Экспериментально-теоретическое обоснование параметров компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений с различными конструктивными решениями фундаментов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бетербиев Адам Саид-Эмиевич

• Бетербиев Адам Саид-Эмиевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Бетербиев Адам Саид-Эмиевич

Введение

ГЛАВА 1. Изучение и анализ истории применения технологии компенсационного нагнетания

1.1 Общие сведения

1.2 Опыт применения технологии компенсационного нагнетания

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Лабораторное и теоретическое исследование и анализ инъекционных материалов для управляемого компенсационного нагнетания

2.1. Общие сведения

2.2. Инъекционный материал П-1

2.3. Инъекционный материал КН-1

2.4. Инъекционный материал КН-2

2.5. Исходные материалы для корректировки базовых пропиточных составов КН-1 и П-1

2.6. Корректировка составов КН-1 и П-1 для различных видов

грунтов

2.7. Определение технологических характеристик откорректированных пропиточных составов для предварительной подготовки грунтов

2.8. Исследование проникающей способности модифицированных пропиточных составов в различные виды грунтов в однонаправленной модели

2.9. Подготовка линейной однонаправленной модели высотой

мм

2.10. Определение проникающей способности составов П-1, предназначенных для пропитывания грунта

2.11. Определение проникающей способности составов КН-1, предназначенных для пропитывания грунта

2.12. Выводы по результатам определения проникающей способности составов П-1, предназначенных для пропитывания грунта

2.13. Выводы по результатам определения проникающей способности составов КН-1, предназначенных для пропитывания грунта

2.14. Управление характеристиками инъекционных растворов первичного нагнетания

2.15. Корректировка инъекционного состава КН-2

Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Комплексные исследования физико-механических

свойств пропитанных грунтов из однонаправленной модели

3.1. Введение

3.2. Лабораторные испытания грунтов

3.3. Трехосные испытания

3.4. Компрессионные испытания

3.5 Фильтрационно-суффозионные испытания

3.6 Физико-механические характеристики песка, пропитанного составом КН-1

3.7 Физико-механические характеристики песка, пропитанного составом П1

3.8 Результаты фильтрационно-суффозионных испытаний песчаных грунтов после первичного нагнетания составом КН-1

3.9 Результаты фильтрационно-суффозионных испытаний песчаных грунтов после первичного нагнетания составом П1

3.10 Результаты фильтрационных исследований образцов крупного

песка

3.11 Результаты фильтрационных исследований образцов пылеватого песка

3.12 Результаты фильтрационных исследований образцов песка

средней крупности

Выводы по Главе

ГЛАВА 4. Численное моделирование геотехнических процессов при прогнозировании осадок и необходимого процента нагнетания с использованием управляемого компенсационного нагнетания

4.1. Общие положения

4.2. Планирование численного эксперимента

4.3. Обоснование математической модели с использованием ПВК «2-ЗоП» для исследования параметров при использовании технологии управляемого компенсационного нагнетания

4.4. Разработка метода математического моделирования для назначения технологических параметров при использовании управляемого компенсационного нагнетания

4.5. Применение результатов выполненных исследований при

проектировании реального объекта строительства

Выводы по Главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Результаты расчетов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы работы. В настоящее время в связи с высокой плотностью застройки крупных городов возникает проблема защиты существующих зданий и сооружений, попадающих в зону влияния нового строительства. Одним из наиболее значимых факторов, определяющих степень влияния нового строительства, является инженерно-геологические условия площадки. Исходя из этого, большинство защитных мероприятий направлены на улучшение характеристик грунтов, залегающих в основании существующих зданий (различные способы закрепления грунтов), но стоит отметить, что большинство таких мероприятий направлены на то, чтобы не допустить предполагаемых деформаций, но, в свою очередь, они бессильны в случае, если деформации уже произошли.

Одним из способов защиты зданий и недопущения развития сверхдопустимых дополнительных деформаций фундаментов и оснований является метод с использованием технологии компенсационного нагнетания. Данный метод посредством инъекции растворов способен остановить практически любые перемещения оснований и фундаментов, вызванные влиянием нового строительства или геологических процессов, а также вернуть их в исходное положение в случае, если осадка уже произошла. Техническая и экономическая эффективность технологии компенсационного нагнетания была многократно доказана отечественной и зарубежной практикой применения. В данное время технология компенсационного нагнетания в отечественном строительстве находит ограниченное применение, в некоторых случаях - из-за проблемы расчетного обоснования и правильного выбора способа нагнетания при разработке проектной документации. Именно поэтому стоит задача правильного выбора способа защиты здания от сверхдопустимых деформаций при новом строительстве, и построения модели для численного моделирования и подбора параметров нагнетания с учетом реальных закономерностей поведения грунта основания

и фундамента сооружения, то есть необходимо сделать технологию компенсационного нагнетания управляемым процессом.

Степень разработанности темы исследования. Исследованием способов защиты зданий и сооружений, а также методов расчета протекающих геотехнических процессов при использовании метода компенсационного нагнетания занимались многие отечественные (Алексеев В.А., Власов С.Н., Внуков Д.А., Гарбер В.А., Голубев В.Г., Никифорова Н.С., Маковский Л.В., Меркин В.Е., Петрухин В.П., Симутин А. Н., Харченко И.Я., Чеботаев В.В., Шилин А.А., Щекудов Е.В., Яровой Ю.И. и др.) и зарубежные (Bezuijen A.F., T. Telford, Н.Т. Chen., Е. Falk., S. P. Kaushish, A.M. Wood, D. Kolymbas, Y. Kojma, H. Knitsch., R. Kleinlugtenbelt, L.W.Wong, K. Yashiro. и др.) исследователи.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое обоснование параметров компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений с различными конструктивными решениями фундаментов»

Цель работы:

Повышение эффективности технологии компенсационного нагнетания путем исследования и разработки инъекционных составов для осуществления управляемого компенсационного нагнетания и разработки методологии расчетного обоснования с учетом конструктивных особенностей и геологических условий.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

• проведение и выполнение анализа существующих методов защиты от деформаций зданий и сооружений, в частности, с применением технологии компенсационного нагнетания;

• выполнение исследования инъекционных составов и пропитанных образцов с целью определения расчетных физико-механических характеристик;

• разработка методики численного расчета методом конечных элементов с использованием ЭВМ для здания, находящегося в зоне влияния котлована;

• результаты выполненных расчетов по разработанной методике сравнить с результатами выполнения натурных объектов с применением технологии компенсационного нагнетания;

• в рамках метода планирования эксперимента получить зависимость (в виде уравнения регрессии), позволяющую определить необходимый объем нагнетания в зависимости от угла наклона экрана компенсационного нагнетания при решении конкретных инженерных задач.

Научная новизна:

• Исследование, усовершенствование и подбор составов для осуществления возможности управляемого компенсационного нагнетания, а также повышения его эффективности по сравнению с классическим методом.

• Теоретическое обоснование и разработка принципов назначения основных параметров компенсационного нагнетания для защиты зданий и сооружений.

• Установление закономерности развития НДС оснований при различных условиях в процессе компенсационного нагнетания.

• Установление зависимости эффективности компенсационного нагнетания от геометрического расположения компенсационного экрана.

• Получение математической модели, адекватно описывающей изменение НДС в зависимости от геометрического расположения компенсационного экрана, конструктивных особенностей фундаментов и инженерно-геологических условий.

• Построение номограммы для экспресс-определения объема нагнетания с применением технологии управляемого компенсационного нагнетания, необходимого для устранения сверхнормативной осадки здания в зависимости от угла наклона компенсационного экрана и величины дополнительных деформаций оснований фундаментов.

