Technological aspects of soil stabilisation with cement mixtures
Technological aspects of soil stabilisation with cement mixtures
Abstract
The deformation and physical-mechanical properties of weak water-saturated silty clay soils located within the historic part of St. Petersburg do not meet modern construction requirements. At most construction sites, water-saturated weak clayey sediments lie directly beneath the layer of technogenic soils, and their thickness can reach up to a dozen and a half metres. During the reconstruction and construction of new buildings, these soils inevitably become involved in the zone of influence. Such soils cannot be viewed as a reliable foundation for old buildings, and especially new ones with developed underground parts, and often require improvement — reinforcement. Currently, thousands of cubic metres of soil are being stabilised with cement mixtures. However, to characterise the main agent of the technology — cement mixture — a Marsh viscometer, i.e. a funnel for determining viscosity, or an AzRI cone for controlling its spreadability, is used. The measurement data obtained are in seconds or millimetres.
The aim of this article is to determine the numerical values of the viscosity of cement mixtures of various compositions, depending on the shear rate in the dimension of the physical quantity. To determine the coefficients of non-Newtonian behaviour of cement mixtures using the Ostwald–de Waele model. To determine the rheological parameters and thixotropic properties of cement mixtures, studies were conducted on a six-speed Fann 35SA viscometer.
The use of the obtained experimental data made it possible to formalise the parameters of jet grouting. It has been established that the optimisation of soil stabilisation technologies using cement mortars can be achieved by introducing chemical additives, the volume and properties of which allow the properties of cement mixtures to be controlled, and by increasing the water-cement ratio, which reduces the consumption of cement in the structure.
1. Введение
Инженерно-геологические условия Санкт-Петербурга характеризуются наличием толщи слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов, толщина которых достигает 25 м . Они характеризуются наличием слоистости, повышенной деформативностью, анизотропией свойств и фракционно изменяются от глин до супесей и пылеватых песков и часто для строительных целей требуют превентивной стабилизации. Исследование возможности закрепления грунтов Санкт-Петербурга цементами, как по манжетной, так и по струйной технологии и их разновидностей ведется достаточно давно. Проблемы, имеющие место на строительных площадках, такие как: «отсутствие» следов цемента в контактной зоне «фундамент – пылеватые грунты основания», а также деформации стен зданий из-за неравномерного подъема/просадки фундаментов при инъекции портландцементов через манжетные трубы, связаны с физической невозможностью проведения инъецирования в поровую структуру грунта – методом пропитки. Инъекция возможна только путем неуправляемого разрыва грунта или использования микроцементов. Но и при инъекции микроцементных растворов объемы закрепленного грунтоцемента получаются в 0,7 раз меньше расчетных, а прочность закрепленных песков резко снижается от стенки скважины к периферии . Причиной снижения объемов закрепления по радиусу закрепления являются процессы, связанные с изменением реологических и физических свойств цементных растворов по пути фильтрации в порах песков. Также влияние оказывают гранулометрический состав песка, его коэффициент фильтрации Кф, а также расходы, режимы и продолжительность инъекции цементных растворов , , .
К недостаткам струйной технологии, как правило, относят большой расход вяжущего при относительно небольшом диаметре, дорогое оборудование, используемое для работы с высокими давлениями, а также получение грунтоцементных элементов «переменных» сечений по высоте.
Важной целью, которая имеет большое практическое значение, является исследование свойств и адекватного применения различных составов цементных растворов. Задачей являлось определение реологических параметров цементного раствора для формализации технологических процессов и проведения расчетов в противовес значениям «принятым по опыту» или используя воронку Марша для уточнения вязкости или конус АзНИИ для контроля растекаемости цементного раствора.
Определение параметров нелинейной модели течения Освальда-де Вале для цементных растворов различных составов, а также величины изменения их вязкости в зависимости от скоростей сдвига являются актуальной задачей т.к позволяют и минимизировать негативные воздействия на грунтовый массив и окружающие здания. Прогностические расчеты технологических режимов позволяют осуществлять управление процессами закрепления и расширить сферу применения за счет минимизации непродуктивного расхода цемента.
