Механизм струйного размыва грунта

Радиус размываемой цилиндрической грунтовой полости R при однокомпонентной технологии зависит от внутреннего диаметра размывающей насадки dg, давления перед насадкой Pg, частоты вращения монитора п, скорости подъема монитора vу, плотности раствора ρg, его водоцементного отношения W/C, а также от характеристики размываемости грунта

                       (4.9)

Для двухкомпонентной технологии, помимо указанных факторов, добавляются еще характеристики воздушного потока: давления перед воздушной насадкой Рas, внутреннего диаметра соосной воздушной насадки Da, внешнего диамефа растворной насадки Dg, а также давления в размываемой полости Pst.

                            (4.10)

Здесь появляется дополнительный фактор - давление в прорези Pst, который является существенным вследствие сжимаемости воздуха, в то время, как для однокомпонентной технологии он существенным не является.

Для трехкомпонентной технологии добавляется также влияние факторов, учитывающих характеристики водяной струи: давления воды перед насадкой Pw и внутреннего диаметра водяной насадки dw.

                   (4.11)

Как видим, при кажущейся простоте струйной геотехнологии, конечный результат зависит от многих факторов. Поэтому оптимальные значения параметров процесса, соответствующие максимальному значению радиуса размыва Ru, экспериментально могут быть получены только в результате сложных натурных исследований, в процессе которых варьируются значения указанных параметров, и многофакторного анализа полученных результатов.

Экспериментальные исследования производятся практически на каждом объекте. Но так как варьировать значениями всех параметров в процессе экспериментов очень сложно, и это требует много времени и средств, на практике варьируется лишь часть указанных параметров. При этом эксперимент часто ведется до получения приемлемых результатов при каком-то сочетании значении этих параметров, и именно эти значения принимаются для рабочего процесса.

Здесь следует, однако, учитывать дополнительно еще следующие обстоятельства. Так как при одно- и двухкомпонентной технологиях цементный раствор используется не только для перемешивания с грунтом, то есть для собственного формирования грунтобетонных конструкций, но также и в качестве рабочего тела для разрушения структуры естественных грунтов и выноса части размытого грунта на поверхность, необходимо стремиться к минимальному расходу цементного раствора, то есть к минимальным его непроизводительным потерям. При этом обычно исходят из следующих общих соображений. Скорость струи раствора ug равна

                    (4.12)

где φ - коэффициент скорости.

При некотором заданном расходе раствора Qg средняя скорость струи Vg

                      (4.13)

То есть скорость струи обратно пропорциональна квадрату диаметра насадки dg и прямо пропорциональна корню квадратному из давления раствора Pg перед насадкой. Поэтому наиболее целесообразно, с точки зрения обеспечения минимального расхода раствора, принять диаметр насадки минимальным при максимальном значении давления Pg, то есть ug = vg. Именно поэтому европейские и японские компании предпочитают использовать насадки с минимальными диаметрами - 1,8...3,0 мм и одновременно - высокие и сверхвысокие давления 30... 120 МПа. При таких характеристиках обеспечиваются довольно высокие значения удельной кинетической энергии струи на выходе из насадки и одновременно - относительно небольшие расходы раствора - 3...6 м3/час. Такие струи обладают чрезвычайно высокой разрушающей способностью на выходе из насадки. Они способны размывать даже очень плотные глины с высоким сцеплением.

Обычно при использовании однокомпонентной технологии применяются мониторы с двумя диаметрально противоположно направленными размывающими насадками, расположенными с небольшой разницей по высоте - до 4-5 см. Хотя струи в каждой из двух насадок имеют меньшую энергию и меньший радиус размыва, чем струя из единственной насадки с вдвое большим расходом размывающей жидкости, предпочтение, оказываемое схеме с двумя струями, объясняется тем, что она обеспечивает вдвое большее число проходов струи на одном уровне, что способствует лучшему перемешиванию грунта с раствором и позволяет увеличить среднюю скорость подъема монитора.
Здесь следует, вместе с тем, учитывать, что, как указывалось выше, тонкие сверхскоростные струи распыляются на небольшом расстоянии от насадки. Поэтому диаметры грунтобетонных колонн при указанных характеристиках процесса редко превышают 60 см. Большие диаметры, до 80 см и более удается ошучить в слабых грунтах, а в других грунтовых условиях - при очень медленном подъеме монитора, со средней скоростью 1,5...3,5 см/мин. Но при этом непроизводительные потери раствора резко возрастают. Иногда, с целью увеличения диаметра грунтобетонной колонны и повышения прочности ее материала, применяют повторный размыв грунта. Или же в первый раз производят размыв водой, а на следующем этапе повторяют его уже с раствором. В последнем случае имеет место двухэтапная технология закрепления грунтов.