Теоретическую значимость работы представляют:

• Построена зависимость в графическом виде, позволяющая по величине заданного коэффициента эффективности компенсационной пропитки (КЭП) определять при производстве инъекционных работ такие параметры, как давление и расход пропиточного состава;

• Построены графики зависимости и определены факторы, влияющие на изменение осадки здания в большей и меньшей степени;

• Разработана методика определения дополнительных осадок здания при отрывке котлована, и их компенсации при применении технологии управляемого компенсационного нагнетания;

• Получено уравнение регрессии для определения дополнительных осадок с учетом факторов, оказывающих наибольшее влияние на осадку здания, а именно расстояние от здания до проектируемого котлована R (м), глубина проектируемого котлована H (м), этажность здания (нагрузка) N (кН/м2), деформационная механическая характеристика основания E (МПа);

• Получено уравнение регрессии для определения необходимого объема компенсации проявившихся осадок с учетом угла наклона компенсационного экрана.

Практическую значимость работы представляют:

• Выполнена серия опытов для определения физических и механических характеристик грунта, пропитанного инъекционными составами первичного нагнетания КН-1 и П-1;

• На основании исследований построены графики, позволяющие определить состав инъекционного материала для вторичного нагнетания, исходя из требуемой конечной прочности и кинетики набора прочности во времени.

• Разработана методика прогнозирования дополнительных осадок здания, находящегося в зоне влияния разработки котлована, в зависимости от определенных факторов;

• Построена номограмма для экспресс-определения объема нагнетания с применением технологии управляемого компенсационного нагнетания, необходимого для устранения сверхнормативной осадки здания в зависимости от угла наклона компенсационного экрана и величины дополнительных деформаций оснований фундаментов.

Методология и методы исследования. При выполнении данной работы использовался экспериментальный метод исследований для определения характеристик инъекционных составов и характеристик пропитанного грунта, позволяющий использовать его для осуществления технологии управляемого компенсационного нагнетания. А также в исследованиях был использован метод планирования эксперимента совместно с методом конечных элементов. В результате обработки полученных результатов были составлены уравнения регрессии для определения осадки здания и необходимого объема компенсационного нагнетания зависимости от осадки. Ввиду сложности использования уравнения регрессии на практике на его основании была составлена номограмма для определения объема нагнетания в зависимости от осадки.

Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Автором был проведен анализ существующих данных практического и экспериментального опыта применения технологии компенсационного нагнетания; были поставлены цели и на их основании сформированы основные выводы по результатам исследований; выполнены

исследования инъекционных составов и пропитанных образцов грунта с целью определения расчетных физико-механических характеристик; разработана методика расчета методом конечных элементов, с совместным применением метода планирования эксперимента, компенсационного нагнетания, применяемого для защиты зданий, находящихся в зоне влияния котлована; выполнены две серии расчетов и получены уравнения регрессии, на основании которых построены графики и номограммы для определения дополнительной осадки здания при разработке котлована, а также для определения процента нагнетания, при устранении дополнительных осадок от влияния нового строительства; произведен анализ применения результатов, выполненных исследований при проектировании и строительстве натурного объекта.

Положения, выносимые на защиту:

1. Выполненное исследование инъекционных материалов с корректировкой их составов и определение физических и механических характеристик грунтов, пропитанных данными инъекционными материалами.

2. Метод расчета осадки фундаментов зданий, находящихся в зоне влияния разработки котлована, а также метод расчета необходимого количества инъекционного материала для компенсации образовавшейся осадки с использованием технологии управляемого компенсационного нагнетания.

3. Результаты анализа проведенных исследований и рекомендации, составленные на их основании.

Достоверность полученных результатов обоснована:

- применением метода планирования эксперимента, позволяющим установить необходимую последовательность и объем теоретических

исследований, а также произвести факторный анализ полученных результатов;

- учетом при проведении исследований отечественного и зарубежного опыта в данной области и данных нормативной и специальной технической литературы;

- анализом и сравнением полученных результатов исследований с данными мониторинга на натурном объекте строительства.

Апробация работы. Результаты опытов и научных исследований и основные научные положения диссертационной работы докладывались на:

1. Всероссийская научно-практическая конференция: «Актуальные проблемы современной строительной науки и образования», Грозный, октябрь, 2017 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 4 работы - в рецензируемых журналах из перечня, рекомендованного ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и двух приложений и содержит 161 страницу машинописного текста, 81 рисунок, 35 таблиц.

Диссертация выполнена на кафедре механики грунтов и геотехники (МГиГ) в НИУ МГСУ под руководством доктора технических наук, профессора М.Г. Зерцалова, которому автор выражает искреннюю благодарность за внимание, большую помощь и поддержку, оказанные при подготовке данной работы.

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ИСТОРИИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ

1.1 Общие сведения

Основные способы защиты существующей застройки от влияния нового строительства предусматривают недопущение дополнительных деформаций, но не устраняют уже проявившиеся осадки сооружений. Кроме того, широко используемые методы не предусматривают мониторинг за деформациями и выполнение дополнительных мероприятий. Следствием этого является избыточность мероприятий [37, 59].

В истории применения защитных мероприятий для зданий первое упоминание о методе компенсационного нагнетания было связано с необходимостью исправления уже возникших осадочных деформаций, предвидеть и предварительно оценить которые было невозможно. Примером такого опыта стало исправление осадки у коксовой печи в Эссене (Германия) путем введения цементного раствора под фундаменты сооружения. Этот опыт был задокументирован в 1951 году. Впоследствии этот метод стал все более широко применяться, превратившись в неотъемлемый инструмент не только для исправления уже произошедших осадочных деформаций зданий и сооружений, но и для предотвращения появления еще не случившихся, но прогнозируемых сверхнормативных осадок [6, 9, 10, 41, 46, 49, 50].

Основной принцип метода компенсационного нагнетания заключается в компенсации дефицита грунта или напряженного состояния в инъекции, через специальные манжетные трубы, медленно твердеющего раствора на минеральной основе с требуемой вязкостью в заранее подготовленные грунты основания здания или сооружения для предотвращения дальнейшей осадки или ее компенсации. Это позволяет, в частности, сформировать расчетное напряженно-деформируемое состояние массива грунта,

обеспечивающее управляемый подъем надземного сооружения, используя эффект домкрата, размещенного под всей его площадью в основании [7, 46, 56].

С 1986 года, с возникновением и развитием информационных технологий, позволяющих выполнять мониторинг за перемещениями зданий в режиме реального времени, произошло увеличение широкого использования и роста популярности технологии компенсационного нагнетания [97, 99].

Критерии оценки и их предельные значения (относительная разность осадок, максимальная осадка, крен, прогиб, раскрытие трещин или стыков) задаются в соответствии с категорией технического состояния сооружений и требованиями нормативной документации.

Для оценки выполненных инъекционных работ в общей инженерной практике существует понятие коэффициента эффективности компенсационного нагнетания [70, 81, 83, 90, 91], определяемого по 1.1 [46].

е= Уподьема 400% (1.1),

V.

нагнетания

где

Уподъема — объем подъема фундамента, (м3);

V — объем нагнетания раствора, (м3).

нагнетания А 1 ? \ /

Главным преимуществом технологии компенсационного нагнетания над другими способами защиты зданий и сооружений является возможность прогнозирования с высокой степенью достоверности вероятности возникновения деформаций и технологических параметров нагнетания как аналитическими, так и численными методами.

Использование технологии компенсационного нагнетания позволяет достичь значительного экономического преимущества по сравнению с иными методами усиления фундаментов или основания. Классические методы защиты направлены на предотвращение развития осадок существующего здания, но имеют некоторые недостатки. Первым недостатком является потребность в больших объемах материалов и работ для реализации данных методов, а также невозможность полностью оценить процент их использования, так как он зависит от предпосылок, установленных проектировщиком. Но при использовании метода управляемого компенсационного нагнетания требуемые объемы зависят от изменения высотного положения здания. В благоприятных условиях объемы для защиты здания могут быть минимальными и могут ограничиться только подготовительными работами. Но и в случае неблагоприятного развития событий данная технология способна защитить сооружение, даже если методы усиления фундаментов или основания в проектном решении не оказались достаточными [46].