2. Проблемы напорной инъекции цементных растворов в грунты
Классификация физико-химических способов закрепления различных грунтов приведена профессором Б.А. Ржаницыным в зависимости от убывания коэффициента фильтрации . Закрепление цементами методами «пропитки» возможно, проводить только хорошо фильтрующие пески с kф>80 м/сут. Цементные растворы фактически нельзя инъецировать в грунты более мелкозернистые, чем крупные пески . Коэффициент N показал свою эффективность . Его определяют по соотношению размеров частиц (диаметров с массовым содержанием 15%) закрепляемого песка и размеров частиц (диаметров с массовым содержанием 95%) цемента:
При N>24 инъекция возможна, при N<11 инъекция невозможна. При росте давлений произойдет образование трещин и гидроразрыв грунта.
Применяемые для закрепления песчаных грунтов микроцементные растворы с В/Ц = 3, представляют собой сильно разбавленные, нестабильные водные суспензии, которые как в статическом состоянии, так и при ламинарной фильтрации подвергаются непрерывному расслаиванию. Цементные частицы в растворе седиментируют, а интенсивность и объем расслаивания зависят от концентрации – его плотности .
Традиционно, рассматривая фильтрационные движения жидкости в грунтах, исходят из того, что закон фильтрации, связывающий градиент давления со скоростью фильтрации, линеен и подчиняется закону Дарси (H. Darcy, 1856). Для случая медленного стационарного движения несжимаемой жидкости в неподвижной изотропной пористой среде уравнение баланса импульса было получено в работах , , .
В отсутствии массовых сил жидкость в пористой среде движется из областей больших давлений в сторону меньших давлений. При числах Рейнольдса Re<<1 и g=0 закон Дарси приобретает вид:
В геотехнической практике закон Дарси применяется в виде равенства пьезометрического напора и скорости фильтрации:
где z – вертикальная координата рассматриваемой точки.
Скорость фильтрации:
C – коэффициент фильтрации, который зависит от свойств пористой среды и жидкости.
При фильтрации жидкостей в анизотропных средах (осадочных грунтах) , их проницаемость характеризуется не одним числом k, а входящим в формулу Дарси симметричным тензором проницаемости kij.
Перед инъекцией в грунте производится устройство лидерной скважины, в результате которого происходит нарушение естественного состояния в грунтовом массиве приствольной зоны. В процессе устройства скважины давление в грунте определяется главными нормальными напряжениями: радиальным (σr), тангенциальным (σθ) и вертикальным (σz). Для инъекции через скважины характерно, что они заполнены раствором, который создает избыточное противодавление на ее стенки. Сравнение теоретических значений напряжений σrσθσz с критерием Кулона-Мора в скважинах песчаного грунта позволило выделить типы сдвигового разрушения «типы А1, А2, B2» и один растяжения «тип D» (σраст) – разрушение при растяжении образуется трещина и гидроразрыв рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 - Устойчивость скважин от соотношения действующих напряжений
Примечание: по А. Гено. Источник [11]
Рисунок 2 - Типы сопутствующих сдвиговых разрушений в скважинах
Примечание: источник [11]
где Vкр – критическая скорость движения цементной суспензии, м/с; при которой прекращается осаждение цементных частиц суспензии; g=9,81 м/с2; h – высота сечения трещины, м; ε – объемное содержание твердой фазы в растворе.
При инъекции цементного раствора в трещине высотой h возникает гидравлическое сопротивление ΔP, которое зависит от критической скорости Vкр, от динамической вязкости цементного раствора μ (Па⋅с), а также от R радиуса цементного осадка (м):
Важной характеристикой инъекционных цементных растворов является их плотность и прочность, а технологической задачей является управляемое снижение их вязкости. С целью регулирования свойствами нагнетаемых цементных растворов в них вводят различные химические добавки. Это, как правило, реагенты многофункционального действия. В практике с увеличением водоцементного отношения (В/Ц) вязкость цементных растворов снижается, а прочность падает, при этом реологическое поведение одного и того же цементного раствора сразу после затворения подчиняются одной реологической модели, а концу гидратации цемента другой . Вода, вводимая в раствор при затворении цемента, должна, прежде всего, смочить всю суммарную поверхность цементных частиц. Но между молекулами воды, находящимися в ее поверхностном слое на границе раздела фаз, действуют значительные силы сцепления, препятствующие ее распределению на твердых частицах цемента, так как вода обладает значительным поверхностным натяжением . Существенно снижать поверхностное натяжение воды на поверхности раздела фаз способны поверхностно-активные химические вещества. Известно, что добавки ПАВ являются дефлокулянтами цемента, повышая эффективность его использования. Портландцементы в ходе реакции способны химически связать от своей массы до 30% воды. И большое количество воды в растворе нужно для того, чтобы получить раствор удобный для перекачивания насосами. Одним из методов получения раствора повышенной плотности является введение добавок солей в жидкость затворения. Хлорид кальция обеспечивает сцепление цементного камня с глинами и приводит к повышению прочности раствора, однако при повышенной концентрации приводит к коррозии металла.