Другое обстоятельство, осложняющее работу при сверхвысоких давлениях, - это возможность забивки размывающей насадки малого диаметра комками частично схватившегося цемента, которые могут иметь размеры, превышающие диаметр насадки. Вообще говоря, при сверхвысоких давлениях рыхлые комки могут разрушаться в насадке. Однако возможно также и разрушение самой насадки при забивке ее твердым комком или другим включением. Поэтому струйные насадки для однокомпонентной технологии обычно выполняют с достаточно толстыми стенками.

Несмотря на большое количество факторов, осложняющих практическое применение однокомпонентной геотехнологии, именно такая технология используется преимущественно, то есть значительно чаще, чем двух- и трехкомпонентная технологии, всеми европейскими и японскими компаниями. Одна из главных причин здесь - экономическая. Как видно из выражения (4.9), количество факторов, которые необходимо учитывать и котролировать при осуществлении технологического процесса, в данном случае минимально по сравнению с другими видами этой технологии. Это позволяет осуществлять автомагический конфоль процесса с использованием минимального количества датчиков и приборов. В свою очередь, последнее обстоятельство позволяет существенно уменьшить количество требуемого персонала. При высокой заработной плате в промышленно развитых странах получаемая таким образом экономия превышает стоимость непроизводительных потерь раствора. Но другая важная причина преимущественного применения однокомпонентной технологии - это то, что прочность и плотность грунтобетона при однокомпонентной технологии выше, чем при двухкомпонентной, и существенно выше, чем при трехкомпонентной. Это объясняется, в частности, тем, что при двухкомпонентной технологии в грунтово-растворной смеси остается много осевшего грунта, а при трехкомпонентной технологии в состав этой твердеющей смеси попадает большое количество воды.

В связных грунтах с высокими значениями сцепления диаметры колонн получаются меньше 0,6 м. Однако именно здесь проявляются преимущества использования сверхвысоких давлений, позволяющих разрушать струями тяжелые глины.

В Италии непопулярность двух- и трехкомпонентной технологий определяется также и тем, что в слабых грунтах, которые там широко распространены, сжатый воздух иногда защемляется в грунте, образуя подземные полости, а также вызывая локальный подъем поверхности грунта.

Двухкомпонентная струйная геотехнология применяется в тех случаях, когда требуются повышенные диаметры грунтобетонных колонн. При этом эффективность размыва грунта и максимальные значения диаметров колонн увеличиваются по сравнению с получаемыми при однокомпонентной технологии. Диаметр грунтобетонной колонны зависит не только от энергии размывающей струи, но и от интенсивности удаления размытого грунта. Повышению интенсивности выноса грунта способствует отработанный сжатый воздух. В России диаметры грунтобетонных колонн, выполненных по двухкомпонентной технологии, достигали в диаметре 1,5... 1,6 м.

Здесь в большей степени, чем для однокомпонентной технологии, диаметр колонны зависит от частоты вращения монитора. Так, при давлении 6 МПа, диаметре насадки 5 мм и частоте вращения монитора 10 мин-1 диаметр грунтобетонных колонн, выполняемых в песках и в моренных грунтах, составлял 0,7 м, причем боковые стенки колонны были довольно гладкими, а при частоте вращения 6 мин-1 диаметр колонн достигал 1,5 м, с неровными и подчас рыхлыми боковыми стенками. Уникальная по форме колонна была получена при частоте вращения монитора 3,8 мин-1. При среднем ее диаметре 1,6 м вся боковая поверхность была покрыта регулярными выступами длиной до 20 см, имеющими однообразную форму и гладкую поверхность. Появление таких выступов объясняется пульсациями давления поршневого насоса. Такая конструкция колонны обеспечивает хорошую связь с окружающим грунтом.