1.2 Опыт применения технологии компенсационного нагнетания

1.2.1 В большом объеме опыт применения в отечественной и мировой практике технологии компенсационного нагнетания и гидроразрыва описан в [46]. В данном пункте приведены примеры наиболее значимых, по мнению автора, проектов успешной реализации технологии компенсационного нагнетания в классическом виде в мировой и отечественной практике.

Одним из самых популярных примеров успешной реализации технологии компенсационного нагнетания является ее применение для защиты и исправления осадки и кренов Башни Елизаветы (Биг-Бен) Вестминстерского дворца при проходке вблизи тоннелей метрополитена и строительства станции метро на Юбилейной линии в Лондоне. Нагнетание

инъекционного материала проводилось через стальные манжетные инжекторы, установленные в пробуренные скважины из технологической вертикальной шахты. В результате проведенных мероприятий было инъектировано около 122 кубических метров материала, что позволило избежать критических деформаций башни Биг-Бен во время строительных работ [84, 86, 96, 46].

В России впервые технология компенсационного нагнетания была применена для защиты здания Алексеевского военного училища при щитовой проходке во время строительства Лефортовского тоннеля в 2002 г. Защитные мероприятия предусматривали выполнение наклонных скважин из специальной шахты и установку в эти скважины инъекторов для дальнейшего нагнетания инъекционного материала. После выполнения комплекса строительных работ и мероприятий величина осадок военного училища составила менее 2 мм при прогнозируемом расчетном значении в 60 мм без применения каких-либо защитных мероприятий [36, 37, 38, 42, 46,48].

1.2.2 Автором работы принято участие в разработке более 10 проектов с применением технологии компенсационного нагнетания для защиты зданий от нового строительства, а также для возвращения зданий в исходное положение после того, как осадки по тем или иным причинам уже произошли. Ниже приведены примеры некоторых их этих проектов.

Одним из таких был проект по восстановлению исходного положения здания по адресу: ул. Понтекорво, д. 18, в городе Дубна после проявления сверхнормативных осадок вследствие разуплотнения грунтов основания из-за совокупности внешних факторов и изменения гидрогеологических условий местности. Фундаменты жилого дома были выполнены из забивных 6-метровых свай, расположенных под несущими конструкциями. Проектом восстановления было предусмотрено устройство 400 скважин с внешней и

внутренней сторон стен здания и инъекция составов в две зоны (рис. 1.1). Одна зона располагалась в области свай и предполагала пропиточное закрепление грунтов и ликвидацию разуплотнения, а вторая находилась под основанием свай с оставлением буферной области и предполагала нагнетание компенсационных составов для устранения осадок и подъема здания.

Рис. 1.1 Схема расположения инъекционных скважин в основании

фундамента

Проект защитных мероприятий был реализован, проектные цели были достигнуты в полном объеме.

Следующим примером разработанных проектов является проект защиты здания роддома по адресу: Самаркандский бульвар, д. 3, город

Москва, от негативного влияния проходки тоннеля при строительстве Кожуховской линии Московского метрополитена. Проектом было предусмотрено устройство инъекционных скважин, расположенных в два ряда между фундаментами здания и тоннелем метрополитена (рис. 1.2). Нижний ряд скважин был предназначен для пропиточной инъекции и закрепления грунта с целью создания опорного слоя для осуществления процесса компенсационного нагнетания в верхнем ряду скважин. На фундаменты здания были установлены датчики гидростатического нивелирования для контроля деформаций и моментального отслеживания изменения положения фундаментов при инъекции компенсационных растворов.

Здание по адресу / Самаркандский 5ульЬар о 3

__¿_А,_„

Рис. 1.2 Расположение инъекционных скважин

Проект был успешно реализован. Итоговая осадка фундаментов роддома по окончанию проходки была сохранена в пределах допустимых

значений вследствие применения технологии компенсационного нагнетания.

Еще одним проектом компенсационного нагнетания является проект для защиты вестибюля станций метро «Чкаловская» и «Курская» от негативного влияния нового строительства. Проектом было предусмотрено устройство в подвальной части строящегося здания 104 инъекционных скважин в 4 яруса по 26 штук, равномерно расположенных под всей площадью вестибюля станции метро (рис. 1.3).

инъекторы

Рис. 1.3 Схема расположения инъекционных скважин в плане

Скважины для манжетных инъекторов были пробурены горизонтально из подземной части соседнего здания по 2 яруса через стены двух подземных этажей (рис. 1.4).

Вестибюль станции

инъекторы

Рис. 1.4 Разрез по инъекционным скважинам

На фундаментах вестибюля были установлены датчики гидростатического нивелирования (ДГН) (рис. 1.5), на основании показаний которых осуществлялось поэтапное компенсационное нагнетание составов в необходимые зоны проявления осадок по мере возведения строящегося здания.

6—— —р Датчики гидростатического

\

■ 3 4 Ъ I 6 : ( 7 ) В Ч 10 11 ) 12 12'

Рис. 1.5 Схема расположения ДГН

Мероприятия по компенсационному нагнетанию выполнялись в 7 этапов. Подготовительный этап. В ходе которого происходило устройство системы мониторинга за осадками здания станции метрополитена и напряжением в грунте под вестибюлем станции. Этап создания сетки скважин на всех ярусах под зданием станции «Чкаловская» включал в себя бурение в проектном объеме с допустимой точностью нагнетательных скважин и размещение в скважинах в обойменном растворе манжетных колонн. Этап подготовки вмещающего объема грунта (заполнение пор и пустот) посредством инъекций раствора. Этап компенсационного нагнетания, обеспечивающий создание напряженно-деформационного состояния грунта под зданием станции (предварительная стадия обжатия грунта). Этап компенсационного нагнетания, обеспечивающий превентивный подъем здания станции метрополитена на 1-2 мм. Этап устранения возможных

осадочных деформаций, возникающих в результате увеличения нагрузки на грунты основания при возведении здания. Этап дежурного режима и обеспечение в случае необходимости неизменного планово-высотного положения станции метрополитена при релаксации грунта посредством инъекций раствора. Проект, включая все этапы компенсационного нагнетания, был успешно реализован.

Очередным объектом, где была реализована рассматриваемая технология, является проект усиления и предотвращения сверхнормативных деформаций фундамента и конструкций ТЦ «Драйв», расположенного по адресу: Москва, МКАД, 8-й км, 3, стр. 2, при проходке тоннеля Кожуховской линии Московского метрополитена щитовым способом под основанием торгового центра. На данном участке строительство подходной выработки производилось с помощью тоннелепроходческого механизированного комплекса «НеггепкпеМТМВЕРВ 10850» с грунтопригрузом. Диаметр резания 10820 мм. Тоннель проходил непосредственно под зданием торгового центра (рис. 1.6). Глубина залегания шелыги тоннелей на рассматриваемом участке составлял от 19,3 м до 22,1 м от поверхности земли. Здание торгового центра является трехэтажным с конструктивной схемой каркасного типа. Фундамент строения представляет собой фундаментную плиту на естественном основании. Мониторинг на объекте осуществлялся с помощью датчиков гидростатического нивелирования.

Рис. 1.6 Схема выполнения компенсационных мероприятий

Для выполнения защитных мероприятий было запроектировано 50 горизонтальных скважин, для установки манжетных колонн и нагнетания раствора. Бурение скважин предполагалось из двух специальных технологических шахт, устраиваемых ниже фундаментов торгового центра (рис. 1.7).

Прохобка шахтного стбога глубиной 7,0 у I сйорны" железобетонным опускным ко/гаАцем

Рис. 1.7 Схема расположения технологической шахты и манжетной колонны

Проект защитных мероприятий для ТЦ «Драйв» с использованием метода компенсационного нагнетания, при проходке тоннеля метрополитена непосредственно под конструкциями сооружения, был успешно выполнен.

