Расчет технологических параметров

Подбор состава растворной смеси.Основными параметрами при подборе состава раствора являются водоцементное отношение раствора, а также количество необходимых добавок, вводимых в раствор для улучшения свойств грунтоцемента. Водоцементное отношение раствора назначается в зависимости от решаемой задачи, при этом минимальное значение водоцементного отношения составляет 0,7 [4, 7, 15]. Более низкое значение водоцементного отношения приводит к быстрому износу внутренней поверхности оборудования (насадок, шлангов и др.) вследствие абразивных свойств цементного раствора, а также сложности при подаче более вязкой смеси под высоким давлением.

В практике строительства принято стандартное отношение
В/Ц = 1,0. В редких случаях применяется В/Ц = 2,0 – к примеру, для превентивного закрепления грунтов.

При увеличении водоцементного отношения раствора прочность грунтоцемента снижается, также увеличиваются усадка и вероятность расслаивания пульпы до твердения, что является отрицательными свойствами. К тому же при размыве грунта водоцементное отношение повышается за счет воды, содержащейся в порах грунта.

Раствор приготавливают в специальных миксерных станциях, позволяющих производить точную дозировку цемента и воды. Погрешность в дозировке не должна превышать 2 %.

При применении добавок содержание воды в них необходимо учитывать при назначении проектного значения водоцементного отношения раствора.

Требуемый объем раствора, необходимый для устройства одной сваи, точно рассчитать достаточно сложно, так как существуют непроизводительные потери раствора при производстве работ: часть раствора в составе грунтоцементной пульпы выносится на поверхность.

При проектировании не следует путать понятия «расход раствора» и «содержание цемента в единице объема грунта».

При назначении проектных значений прочности, а соответственно и количества цемента в объеме грунта, необходимо учитывать непроизводительные потери, которые могут достигать 50 % раствора.

Объем раствора, получаемого при затворении цемента водой, можно определить по формуле [15]

(7.11)

где – объем раствора, л;

–масса цемента, кг;

– коэффициент перехода от массы сухого цемента к объему раствора, л/кг,

(7.12)

где –плотность частиц цемента, кг/дм³;

–плотность воды, кг/дм³;

– водоцементное отношение раствора.

Формулу (7.12) можно привести к более простому виду, если учесть, что плотность воды = 1,0 кг/дм³, а среднее значение плотности цементных частиц = 3,0 кг/дм³:

(7.13)

Плотность цементного раствора можно вычислить по формуле

(7.14)

Для определения объема раствора, необходимого для устройства 1 пог. м сваи, можно воспользоваться экспериментальной формулой, полученной японскими специалистами [4]:

(7.15)

где –объем раствора, л;

– предполагаемый диаметр сваи, м;

– экспериментальный коэффициент, определяемый по графику

рис. 7.32;

– коэффициент потерь, принимаемый менее 0,1.

Рис. 7.32. Значения экспериментального коэффициента

А.Г. Малинин [15] предлагает подход к расчету технологических параметров со следующими допущениями:

• устройство колонны производится циклично, с определенным шагом подъема монитора S = 4-10 см (принято из практических соображений);

• интервал времени , необходимый для обработки грунта, представляет собой дискретный процесс, т.е. период т представляет собой сумму временных интервалов :

(7.16)

• для упрощения расчетов интервалы ,принимаются равными между собой, тогда

(7.17)

• в первом приближении принимается, что объем излившей пульпы равен объему поступившего раствора.

Расход раствора, истекающего из сопел струйного монитора, определяется по формуле

(7.18)

где –количество сопел на мониторе;

– площадь сечения насадок, м²;

–скорость истечения струи, м/с,

(7.19)

где – эквивалентная высота столба раствора (напор), равная давлению, развиваемому насосом, м;

– давление нагнетания, кПа;

– плотность цементного раствора, кг/дм³;

– ускорение свободного падения, м/с².

Объем грунта, обрабатываемого за период

 

(7.20)

Объем и масса раствора, поступившего в первый период времени .

(7.21)

(7.22)

Поступление в грунт цемента и воды можно определить по формуле:

 

(7.23)

 

(7.24)

 

(7.25)

 

(7.26)

где – коэффициент перехода от массы цемента к объему раствора, см. формулу (7.12).