Трехкомпонентная технология считается наиболее экономичной, так как в качестве размывающей грунт жидкости применяется вода, а твердеющий раствор используется только для закрепления разрыхленного грунта. Однако, согласно практическому опыту, количество раствора, используемого для закрепления некоторых грунтов, и при этой технологии должно превышать объем закрепляемого грунта.

При сооружении грунтобетонных колонн по трехкомпонентной геотехнологии, так же, как и при двухкомпонентной, размыв грунта происходит по упрощенной схеме, в герметичном объеме, заполненном воздухом. Однако при этом картина осложняется тем, что водяная струя в искусственном потоке воздуха пробивается через поперечный восходящий поток аэрированной жидкости, что ухудшает ее характеристики. Снизу область размыва ограничена медленно поднимающейся грунтово-растворной смесью, поверх которой имеется некоторый объем водогрунтовой смеси, в котором происходит ее обратное течение. При этом поток растекается в размытой полости, скорости его падают, и происходит осаждение наиболее крупных частиц размытого грунта, а мелкие частицы захватываются восходящим потоком. Осевшие частицы захватываются струей раствора и, перемешиваясь с ним, образуя грунтово-растворную смесь. При этом часть раствора увлекается восходящим потоком аэрированной водогрунтовой смеси и выносится через скважину на поверхность. Количество захватываемого раствора зависит от расстояния по вертикали между размывающей и растворной насадками. Обычно в большинстве конструкций струйных мониторов это расстояние принимается не менее 500 мм. По-видимому, имеет значение и взаимное плановое расположение размывающей и растворной насадок. Так, в мониторах итальянской компании «Родио» угол между направлениями указанных насадок в плане составляет порядка 105°, причем растворная насадка по направлению вращении находится впереди размывающей.

Таким образом, мы имеем дело с очень сложным движением четырехкомпонентного потока (вода, воздух, грунт, раствор), причем движения отдельных компонентов или их смесей представляют собой стратифицированные потоки, с разными скоростями и плотностями. Аналитическое исследование такого течения чрезвычайно сложно. Можно лишь условно выделить процессы струйного размыва, перемешивания осевшего грунта с раствором и выноса размытого грунта, которые взаимосвязаны и взаимообусловлены.

При сооружении плоских конструкций по сквозной и тупиковой схемам общее движение в прорези более простое, так как отсутствует компонента вращательного движения. Благодаря последнему указанному обстоятельству, мшнчество размываемого грунта на единицу объема размывающей жидкостном случае значительно меньше. Здесь отсутствует вихревой поток, который, благодаря явлению поперечной циркуляции, способствует концентрации размытого грунта и его осаждению. Поэтому, при достаточно большом расходе размывающей жидкости, практически весь размытый грунт может быть вынесен на поверхность.

При сквозной схеме весь размытый грунт, увлекаемый размывающей струей, выносится вместе с водой и воздухом через изливающую скважину. При этом сохраняется, так называемый, «пробой», когда струя производит непрерывный размыв грунта в пространстве между обеими скважинами. При исчезновении по каким-либо причинам «пробоя» излив пульпы через изливающую скважину прекращается, и размыв мгновенно начинает осуществляться по тупиковой схеме.

При тупиковой схеме размытый грунт выносится возвратным потоком через скважину, в которой перемещается монитор. При этом, вследствие того, что струя меняет свое направление на 180°, ее размывающее действие (и,соответственно, дальность размыва) существенно увеличивается. Кроме того, возвратный поток, имея довольно значительные абсолютные скорости, производит дополнительный размыв стенок прорези. Поэтому длина и ширина прорези при тупиковой схеме выше, чем при сквозной. Однако длина прорези может быть неравномерной вследствие неоднородное свойств размываемых грунтов по высоте геологического разреза. Поэтому единичная плоская конструкция, выполненная по тупиковой схеме, имеет «языки» на разных уровнях. Для получения гарантированной длины сплошной плоской конструкции, например, секции тонкой противофильтрационной завесы, принимают ее расчетную длину не больше минимально возможной («с запасом»).