Технология компенсационного нагнетания применялась на множестве реальных объектов для решения различных задач, но в основном весь опыт применения технологии осуществлялся в классическом ее виде, то есть без возможности контролирования объема нагнетания, давления и без возможности прогнозирования результатов применения данной технологии.

Выводы по главе 1:

1. Из всех известных способов защиты существующих зданий от дополнительных деформаций при новом строительстве одним из наиболее эффективных методов является технология компенсационного нагнетания. Данная технология в классическом виде применялась на зарубежных и

отечественных объектах за последние 65 лет и показала свою техническую и экономическую эффективность при защите зданий от нового строительства, а также при устранении уже произошедших осадок фундаментов.

2. Классическая технология компенсационного нагнетания имеет некоторые ключевые недостатки, такие как неуправляемый и непрогнозируемый гидроразрыв при выполнении инъекции, а также неконтролируемая кинетика твердения инъекционных растворов, что приводит к преждевременному выходу из строя манжетных инъекторов.

3. Изучением методов расчета геотехнических процессов при использовании компенсационного нагнетания занимались многие отечественные и зарубежные ученые и исследователи. Однако вопрос расчета геотехнических процессов при компенсационном нагнетании до настоящего времени является открытым.

4. По результатам анализа имеющейся литературы можно сделать вывод, что дальнейшие исследования данной темы должны быть направлены на изучение и разработку методов расчета, а также подбора инъекционных составов с целью сделать технологию компенсационного нагнетания более прогнозируемой и управляемой на стадии принятия проектных решений и непосредственно при выполнении работ по инъектированию.

ГЛАВА 2. ЛАБОРАТОРНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИНЪЕКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО КОМПЕНСАЦИОННОГО НАГНЕТАНИЯ

2.1 Общие сведения

Технология компенсационного нагнетания с учетом геотехнических условий, представленных преимущественно водонасыщенными песками, должна выполняться с применением предварительной пропитки для подготовки вмещающего массива с целью исключения гидроразрыва грунта на стадии подъема. Метод компенсационного нагнетания (КН) с предварительной пропиткой грунта предусматривает выполнение работ в 2 этапа: 1-й этап - предварительная подготовка песчаного массива посредством заполнения пор и пустот высокопроникающим композитным раствором под низким давлением (первичное нагнетание); 2-й этап -последующее компенсационное нагнетание инъекционного материала по горизонтам массива с регулируемой вязкостью и кинетикой затвердевания при проектном давлении и расходе (вторичное нагнетание).

Инъекционный раствор, используемый на первом этапе, должен обладать условной вязкостью, близкой к вязкости воды, и при нагнетании вытеснять воду из пор грунта в режиме пропитки с сохранением природной структуры грунта [43,57].

Инъекционный раствор, применяемый на втором этапе нагнетания, должен обладать технологически максимально возможной вязкостью и обеспечивать возможность выполнять нагнетание в одну точку до 20 и более раз с управляемой кинетикой затвердевания.

2.2 Инъекционный материал П-1

Инъекционный состав П-1 является 2-компонентным, он приготавливается в условиях строительной площадки путем смешения двух жидких компонентов. При этом возникают технологические трудности,

связанные с предварительной дозировкой компонентов и подачей их в смеситель, т. к. растворный узел предусмотрен для использования сухих строительных смесей. В связи с тем, что один из компонентов - материал «ЦМИД-2» имеет густую гелеобразную структуру и поступает в бочках объемом 200 литров, при приготовлении в производственных объемах необходимо применение специального насосного и дозировочного оборудования.

В связи с отсутствием специальных насосов, забор материала из бочки производится вручную при помощи дозировочной емкости, что крайне нетехнологично, трудоемко, приводит к налипанию материала на контактные поверхности, непроизводственным потерям дорогостоящего материала, исключает возможность точного дозирования. Особые дополнительные трудности возникают при работе в условиях отрицательных температур.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бетербиев Адам Саид-Эмиевич, 2025 год

у /

; 1 /

/ /

у

/ /

/

01 0,01 0,1 1 Размер фракций, мм Супесь песчаная —♦—Песок средней крупности —•—Мелкозернистый песок 10

Рис. 3.1 График гранулометрических составов модельных грунтов.

3.3. Трехосные испытания

Испытания проводились на приборах, реализующих метод трехосного сжатия в соответствии с п.5.3.2 ГОСТ 12248-2010.

Общий вид установок приведен на рисунке 3.2.

Рис. 3.2 Общий вид установок трехосного сжатия.

Консолидированно-дренированные (КД) испытания для определения характеристик деформируемости проводились в условиях открытого дренажа. Перед началом испытания для одной партии образцов проводилось полное водонасыщение исходных образцов дистиллированной водой, для другой партии проводилось полное насыщение образцов пропиточным раствором. После стадии насыщения образец нагружался вертикальной нагрузкой до разрушения при постоянном всестороннем давлении 03. Разрушение образцов грунта производилось в кинематическом режиме, скорость которого определялась по рекомендациям ГОСТ 12248-2010 и составила 0,05 мм/мин для песков. Испытание проходило до разрушения образца. Для каждого образца песка испытание повторялось три раза при одинаковых условиях.

После обработки результатов испытаний получены значения модуля общей деформации и коэффициента Пуассона. По результатам трехосных испытаний определены сцепление и угол внутреннего трения грунтов.

3.4 Компрессионные испытания

Общий вид установок для компрессионных испытаний представлен на рисунке 3.3.

Рис. 3.3 Общий вид установок компрессионного сжатия

Испытания проводились в соответствии с планом эксперимента. Для песчаных образцов производилось полное водонасыщение. Нагружение производилось ступенями с выдержкой каждой ступени вплоть до стабилизации деформаций. Максимальное вертикальное давление составило 1200 кПа. Всего для каждого ИГЭ выполнено три испытания при одинаковых условиях.

Выполнено определение компрессионного модуля деформации в диапазоне вертикальных напряжений 100-200 кПа.

3.5 Фильтрационно-суффозионные испытания

Для проведения фильтрационно-суффозионных исследований применялось опытное оборудование, включающее комбинацию нагрузочной рамы производства APS WILLE Geotechnik UL60-4 (60 kN), датчика измерения силы KASE-E/D (60 kN), датчика измерения перемещений TRS-0050 (50 mm), дифференциального датчика измерения объема LT 42110/42120 (500 mm) и камеры для проведения фильтрационно-суффозионных исследований. Общий вид опытной установки представлен на рисунке 3.4.

Применяемое оборудование позволяет производить испытания по схеме компрессионного сжатия с измерением:

- вертикального усилия датчиком силы;

- вертикальной деформации датчиком перемещений;

- объема жидкости, подаваемой в камеру прибора.

В опытной установке, схема которой представлена на рис. 3.5, образец грунта, помещенный в цилиндрическую рабочую камеру, подвергается сжатию при действии усилия, передаваемого от пресса через шток на верхнюю подвижную решетку. Одновременно осуществляется фильтрация воды, подаваемой из дифференциального датчика объема, автоматически поддерживающего заданную величину напора.

Сразу после начального уплотнения (50 кПа) грунт замачивался дистиллированной водой в направлении сверху вниз до тех пор, пока вода не проникнет через всю толщу образца. Затем через дифференциальный датчик измерения объема создают противодавление, достаточное для точного измерения объема фильтрата (20 кПа).

Профильтрованная через образец жидкость, содержащая частицы грунта, собирается под образцом в емкость - пескосборник.

После окончания испытания выполняется проливка воды и суффозионных частиц из пескосборника через фильтровальную бумагу с

целью последующего высушивания и взвешивания. Образец грунта после испытания удалялся из камеры прибора, высушивался. После высушивания путем просеивания из образца удалялись частицы щебня, и производилось взвешивание грунта.