3. Реологическое поведение цементных растворов
В потоках жидкости обычно выделяют действие следующих сил: давления, тяжести, вязкого трения, инерции. Нелинейность закона фильтрации цементных растворов вызывается такими причинами как влиянием инерционных сил, потерями при расширении потока, так и при движении в порах грунта, когда локальное число Рейнольдса превосходит единицу. В результате закон фильтрации оказывается нелинейным, который описывается формулой Форхгеймера :
где w – модуль вектора скорости фильтрации, м/с; μ – вязкость; β – константа пористой среды, определяемая экспериментально.
Причиной нелинейности фильтрации цементных растворов является их неньютоновское реологическое поведение при движении. Цементные растворы – это неньютоновские жидкости (смеси воды – ньютоновской жидкости и твердых частиц). Они обладают переменной вязкостью, которая зависит от их скорости движения. Растворам со степенными кривыми течения соответствует степенной закон фильтрации:
где
Чем меньше размеры пор и проницаемость грунтов: мелких, пылеватых песков, супесей, чем выше их удельная поверхность, чем больше в их составе глинистых частиц, тем сильнее проявляются физико-химические взаимодействия между нагнетаемым раствором и грунтовым «скелетом» грунта .
Движение цементных растворов наиболее хорошо описывается степенной моделью вязкости
Влияние параметра n для неньютоновских жидкостей на реологический профиль скоростей течения очень существенно (см. рис. 3).
Рисунок 3 - Влияние показателя n на профиль скоростей при ламинарном течении раствора
Примечание: источник [13]
Таблица 1 - Коэффициенты n и K
№ | Состав цементного раствора | В/Ц | n | K, Па⋅с |
1 | без химических добавок | 1 | 0,677 | 0,066 |
2 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 -1% | 0,68 | 0,096 | |
3 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 0,76 | 0,042 | |
4 | с добавкой СaСl2 -2% | 0,72 | 0,046 | |
5 | без химических добавок | 0,75 | 0,67 | 0,11 |
6 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% | 0,58 | 0,37 | |
7 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 0,72 | 0,092 | |
8 | с добавкой СaСl2 -2% | 0,69 | 0,086 | |
9 | без химических добавок | 0,5 | 0,52 | 1.003 |
10 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% | 0,51 | 1,41 | |
11 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 0,50 | 1,333 | |
12 | с добавкой СaСl2 -2% | 0,58 | 0,555 |
Изменения вязкости цементных растворов с различными значениями В/Ц, а также влияния химических добавок в зависимости от частоты вращения цилиндра вискозиметра Fann 35SA приведены в таблицах 2, 3, 4.