 

Если рассматривать процесс цементации водонасыщенного грунта с пористостью и плотностью частиц грунта , тогда можно вычислить массу грунта и воды, содержащуюся в объеме :

(7.27)

 

(7.28)

 

После перемешивания грунта с раствором образуется смесь
объемом .

	(7.29)
	(7.30)

(7.31)

 

При последующей обработке грунта

 

(7.32)

 

(7.33)

 

(7.34)

 

Так как тогда количество цемента, воды и грунта в теле колонны можно рассчитать по формуле

 

(7.35)

 

(7.36)

 

где

Расход цемента.Расход цемента на 1 м³ определяется исходя из проектных значений прочности. Как правило, в практике используют стандартное значение расхода 450 кг/м³. При укреплении глинистых грунтов и торфов расход цемента увеличивают до 1000 кг/м³. Для получения высоких значений прочности грунтоцемента расход цемента может достигать 1500-2000 кг/м³. При повышенных расходах цементного раствора увеличивается выход грунтоцементной пульпы на поверхность, поэтому такие значения расхода цемента целесообразней назначать при технологиях Jet 2 и Jet 3 или использовать предварительный размыв грунта водяной струей.

Скорость подъема и частота вращения монитора.Из практики установлено, что для наилучшей обработки грунта подъем струйного монитора должен осуществляться в режиме «подъем-остановка», при этом шаг подъема монитора может составлять от 2 до 8 см. Однако общепринятым и наиболее рациональным принят шаг 4 см, значение которого установлено экспериментально. Одним из важных параметров при постоянном шаге подъема монитора является время размыва грунта. В зависимости от технологии и типа грунта время размыва может составлять от 8 до 25 с. Увеличение времени обработки грунта может привести к негативным результатам:

• при продолжительном размыве потери раствора в виде пульпы увеличиваются по сравнению с фактическом содержанием цемента в теле колонны;

• водоцементное отношение раствора в составе пульпы также увеличивается, что приводит к снижению прочности грунтоцемента.

В связи с этим возникает необходимость проводить полевые опытные работы для уточнения принятых технологических параметров. Если в производственной организации имеется опыт устройства свай в схожих инженерно-геологических условиях, возможно использовать эти данные.

В табл. 7.2 приведены типовые значения технологических параметров [4]. В таблице для одно- и двухкомпонентной технологий значения расхода воды указаны при использовании двухэтапной схемы, т. е. при использовании предварительного размыва грунта (ПРГ).

 

Таблица 7.2

 

Типовые значения технологических параметров

Параметры технологического процесса	Технологические схемы
Jet 1	Jet 2	Jet 3
Давление, МПа: • воды • раствора • воздуха	ПРГ (20-30) 30-60	ПРГ (20-30) 30-60 0,8-1,2	30-50 30-60 0,8-1,2
Расход, л/мин: • воды • раствора • воздуха	ПРГ 60-150	ПРГ 100-150 10-30 000	70-100 150-250 10-30 000

Продолжение табл. 7.2

 

Параметры технологического процесса	Технологические схемы
Jet 1	Jet 2	Jet 3
Диаметры насадок, мм: • водяной • растворной	ПРГ (1,6-2,4) 1,6-3,0	ПРГ (1,6-2,4) 2,0-4,0	1,8-2,5 3,5-6,0
Число насадок, шт.: • водяной • растворной	ПРГ(1) 2-6	ПРГ(1) 1-2	1-2 1
Частота вращения монитора, мин"	10-30	10-30	10-30
Время обработки грунта (при шаге 4 см), с	8-15	10-20	15-25
Расход цемента, кг/м3	400-800	400-800	400-800
Водоцементное отношение (В/Ц)	0,7-2,0	0,7-2,0	0,7-2,0
Диаметры колонны, м: • гравийно-песчаный грунт • глинистый грунт	0,6-1,0 0,5-1,0	1,0-2,0 1,0-1,5	1,5-2,5 1,0-2,0
Прочность на сжатие, МПа: • гравийно-песчаный грунт • глинистый грунт	10-30 1,5-10	7,5-25 1,5-8,5	7,5-20 1,5-7,5