Рисунок 3.4 Общий вид опытной установки для фильтрационно-суффозионных исследований грунтов

6 песпосбарки«

Рис. 3.5 Рабочая схема испытаний грунта в вертикальном фильтрационно-суффозионном приборе (П 12-83)

Всего было проведено 12 фильтрационно-суффозионных испытаний, из них 3 - с песком мелким, 3 - с песком средней крупности, 3 - с песком мелким, пропитанным составом КН-1 и 3 - с песком средней крупности, пропитанным составом.

3.6 Физико-механические характеристики песка, пропитанного

составом КН-1

По результатам выполненных испытаний определены физические характеристики грунтов (в соответствии с ГОСТ 5180-2015), а также прочностные и деформационные характеристики: угол внутреннего трения ф и сцепление с в соответствии с ГОСТ 12248-2010.

По результатам испытаний были определены:

- Ф [°] - угол внутреннего трения;

- c [МПа] - сцепление;

- Wопт [д е.] - оптимальная влажность грунта;

- pd [г/см3] - плотность скелета грунта;

- pdmax [г/см3] - максимальная плотность скелета грунта

- ps [г/см3] - плотность частиц грунта;

- п [-] - пористость грунта;

- e [-] - коэффициент пористости грунта;

- Sr [д.е.] - степень водонасыщения грунта;

- kф [см/с] - коэффициент фильтрации грунта;

- 5 [%] - процент частиц, вынесенных из образца вследствие суффозии.

Полученные частные значения характеристик и осредненные значения для всех образцов представлены в таблице 3.2.

Среднее значение по образцу - №

Песок средней крупности Образец

о о о о Оптимальная влажность, "опт, д.е.

1,975 1,939 2,018 1,968 Максимальная плотность скелета при оптимальной влажности, ратах ,г/см3

2,65 Плотность частиц, р8г/см3

0,555 Коэффициент пористости грунта, е

"о Степень водонасыщения грунта, БгД.е.

о о о о м о о о о о о м о о Бытовое давление, оз, кПа

1899 1304 он 1841 1925 1930 1305 1300 1306 чо 00 ю 00 Вертикальное напряжение при разрушении, 01, кПа

68,54 46,59 39,26 69,72 63,73 71,69 53,23 43,15 43,38 35,82 39,74 42,2 Модуль общей деформации, Е, МПа

0,37 0,42 о 0,38 0,32 о 0,43 о 0,39 0,39 0,42 о Коэффициент Пуассона, V, д.е.

31,91 Угол внутреннего трения,

о Сцепление, с, МПа

9,07 9,71 10,46 7,05 Компрессионный модуль деформации, ЕК(од-о,2), МПа

7,99* 12,49 2,61 8,35 9,014 22,06 11,43 14,82 22,45 8,52 Угол дилатансии, \|/,°

н р

о\ Й к

а &

'ю

Я

о л

П)

я м Е

П)

л р

о

н я Е п>

о о

п> й я

а М Я Е

П) со Я

й

П)

Я К Ьа

X £

п

а 43 К о н

к «

777 63,09 0,46 11,22

Песок 200 1148 42,11 0,42 23,65 8,02

1399 48,13 0,41 11,43

средней 1317 50,13 0,35 1,27

1а крупности 400 1358 61,3 0,43 24,99 10,72

с раствором 0,555 1,0 1326 53,48 0,38 33,96 0 11,59

2423 85,73 0,4 9,71

600 1769 75,22 0,34 28,89 11,01

1919 74,68 0,38 12,61

Среднее 200 1084 51,11 0,43

значение по 400 1334 55,97 0,39 25,84 9,37*

образцу 600 2037 78,54 0,37

788 38,92 0,43 8,27

0 1,846 200 727 35,72 0,43 14,94 22,12

712 30,94 0,45 15,66

Песок мелкий 1378 56,85 0,43 12,45

2 0 1,767 400 1429 39,81 0,41 13,34 8,92

2,65 0,653 1,0 1261 38,26 0,42 30,49 0 8,38

1585 87,6 0,33 9,51

0 1,787 600 1497 49,6 0,34 11,37 12,1

2033 52,39 0,35 8,99

Среднее 0 1,800 200 742 35,19 0,44 13,22 8,77*

значение по 400 1356 44,97 0,42

образцу 600 1705 63,2 0,34

828 40,95 0,45 22,06

200 1019 42,31 0,33 16,92 25,3

1019 42,3 0,33 23,22

Песок 1294 48,52 0,4 11,11

2а мелкий с 400 1294 53,39 0,39 19,6 11,33

раствором 0,653 1,0 1163 45,22 0,39 30,65 0 11,58

— — — 1692 81,7 0,43 7,85

600 1753 68,92 0,37 19,59 12,06

1723 71,06 0,37 11,84

Среднее 200 955 41,85 0,37

значение по 400 1250 49,04 0,39 18,7 10,74*

образцу 600 1723 73,92 0,39

* Для определения среднего из выборки исключались значения выше 120.

Анализируя результаты испытаний, представленные в таблице 3.2, можно сделать вывод о значительном увеличении характеристик пропитанных образцов грунта по сравнению с образцами в исходном состоянии.

3.7 Физико-механические характеристики песка, пропитанного составом П-1

Определение максимальной плотности и оптимальной влажности проводили в соответствии с ГОСТ 30416-2020.

Для проведения испытаний использовались образцы песчаного грунта нарушенного сложения, высушенные в сушильном шкафу до воздушно-сухого состояния. Грунт был предварительно измельчен и загружен слоями в форму с последующим уплотнением.

Испытания проводили с последовательным увеличением влажности образца на 2-3 %.

Всего было выполнено по 2 определения на каждый вид модельного песка, максимальные значения плотности сухого грунта в дальнейшем применялись при его укладке в модели.

Результаты определения физических свойств и гранулометрического состава модельных песков представлены в таблице 3.3, а определения максимальной плотности и оптимальной влажности приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.3 - Результаты определения физических свойств и гранулометрического состава модельных песков

№ пробы Естественная влажность W, % Плотность частиц грунта, ps, г/см3 Степень неоднородности Гранулометрический состав грунта, % Наименование грунта

Диаметр фракций, мм

Гравий Песок Пыль Глина

> 1 0 105 52 21 10,5 0,5 0,2 5 0,2 50,1 0,1 0,0 5 0,0 50,0 1 0,01 0,00 5 <0,005

1 7,1 2,62 3,1 0,8 45, 0 40, 8 11, 3 0,5 1,6 песок пылеватый неоднородный

2 3,7 2,63 3,2 - 0,5 1, 1 4, 6 17, 5 33, 4 37, 0 4,1 0,2 0,1 1,5 песок средней крупности неоднородный

Таблица 3.4 - Результаты определения максимальной плотности и оптимальной влажности

№ пробы Оптимальная Максимальная

№ опыта влажность грунта, W опт, % плотность сухого грунта, Pdmax, г/см3 Наименование грунта

1-1 1 16,9 1,58 песок пылеватый неоднородный

1-2 16,7 1,60 песок пылеватый неоднородный

2-1 2 12,3 1,70 песок средней крупности неоднородный

2-2 11,4 1,72 песок средней крупности неоднородный

Испытания песка, пропитанного составом первичного нагнетания П-1 (табл. 3.5 и табл. 3.6) показали, что в этом случае характеристики исходного песка не снижаются.

