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии существующих представлений об основных процессах технологии гидроструйной цементации песчаных грунтов в различных условиях, а также в расширении области применения гидроструйной геотехнологии.
Практическое значение работы заключается в:
– разработке «Методики по определению содержания цемента в грунтоце-ментном материале конструкции при гидроструйной цементации песчаных
5 грунтов», позволяющей существенно увеличить управляемость гидроструйной технологией;
– обосновании и разработке рекомендаций по выбору и определению основных параметров технологии гидроструйной цементации с использованием предложенной в работе методики определения содержания цемента в грунто-цементном материале конструкции, позволяющей сократить материальные, энергетические и стоимостные затраты.
Личный вклад автора. Постановка цели, идеи и задач исследований; разработка методики проведения стендовых исследований; разработка методики по определению содержания цемента в грунтоцементном материале конструкции; проведении стендовых исследований, обработка и анализ полученных результатов; формулирование основных научных положении и выводы по диссертации.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработана «Методика по определению содержания цемента в грунтоцементном материале конструкции при гидроструйной цементации песчаных грунтов», принятая к использованию ООО «Смарт Инжиниринг» и использовавшаяся при закреплении грунтов основания индустриального парка «Ворсино» (Боровский район, Калужской области).
Апробация работы. Основные результаты диссертации, основополагающие методические положения и аспекты были доложены на Международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2012-2016 гг.), научно-технических советах ООО «Смарт Инжиниринг» (Москва, 2015 г.), а также на научных семинарах кафедры СПСиШ МГГУ и «Геотехнологии освоения недр» НИТУ МИСиС (2012-2017 гг.) на научных семинарах кафедры «Геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2017-2018 гг.)
Публикации. Основные положения диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в 6 научных работах (из них 4 – в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России) и 4 патентах РФ на изобретение.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований, содержит 27 таблиц и 19 рисунков.