Использование однокомпонентной технологии для закрепления грунта

Рассмотрим, как наиболее простой, процесс однокомпонентного закрепления грунта.

Общий объем естественного грунта в пределах диаметра грунтобетонной колонны равен

D - диаметр грунтобетонной колонны, м; d_h - диаметр технологической скважины, м.

При струйном замещении грунта удаляется только часть объема грунта; оставшийся объем грунта обозначим v_s.

Тогда объем удаляемого грунта (на 1 п. м. грунтобетонной колонны) будет равен:

Радиус замещения грунтобетонной колонны R равен:

                            (4.59)

где d_m - диаметр головки струйного монитора, м.

Условием эквивалентного замещения грунта должно быть равенство объемов размываемого и удаляемого по технологической скважине грунта, или равенство радиусов предельного размыва и замещения, то есть

               (4.60)

Таким образом, для условий эквивалентного замещения процесс определяется двумя зависимостями: например, (4.58) и зависимостью для определения значения R, исходя из объема удаляемого грунта.

Радиус струйного разрыхления грунта, в принципе, может быть больше значения R_u, определяемого по формуле (4.58). Однако радиус грунтобетонной колонны, исходя из условия эквивалентного замещения (4.60), будет определяться указанными двумя уравнениями. Вторым неизвестным, опреляяемым из указанных двух уравнений, является объем оставшегося (разрыяхленного, но не размытого грунта v_s. Значение v_s определяют исходя из ненарушенной структуры грунта.

Для однокомпонентного закрепления грунта объем осажденного грунта можно определить косвенным путем, исходя из следующих соображении при движении потока пульпы (смеси раствора с размытым грунтом и водой содержавшейся в порах размытого грунта) по кольцевому каналу между стенками технологической скважины и буровой штангой, к которой крепится головка струйного монитора, скорость восходящего потока v_о определяется расходом удаляемой пульпы Q_gp и площадью сечения канала F:

              (4.61)

Площадь сечения канала равна:

                     (4.62)

где d_s - диаметр буровой штанги, м.

Если значение скорости v_о будет меньше некоторой критической скорости u_сr, то содержащийся в смеси грунт начинает осаждаться (и возникает описанный выше «клакаж»), если же v_о будет выше u_cr, то мы будем иметь избыточные технологические потери раствора. Поэтому наиболее целесообразно равенство:

                         (4.63)

Поскольку скорость восходящего потока и критическая скорость зависят от количества транспортируемых грунта и воды, равенство (4.63) назовем «Условием рационального замещения». Это условие является дополнительным к «условию эквивалентного замещения» (4.60).

Объем частиц выносимого раствором грунта V_pr на 1 п. м. высоты колонны составит для несвязных грунтов

                     (4.64)

где п - здесь пористость естественного грунта.

Связные грунты при струйном разрушении не диспергируются непосредственно, а распадаются на агрегаты размерами от 3 до 10 мм. При этом, в первом приближении, будем считать, что пористость и влажность связных грунтов внутри образующихся агрегатов остаются неизменными.

В этом случае объем выносимых с пульпой агрегатов связных грунтов

                        (4.65)

Для несвязных грунтов расход грунтовой воды Q_wn удаляемой с пульпой

                           (4.66)

Расход раствора Q_gn удаляемого с пульпой, для несвязных грунтов:

                                    (4.67)

для связных грунтов:

                (4.68)

Общий расход пульпы Q_gr для несвязных грунтов:

                                 (4.69)

Для связных грунтов:

                   (4.70)

Значение критической скорости u_cr определяем, согласно, по формуле:

                             (4.71)

где

• с" - константа, значение которой зависит от крупности частиц грунта; при крупности частиц до 3 мм значение с" = 2,5; при крупности от 3 до  10 мм значение с" равно от 2,5 до 3,0; для связных грунтов целесообразно принимать с" = 2,75; а₁- относительная плотность пульпы; s₂ - консистенция грунта в несущей жидкости - цементном растворе, то есть отношение объемного количества грунта к сумме объемов цемент, грунтовых частиц, и воды, содержащейся как в удаляемом грунте, так и в цементном растворе; u⁰_*1c - гидравлическая крупность частиц средневзвешенного размера в стесненных условиях несущей среды с тонкими и тончайшими фракциями.