Таблица 3.5 - Физико-механические и деформационные характеристики

среднезернистого песка, пропитанного составом П-1

№ п.п. № колбы Часть колбы % г/см3 Модуль деформации Ек, МПа (интервал давлений 0,3-0,5 МПа) Угол внутреннего трения ф', град Удельное сцепление с', МПа

Песок без пропитки

1 12 верх 20,9 1,69 34,1 - -

2 середина 19,2 1,75 31,4

3 низ 17,9 1,73 30,8

4 11 18,5 1,72 - 31 0,039

5 7 верх 18,3 1,76 37,5 31,2 0,02

6 середина 14,2 1,75 35,6

7 низ 19,4 1,71 30,5

Песок (состав П-1 на 1-е сутки)

8 11 верх 15,1 1,74 34,8 - -

9 середина 18,0 1,76 32,3

10 низ 20,6 1,79 34,8

11 малая модель - 15,1 1,65 34,4 - -

12 - 12,0 1,76 33,7

13 1 верх 17,5 1,74 35,2 34 0,036

14 середина 18,7 1,83 31,7

15 низ 19,0 1,79 45,1

Песок (состав П 1-1 на 28-е сутки)

16 9 верх 18,2 1,73 30,2 - -

17 середина 19,4 1,76 33,0

18 низ 19,8 1,76 32,7

19 10 19,2 1,76 38 0,011

Таблица 3.6 - Физико-механические и деформационные характеристики

песка, пропитанного составом П-1

№ п.п. № опыта № колбы W, % г/см 3 д.е. Модуль деформации Ek, МПа (интервал давлений 0,3-0,5 МПа) Угол внутреннего трения Ф', град Удельное сцепление с', МПа

Песок, пропитанный составом П-1

1 83 Колб а 6 23, 3 1,62 0,62 3 36,8 - -

2 84 23, 2 1,65 0,59 4 39,0

3 47 23, 3 1,64 0,60 4 - 35 0,008

3.8 Результаты фильтрационно-суффозионных испытаний песчаных грунтов после первичного нагнетания составом КН-1

По результатам фильтрационно-суффозионных испытаний можно отметить следующее: песчаные грунты до пропитки составом КН-1 обладают незначительной суффозионной активностью (мелкие - ¿=0,1 %; средней крупности - ¿=0,4 %) и характеризуются средними значениями коэффициентов фильтрации (мелкие - кф=0,04 см/с; средней крупности -кф=0,05 см/с).

После пропитки составом КН-1 фильтрация и суффозия песчаных грунтов прекращаются полностью. Снижение концентрации пропиточного состава в процессе фильтрационных испытаний не зафиксировано.

лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость».

Результаты фильтрационных испытаний представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Результаты фильтрационных испытаний

Опыт № Наименование образца грунта Масса образца грунта т, г Масса грунта, вынесенного суффозией то, г Суффозия грунта д, % Скорость фильтрации Уф, см/с Градиент напора 1, д.е. Коэффициент фильтрации кф, см/с Снижение концентрации пропиточного состава КН-1

1 Песок средней крупности 2128,68 9,01 0,423 0,004 0,131 0,050 —

2 2235,31 8,81 0,394 0,003 0,080 0,047 —

3 2460,44 5,24 0,231 0,003 0,093 0,042 —

Среднее значение: — — 0,4 — — 0,05 —

4 2531,34 1,85 0,073 3,31x10 -3 0,110 0,036 —

5 Песок мелкий 2498,45 2,61 0,104 3,18x10 -3 0,086 0,037 —

6 2565,28 1,91 0,075 3,45x10 -3 0,084 0,041

Среднее значение: — — 0,1 — — 0,04 —

7 3325,21 0 0 — — 0 Не зафиксировано

8 Песок мелкий + состав КН-1 3258,47 0 0 — — 0 Не зафиксировано

9 3398,73 0 0 — — 0 Не зафиксировано

Среднее значение: - - 0 - - 0 Не зафиксировано

10 Песок средней крупности + состав КН-1 3458,12 0 0 - - 0 Не зафиксировано

11 3521,87 0 0 - - 0 Не зафиксировано

12 3314,51 0 0 - - 0 Не зафиксировано

Среднее значение: - - 0 - - 0 Не зафиксировано

3.9 Результаты фильтрационно-суффозионных испытаний песчаных грунтов после первичного нагнетания составом П-1

Проведены испытания по определению коэффициента фильтрации модельного грунта до и после обработки пропиточным составом. Грунты были представлены крупными, средней крупности и пылеватыми (мелкими) песками. Супеси не исследовались в связи с отказом от пропитывания связных грунтов.

На первоначальном этапе были испытаны две однонаправленные модели (№ 1 и № 2) с чистым песчаным грунтом для оценки величины его коэффициента фильтрации перед выполнением пропитки.

3.10 Результаты фильтрационных исследований образцов крупного

песка.

Опыт № 1

Как видно из данных, приведенных в таблице 3.9, величина коэффициента фильтрации (Кф) образцов чистого песка №1 при изменении значений градиента напора (/) от 0,30 до 0,75 в опыте №1 была практически постоянной и составляла в среднем 35 м/сут.

По результатам опытов коэффициент фильтрации (Кф) образцов песка составил в среднем 32 м/сут.

Для проверки достоверности результатов определения Кф чистого песка в опытах с применением «линейных однонаправленных моделей» параллельно определили Кф в трубке Каменского и получили величину Кф = 43,2 м/сут. (плотность укладки грунта 1,72 - 1,76 г/см 3). Значения Кф, полученные при исследовании в однонаправленных моделях и трубке Каменского сопоставимы по величине.

Линейные однонаправленные модели с чистым песком были обработаны пропиточным составом, а затем были возвращены назад для определения водопроницаемости песка после пропитки.

Определение коэффициента фильтрации модельного песка после обработки

пропиточным составом. Опыт № 3

Результаты, полученные при проведении опытов с пропитанными образцами песка № 1, представлены в таблице 3.10.

В опыте № 3 с пропитанным образцом песка № 1 фильтрация при градиенте напора ¡= 0,3 началась сразу, фильтрат был прозрачным, густожелтым, вязким на ощупь. На протяжении 40 минут коэффициент фильтрации не менялся, среднее значение Кф =1,42 м/сут. При повышении градиента напора (/) до 0,45 в течение 20 минут коэффициент фильтрации стал увеличиваться от 2,21 до 13,83 м/сут. Фильтрат стал слегка желтым. На следующей ступени повышения градиента (/) до 0,6, Кф вырос до значения 23,5 м/сут, то есть почти приблизился к значениям, характерным для чистого песка. При этом фильтрат обесцветился.

Фильтрующаяся из однонаправленных моделей вода содержит остаточное количество пропиточного раствора, о чем свидетельствует появление пены при взбалтывании фильтрата.

Гранулометрический состав песка, определенный ситовым методом по ГОСТ 12536-2014, графически представлен на рис. 3.6 и в таблице 3.8. Определение разновидности грунта выполнено по ГОСТ 25100-2011.

0,01 0,1 1 10 Диаметр частиц грунта, мм

Рис. 3.6 Гранулометрический состав песка, переданного для исследований. Вид грунта по ГОСТ 25100-2012 - песок крупный

Таблица 3.8 - Гранулометрический состав грунта

Лаб. №№ Содержание фракции грунта, % Коэф. неоднородности Вид грунта по ГОСТ 25100-2012

52 2-1 10,5 0,50,25 0,250,1 0,10,05 < 0,05

1, 2 3,0 13,0 44,0 34,3 5,2 0,5 0 2,33 песок крупный

Таблица 3.9

Опыт № 1. Определение коэффициента фильтрации чистого песка. Линейная однонаправленная модель № 1.