Таблица 2 - Вязкость цементного раствора при В/Ц=1,0
№ п/п | В/Ц | Химические добавки к раствору | η, мПа⋅с | |||||
при n, об/мин | ||||||||
600 | 300 | 200 | 100 | 6 | 3 | |||
1 | 1,0 | без химических добавок | 7,12 | 8,88 | 10,11 | 12,62 | 31,07 | 38,78 |
2 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 -1% | 10,35 | 12,92 | 14,71 | 18,6 | 45,19 | 56,41 | |
3 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 7,92 | 9,35 | 10,31 | 12,18 | 23,92 | 28,25 | |
4 | с добавкой СaСl2 -2% | 6,58 | 7,93 | 8,85 | 10,67 | 22,81 | 27,51 | |
Таблица 3 - Вязкость цементного раствора при В/Ц=0,75
№ п/п | В/Ц | Химические добавки к раствору | η, мПа⋅с | |||||
при n, об/мин | ||||||||
600 | 300 | 200 | 100 | 6 | 3 | |||
1 | 1,0 | без химических добавок | 10,78 | 13,93 | 16,19 | 20,92 | 59,25 | 76,58 |
2 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 -1% | 19,76 | 26,44 | 31,35 | 41,94 | 133,13 | 182,93 | |
3 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 12,77 | 15,61 | 17,56 | 21,47 | 48,55 | 59,36 | |
4 | с добавкой СaСl2 -2% | 9,95 | 12,33 | 13,98 | 17,33 | 41,46 | 73,32 | |
Таблица 4 - Вязкость цементного раствора при В/Ц=0,5
№ п/п | В/Ц | Химические добавки к раствору | η, мПа⋅с | |||||
при n, об/мин | ||||||||
600 | 300 | 200 | 100 | 6 | 3 | |||
1 | 0,5 | без химических добавок | 34,24 | 47,75 | 58,01 | 65,72 | 312,28 | 435,55 |
2 | с добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 -1% | 45,31 | 63,64 | 77,61 | 109,00 | 432,72 | 607,73 | |
3 | с комплексной добавкой жидкого стекла Na2О*nSiO2 1% и суперпластификатора С-3 | 40,42 | 57,60 | 70,00 | 99,00 | 404,23 | 571,67 | |
4 | с добавкой СaСl2 -2% | 25,19 | 39,04 | 46,29 | 61,93 | 201,93 | 270,16 | |
На рисунке 4 приведены графики течения цементных растворов. Показано, что их вязкость не постоянна и зависит от содержания цемента в растворе, а также скорости его течения. Скорость сдвига варьировалась от 1022 c-1 до 5,11 с-1. Экспериментально установлены значения вязкости и подтверждено, что величина вязкости цементных растворов не постоянна и растет со снижением скорости сдвига
Рисунок 4 - Изменение вязкости цементного раствора с Ц/В=0…2 от наличия химических добавок и скоростей сдвига
4. Расчет технологических параметров струйной технологии цементных растворов с учетом их нелинейного поведения
Применению струйной технологии для цели закрепления грунтов посвящено большого количества исследований, но до настоящего времени методики для расчета параметров технологического процесса с учетом реологического поведения цементных растворов разработано не было , , .
Для прогнозирования, управления и повышения эффективности струйного закрепления грунтов цементными растворами в первую очередь необходимо определить требуемое давление для размыва грунта на нужной глубине обеспечивающее проектный диаметр элемента – на проектной глубине L .
Далее для обеспечения прочности грунтоцемента необходимо определить расход цементного раствора Qup по скорости выноса частиц грунта в затрубном пространстве и расчетного условия выноса объема частиц (22).
Для определения потерь давления раствора по степенной модели в затрубном пространстве скважины , в зависимости от типа течения (ламинарный или турбулентный) определяются соответствующие ему числа Рейнольдса, критические расход и скорость течения раствора:
В качестве критерия определяется, критический расход раствора в затрубном пространстве скважины:
В том случае, если расход цементного раствора меньше критического Qцр<Qцр.к.кр давление в скважине для разрыва грунта стенки определяется по формуле:
Гидравлические потери давления цементного раствора на трение в затрубном пространстве снижаются путем введения специальных химических добавок и увеличением размера кольцевого зазора между трубами и стенкой скважины. При ламинарном течении использование цементного раствора с добавкой CaCl2: с В/Ц=0,5 снижает потери давления до 50%; с В/Ц=0,75 до 35 %, а с В/Ц=1,0 до 30%, в сравнении с раствором без добавок.
При использовании цементного раствора с комплексной добавкой жидкого стекла и пластификатора С-3 с В/Ц=0,75 потери снижаются до 150%, в сравнении с применением к раствору одной добавки жидкого стекла. Гидравлические потери давления при растворе с В/Ц=1,0 снижаются до 75%, а с В/Ц=0,5 на 10% .
Если Qцр>Qцр.к.кр скорость раствора в затрубном пространстве определяется по формуле
При этом потери давления на стенках скважины будут равны:
Расчет может производиться, циклически меняя вводные параметры для получения оптимального результата.