Относительная плотность пульпы а₁ для несвязных грунтов определяетепо формуле

                   (4.72)

Для связных грунтов

                    (4.73)

где p_s - плотность естественного грунта.

Консистенция грунта в несущей жидкости s₂ определяется по формуле:

                     (4.74)

где С - масса цемента на 1 м3 цементного раствора, кг; W- масса воды на 1 м3 цементного раствора, кг.

Значение гидравлической крупности частиц u0*1c в данном случае определяется по формуле:

                             (4.75)

где β - коэффициент, зависящий от среднего размера частиц грунта d_a ;  а_с - относительная плотность частиц цемента в цементном растворе; μ_с - эффективная вязкость цементного раствора, Н • с/м2;

Значение β определяется выражением:

                         (4.76)

Значение а_с определяется по формуле:

                       (4.77)

Эффективная вязкость раствора μ_с равна:

                            (4.78)

где μ_ст - структурная вязкость цементного раствора, Н • с/м2; μ_н - нормальная вязкость цементного раствора, Н · с/м2.

                               (4.79)

где sc - объемная концентрация цемента в цементном растворе

                      (4.80)

Значение структурной вязкости:

                    (4.81)

Таким образом, значение v_sопределяют подбором, задавая его различные значения и выбирая то из них, при котором удовлетворяется условие (4.63).

Как видим, количество удаляемого грунта и скорость потока смеси зависят от расхода подаваемого раствора, но не зависят от скорости размывающей струи и диаметра насадки.

Поэтому, если расход раствора задан, то изменение энергии струи (давления перед насадкой) и соответствующее изменение диаметра насадки не влияют на радиус струйного эквивалентного (рациональной) замещения грунта.

Чем больше выносится размытого грунта, тем больше остается в состав грунтобетона замещающего грунт раствора, тем больше диаметр грунтобетонной колонны и ее прочность.
Если транспортирующая способность потока не обеспечивает выноса необходимого объема грунта для получения колонны требуемого диаметры то увеличение размывающей способности струи только за счет повышении давления раствора (без увеличения расхода раствора - например, при соответствующем уменьшении диаметра насадки) не приведет к получению указанного результата, то есть требуемый диаметр колонны не будет полученной. Если струя раствора разрыхляет существенно больший грунтовый объем, чем объем выносимого грунта, то разрыхленный грунт на периферии области размыва пропитывается некоторым количеством раствора, при этом прочность грунтобетонного материала становится неравномерной по сечению, а средняя прочность снижается.

Как уже отмечалось, в зависимостях (4.61)—(4.81), среди включенных в них характеристик технологического процесса отсутствует давление перед насадкой. При расчете значений параметров технологического процесса для определения объема выноса грунта задается, по существу, только расход раствора, а при каких значениях давления и диаметре насадки указанный расход будет реализовываться - для данного расчета несущественно. Что касается расчета радиуса предельного размывающего действия струи по зависимое (4.58), то здесь значения давления и диаметра насадки являются определяющими, но значения констант в указанной формуле обеспечивают тот же результат. На практике это действительно имеет место.

Полученный вывод имеет важное практическое значение. Применение для струйного закрепления грунта сверхвысоких давлений порядка 40...80 МПа, с использованием дорогостоящего насосного оборудования с соответствующими уникальными характеристиками, осуществляемое практически во всех промышленноразвитых странах, технически неоправданно, так как указанные сверхвысокие давления не определяются требованиями технологического процесса. Грунтобетонные колонны такого же диаметра получаются и при использовании российское серийного насосного оборудования, с давлениями 6,3-10 МПа, применяемою в специальных строительных работах. Таким образом, можно считать доказанным, что струйное закрепление грунта в большинстве промышленно развитых стран связано с избыточными затратами, что снижает конкурентоспособность струйной геотехнологии в сравнении с другими известными способами выполнения геотехнических работ. Использование в настоящее время некоторыми российскими строительными организациями преимущественно весьма дорогостоящего импортного оборудования для струйного закрепления грунта ведет к сдерживанию распространения в России современной струйной геотехнологии.

Использование приведенной выше методики расчета технологии получения грунтобетонных колонн для однокомпонентной технологии позволяет обеспечить эквивалентное замещение грунта, а также минимизировать непроизводительные потери раствора при струйном закреплении грунтов.