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент напора i, ср Ж, см3 Q, см3/сек V, см/сек К фильтрации примечание

ВБ НБ Н ср, см см/сек м/сут

образец № 1 Т=20,00 см

Градиент напора ~ 0,30

30 61.0 55.0 6.00 0.30 25.0 0.83 0.0120 0.0400 34.6

30 61.0 55.0 6.00 0.30 25.0 0.83 0.0120 0.0400 34.6

30 61.0 55.0 6.00 0.30 25.0 0.83 0.0120 0.0400 34.6

Среднее значение 0,30 Среднее значение 0,040 34,6

Подняли градиент напора ~ до 0,45

30 64.0 55.0 9.00 0.45 35.0 1.17 0.0168 0.0374 32.3

30 64.0 55.0 9.00 0.45 35.0 1.17 0.0168 0.0374 32.3

30 64.0 55.0 9.00 0.45 35.0 1.17 0.0168 0.0374 32.3

Среднее значение 0,45 Среднее значение 0,037 32,3

Подняли градиент напора ~ до 0,55

30 66.0 55.0 11.00 0.55 43.0 1.43 0.0207 0.0376 32.4

30 66.0 55.0 11.00 0.55 43.0 1.43 0.0207 0.0376 32.4

30 66.0 55.0 11.00 0.55 43.0 1.43 0.0207 0.0376 32.4

Среднее значение 0,55 Среднее значение 0,038 32,4

Подняли градиент напора ~ до 0,75

20 70.0 55.0 15.0 0.75 43.0 2.15 0.0310 0.0413 35.7

10 70.0 55.0 15.0 0.75 22.0 2.20 0.0317 0.0423 36.5

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент К фильтрации

ВБ НБ Н ср, см напора i, ср Ж, см3 Q, см3/сек V, см/сек см/сек м/сут примечание

10 70.0 55.0 15.0 0.75 22.0 2.20 0.0317 0.0423 36.5

10 70.0 55.0 15.0 0.75 22.0 2.20 0.0317 0.0423 36.5

10 70.0 55.0 15.0 0.75 22.0 2.20 0.0317 0.0423 36.5

Среднее значение 0,75 Среднее значение 4,21 •Ю"2 36,4

Опыт № 3. Определение коэффициента фильтрации песка № 1 (крупного), обработанного пропиточным раствором П-1

Линейная однонаправленная модель №1.

Таблица 3.10

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент напора i, ср Ж, см3 Q, см3/сек V, см/сек К фильтрации примечание

ВБ НБ Н ср, см см/сек м/сут

образец № 1 Т=20,00 см

360 59.0 53.0 6.00 0.30 13.0 3.6110-2 5.20 •Ю-4 1.7310-3 1.50 фильтрат прозрачный густо-жёлтый и вязкий на ощупь

570 59.0 53.0 6.00 0.30 17.0 2.9810-2 4.30-10-4 1.43 •Ю-3 1.24

570 59.0 53.0 6.00 0.30 20.0 3.51 •Ю-2 5.06 10-4 1.6910-3 1.46

540 59.0 53.0 6.00 0.30 19.5 3.6110-2 5.20 •Ю-4 1.7310-3 1.50

Среднее значение 0,30 Среднее значение 1,6510"3 1,42

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент напора i, ср Ж, см3 Q, см3/сек V, см/сек К фильтрации примечание

ВБ НБ Н ср, см см/сек м/сут

Подняли градиент напора ~ до 0,45 фильтрат слегка жёлтый

300 62.0 53.0 9.00 0.45 24.0 8.00-10"2 1.1510-3 2.5610-3 2.21

180 62.0 53.0 9.00 0.45 23.0 0,13 1.84 10-3 4.0910-3 3.54

240 62.0 53.0 9.00 0.45 36.0 0,15 2.1610-3 4.80 10-3 4.15

120 62.0 53.0 9.00 0.45 26.5 0,22 3.1810-3 7.07-10-3 6.11

300 62.0 53.0 9.00 0.45 80.0 0,27 3.84 10-3 8.54 10-3 7.38

30 62.0 53.0 9.00 0.45 15.0 0,50 7.20-10-3 1.6010-2 13.83

Среднее значение 0,45 Среднее значение 7,18^10"3 6,20

Подняли градиент напора ~ до 0,60

30 65.0 53.0 12.00 0.60 18.0 0,60 8.6510-3 1.44 •Ю-2 12.45 Фильтрат прозрачный

30 65.0 53.0 12.00 0.60 34.0 1.13 1.63 •ю-2 2.7240-2 23.52

30 65.0 53.0 12.00 0.60 34.0 1.13 1.63 •ю-2 2.7240-2 23.52

Среднее значение 0,60 Среднее значение 2,29^10"2 19,8

3.11 Результаты фильтрационных исследований образцов пылеватого

песка

Определение гранулометрического состава грунта Гранулометрический состав песка, определенный ситовым методом по ГОСТ 12536-2014, графически представлен на рис. 3.7 и в таблице 3.11. Определение разновидности грунта выполнено по ГОСТ 25100-2011.

Рис. 3.7 Гранулометрический состав песка, переданного для

исследований.

Вид грунта по ГОСТ 25100-2012 - песок пылеватый однородный

Таблица 3.11 - Гранулометрический состав грунта

Лаб. №№ Содержание фракции грунта, % Коэф. неоднородности Вид грунта по ГОСТ 251002012

2-1 1-0,5 0,50,25 0,25-0,1 0,10,05 < 0,05

9,10 0,04 0,6 5,28 63,71 23,09 7,28 2,5 песок пылеватый однородный

Определение коэффициента фильтрации чистого пылеватого песка.

Опыт № 5

В таблице 3.12 приведены значения коэффициентов фильтрации (Кф) чистого пылеватого песка. При рассмотрении значений Кф чистого пылеватого песка установлено, что процесс фильтрации проходил стабильно. Сначала, в течение первых 35 - 40 минут, песок фильтровал плохо вследствие пневмокольматажа. В начале опыта значение Кф= (1,0 - 2,14)^10-5 см/сил и Кф=8,6^10-3 - 2,4^10-2 м/сут, затем при незначительном повышении градиента напора (/) коэффициент фильтрации повысился до значения 0,76 м/сут., и далее уже не изменялся на протяжении 7 часов.

Параллельно выполнено определение Кф песка, аналогичного использованному в трубке Каменского.

Коэффициент фильтрации пылеватого песка, определенный в трубке Каменского, равен Кф=1,63 м/сут. Плотность укладки песка р = 1,65 г/см3, влажность =9,8 %, плотность сухого грунта ра =1,50 г/см3 пористость п = 43%.Такие значения коэффициентов фильтрации присущи пылеватому песку.

Линейные однонаправленные модели с чистым песком после испытаний были обработаны пропиточным составом, а затем были возвращены назад для определения водопроницаемости песка после пропитки.

Определение коэффициента фильтрации модельного песка после обработки

пропиточным составом. Опыт № 7

В таблице 3.13 приведены значения коэффициентов фильтрации (Кф) пылеватого песка после обработки пропиточным раствором.

При выполнении опыта в течение первых суток при повышении градиента напора (/) от 0,2 до 0,5 коэффициент фильтрации (Кф) оставался на два порядка ниже исходного. Профильтровавшийся раствор сначала был мутным, окрашенным в насыщенно-желтый цвет, вязким на ощупь. Через 70 минут после начала опыта мутность пропала, желтая окраска сохранилась.

При изменении градиента напора (/) от 0,95 до 3,15 коэффициент фильтрации (Кф) составил 0,041 м/сут, фильтрат стал прозрачным, но остался светло-желтым и вязким, пенился.

Таблица 3.12

Опыт № 5. Определение коэффициента фильтрации чистого пылеватого («мелкого») песка.