5. Определения скоростей размыва грунта, подъема и вращения монитора
Используя формулу снижения средней скорости по длине струи l в скважине, текущий диаметр струи dm может быть выражен:
Сила воздействия гидромониторной струи раствора на вертикальную преграду равна:
В результате разрушения грунта струей цементного раствора образуется первичная врубовая полость. При углублении полости размыва в точке интенсивность разрушения затухает, снижается и интенсивность внедрения струи в массив. Одновременно в результате высоких давлений цементного раствора (свыше 10 МПа) и перемещения струи на стенках скважины происходит расширение полости. Используя методику определения удельного расхода воды на размыв объема грунта , оценим величину скорости вращения монитора в лидерной скважине dl. Известно, что скорость распространения продольных упругих волн в массиве равна:
где E – модуль упругости грунта, Па;
v – коэффициент Пуассона.
Подкоренное выражение для песков и супесей
В нашем случае время T прохождения упругих волн в области предельно-напряженного состояния Rразмыв:
При достижении давления струи Рэф>Рu в массиве образуется область предельного состояния глубиной Rразмыв. Приращение силы, при Nэф>Nu определяющей скорость внедрения струи и выпор грунта можно представить:
где Nэф – сила действия струи раствора на массив грунта, Н;
Nu – сила, необходимая для разрушения грунта, Н;
M – масса грунта разрушаемого струей, которому сообщается ускорение, кг;
a – величина ускорения, м/с2.
Масса грунта в области предельного напряженного состояния:
где Sгр – средняя площадь сечения объема разрушаемого струей dm грунта силой Nэф, м2;
За время T прохождения волны деформации величина скорости внедрения равна скорости размыва – Vразмыва, тогда подставляя (13) в (14) получаем:
Таким образом, скорость размыва будет равна:
После подстановки (17 и 18) в (19)
Подкоренное выражение в формуле (21) для песков и супесей равно:
Скорость вращения монитора зависит от ряда факторов: превышения эффективного давления струи над предельным давлением грунтового массива на необходимой глубине, также от диаметра ГЦЭ и свойств грунта. Чем выше будет величина приращения эффективного давления над предельным и чем ниже будет плотность грунта, а также содержание в нем глинистых частиц и ниже диаметр размыва, тем скорость вращения может быть выше.
Чтобы увеличение диаметра не приводило к росту напряженно-деформированного состояния в стенках скважины (за счет роста концентрации в растворе грунтовых частиц более φ≈6%) требуется соблюдение равенства:
Скорость подъема монитора из лидерной скважины с момента устройства «врубовой полости» грунтоцементного элемента (ГЦЭ) можно определить:
Чем выше пористость грунта – n, расход цементного раствора и ниже требуемый диаметр грунтоцементного элемента тем выше может быть скорость подъема монитора из лидерной скважины. Объем размываемого грунта Wгр (м3) равен:
Оценку прочности создаваемого ГЦЭ с единичной площадью и объемом можно произвести с учетом расхода цементного раствора:
6. Заключение
1. Закрепление портландцементами возможно произвести только хорошо фильтрующие пески. В зависимости от задач по закреплению при инъецировании цементных растворов в грунты следует учитывать их нелинейное поведение – рост вязкости с уменьшением скорости сдвига.
2. Одним из путей управления процессом закрепления грунтов является введение в цементные растворы химических добавок в т.ч. ПАВ. Использование химических модифицирующих добавок позволяет управлять реологическими свойствами цементных растворов, и уменьшать расход цемента и стоимости конструкции в деле.
3. Проведенные экспериментальные работы позволили определить коэффициенты в нелинейной модели течения Освальда-де Вале для различных цементных растворов, а также уточнить величины изменения вязкости в зависимости от скоростей сдвига.
4. В свою очередь расчетный выбор технологических параметров закрепления грунтов по струйной технологии с учетом степенной модели поведения цементного раствора является очевидным путем повышения экономической эффективности и безопасности применения струйной технологии.
5. Проведение расчета оптимальных параметров: давления, расхода, размера кольцевого пространства в скважине позволяет использовать обоснованные скорости вращения и извлечения монитора из скважины для бездефектного создания ГЦЭ.