Дата и Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент W, см3 б-см3/сек V- см/сек К фильтрации Примечание

время замера ВБ НБ Н ср, см напора ^ ср см/сек м/сут

Т=20,00 образец № 9

Нача-

1920 66.0 52.0 14.00 0.70 2.0 1.0410-3 1.5010-5 2.1410-5 0,0236^ лась фильтрация

240 70.0 52.0 18.0 0.90 11.0 4.58-10"2 6.60 •ю-4 7,34-10-4 0.63

120 70.0 52.0 18.0 0.90 8.0 6.67-10-2 9.6110-4 1.0710-3 0,92

120 70.0 52.0 18.0 0.90 7.0 5.8310-2 8.41 •Ю-4 9,3410-4 0.81

180 70.0 52.0 18.0 0.90 9.0 5.0010-2 7.20 •Ю-4 8,01 •Ю-4 0.69

180 70.0 52.0 18.0 0.90 10.0 5.56-10-2 8.01 •Ю-4 8,8910-4 0.77

среднее 0,90 среднее 8,85^10"4 0,76

Таблица 3.13

Опыт № 7. Определение коэффициента фильтрации пылеватого песка после обработки пропиточным составом П-1

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент К фильтрации

ВБ НБ Н ср, см напора i, ср W, см3 Q, см3/сек V, см/сек см/сек м/сут примечание

образец № 9 Т=20,00 см

600 59.0 55.0 4.00 0.20 0.06 1.0010-4 1.44 •Ю-6 7.20-10-6 6.2240-3 фильтрат

1200 59.0 55.0 4.00 0.20 0.15 1.25 •Ю-4 1.80 10-6 9.01 •Ю-6 7.7840-3 жёлтый и

1200 59.0 55.0 4.00 0.20 0.15 1.25 •Ю-4 1.80 10-6 9.01 •Ю-6 7.78-10-3 вязкий на

1200 59.0 55.0 4.00 0.20 0.15 1.25 •Ю-4 1.80 10-6 9.01 •Ю-6 7.7840-3 ощупь

Среднее значение 0,20 Среднее значение 8,56-10"6 7,39 •Ю"3

Подняли градиент напора ~ до 0,35 фильтрат

2940 62.0 55.0 7.00 0.35 0.5 1.7010-4 2.45-10-6 7.0040-6 6.0510-3 прозрачный

5400 62.0 55.0 7.00 0.35 0.6 1.11 10-4 1.6010-6 4.57-10-6 3.9510-3 жёлтый

5400 62.0 55.0 7.00 0.35 0.6 1.11 10-4 1.6010-6 4.5740-6 3.9510-3

Среднее значение 0,35 Среднее значение 5,38^10"6 4,65^10"3

Подняли градиент напора ~ до 0,50

9000 65.0 55.0 10.00 0.50 0.8 8.89-05 1.2810-6 2.5640-6 2.21 •Ю-3

9000 65.0 55.0 10.00 0.50 0.8 9.22-05 1.3310-6 2.6610-6 2.3040-3

9000 65.0 55.0 10.00 0.50 0.9 9.44-05 1.3610-6 2.7240-6 2.3540-3

Среднее значение 0,50 Среднее значение 2,65^10"6 2,29-10"3

3.12 Результаты фильтрационных исследований образцов песка средней

крупности

Определение гранулометрического состава грунта

Гранулометрический состав песка, определенный ситовым методом по ГОСТ 12536-2014, графически представлен на рис. 3.8 и в таблице 3.14. Определение разновидности грунта выполнено по ГОСТ 25100-2011.

4° _г 1 г>г>

С1П

Ш у ЯП

? 70

х /0 ш ¥ кп

о. £ ЦП

о и ЛП

«и 40 2 чп

. Го тп

2 20 2 1 п

> 10 и п

0 0, 10 Диам ,1 етр частиц грунта, мг 11 0

Рис. 3.8 Гранулометрический состав песка, переданного для

исследований.

Вид грунта по ГОСТ 25100-2012 - песок средний неоднородный Гранулометрический состав грунта

Таблица 3.14

Лаб. № Содержание фракции грунта, % Коэф. неоднородности Вид грунта по ГОСТ 251002012

5-2 2-1 1-0,5 0,50,25 0,250,1 0,10,05 < 0,0 5

5, 12 2,93 8,18 26,23 21,17 28,08 9,58 3,8 3 5,53 песок средний неоднородный

Определение коэффициента фильтрации чистого модельного песка.

При изменении градиента напора (/) от 1,0 до 2,5 значение Кф выросло от 0,9 м/сут до 4,2 м/сут. и далее не изменялось на протяжении 4-х часов (табл. 3.15).

Параллельно выполнено определение Кф песка, аналогичного использованному в однонаправленных моделях в трубке Каменского.

Полученные при выполнении опытов значения Кф согласуются с результатами определения Кф в трубке Каменского - Кф = 3,6 м/сут. Плотность грунта составила 1,84 г/см3, влажность - 8,6 %, плотность сухого грунта - 1,69 г/см3, пористость - 0,36.

Линейные однонаправленные модели с чистым песком после испытаний были обработаны пропиточным составом, а затем были возвращены назад для определения водопроницаемости песка после пропитки.

Определение коэффициента фильтрации модельного песка после обработки

пропиточным составом.

Результаты определения коэффициента фильтрации (Кф) образцов песка, обработанного пропиточным составом, представлены в таблице 3.16.

При проведении опыта в течение первых суток при единичном градиенте напора за три часа Кф песка средней крупности возрос от 0,51 м/сут. до 1,2 м/сут.

В ходе выполнения опытов с течением времени менялось состояние профильтровавшейся жидкости. Из мутной светло-желтой она в конце второго дня испытаний стала прозрачной, бесцветной, но сохранила наличие пены.

Таблица 3.15

Опыт № 9. Определение коэффициента фильтрации чистого песка средней крупности

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент напора i, ср ж, 3 см б, см3/сек V, см/сек К фильтрации Примечание

ВБ НБ Н ср, см см/сек м/сут

образец № 5 Т=20,00 см

600 68,5 48,5 20 1,0 42,0 0,070 0,001 0,001 0,871 Пневмо-кольматаж

840 68,5 48,5 20 1,0 60,0 0,071 0,001 0,001 0,889

720 68,5 48,5 20 1,0 50,0 0,069 0,001 0,001 0,865

780 68,5 48,5 20 1,0 56,0 0,072 0,001 0,001 0,894

Среднее значение 1,0 С реднее значение 0,001 0,88

120 78,0 48,5 29, 5 1,5 31,0 0,258 0,004 0,003 2,180

120 78,0 48,5 29, 5 1,5 33,0 0,275 0,004 0,003 2,321

120 78,0 48,5 29, 5 1,5 33,0 0,275 0,004 0,003 2,321

Среднее значение 1,5 С реднее значение 0,003 2,27

120 98,5 48,5 50 2,5 84,0 0,700 0,010 0,004 3,486

100 98,5 48,5 50 2,5 82,0 0,820 0,012 0,005 4,083

30 98,5 48,5 50 2,5 25,0 0,833 0,012 0,005 4,150

Среднее значение 2,5 Среднее значение 0,005 3,91

120 118,5 48,5 70 3,5 130, 0 1,083 0,016 0,004 3,853

100 118,5 48,5 70 3,5 115, 0 1,150 0,017 0,005 4,091

90 118,5 48,5 70 3,5 100, 0 1,111 0,016 0,005 3,952

Среднее значение 3,5 Среднее значение 0,005 3,97

Таблица 3.16

Опыт № 11. Определение коэффициента фильтрации песка средней крупности после пропитки составом П-1_

Дата замера Время фильтрации, сек Показания пьезометров Градиент напора Ь ср ж, 3 см б, см3/сек V, см/сек К фильтрации Примечание

ВБ НБ Н ср, см см/сек м/сут

образец № 5 Т=20,00 см

1200 70,0 50,0 20 1,0 50,0 0,042 0,001 0,001 0,519 Фильтрат светло-желтый, мутный

2100 70,0 50,0 20 1,0 39,0 0,019 0,000 0,000 0,231 Фильтрат мутный, светло-желтый, вязкий

1500 70,0 50,0 20 1,0 60,0 0,040 0,001 0,001 0,498 Фильтрат светло-желтый, мутный