Ефремков Д.Н.

Тульский государственный университет, г. Тула, Россия.

Исследование факторов влияющих на результативность струйной цементации.

Многие факторы влияют на эффективность и результативность струйной цементации, анализируется и требует рассмотрения все, что повлияет на проектирование и производство грунтобетонных свай.

Влияние давления

При разрушении почвы под высоким давлением воды, расстояние разрушенной породы радикально увеличивается с давлением струи воды и превышает предел прочности грунта, как показано на рисунке 1 (отношение между разрушенным расстоянием и давлением водяной струи). Вполне возможно, с меньшим давлением, разрушить такое же расстояние в течение более длительного периода времени, однако высокое давления экономит время, что является важным фактором при прочих равных условиях. Как правило, вода имеет давление от 30 до 60MPa для вскрышных пород, таких как ил, песок, и т.д., и значительно более высокое для горных пород, порядка 200МРа.

Рисунок 1. Зависимость расстояния от давления воды.

Влияние скорости потока

Уравнение скорость воды при проходе через сопло имеет следующий вид. Данное уравнение получено из закона сохранения энергии.

(1.1)

Если струя воды нагнетается под давлением в 40МПа через мелкое сопло 2мм в диаметре, при этом скорость спутного воздушного потока 100м/сек, мы можем получить разрушаемое расстоянии в 1м (2м в диаметре) в точке со значением 4МПа на рисунке 2 (Динамическое давление 0,1 от давления в насадке). Это можно рассматривать как эффективный предел для большинства практических целей. При условии наличия идеального сопла, с коэффициентом эффективности m = 0,92.

Рисунок 2. Отношение динамического давления воды и расхода воздуха с расстоянием

Если использовать сопло диаметром 5мм для достижения той же эффективности и получения колонны такого же диаметра, скорость потока должна быть изменена в соответствии с квадратом диаметра сопла:

Влияние сжатого воздуха

Увеличение скорости воздушного потока даже с низким давлением может значительно повысить разрушающий потенциал струи, как показано на рисунке 2. ГСЦ требуется сжатый воздух для успешной работы в нескольких отношениях. Это первый фактор, необходимый для получения максимальной разрушающей энергии, а затем жизненно необходим для транспортировки размытой породы на поверхность земли.

Окутывание сжатым воздухом

Струя воды, как огнетушащее вещество, является весьма эффективным средством, однако ее воздействие существенно снижается в воде. Поэтому струйная цементация в основном закрепляет почву ниже уровня грунтовых вод, струя воды сама по себе не может привести к значительному укреплению земли. В связи с этим, сжатый воздух, окутывая струю воды, является основным средством в изолировании грунтовых вод вокруг струи, образуя атмосферные условия. Рисунок 3 показывает разрушенные расстояния соответствующих струй в воздухе, в воде и воды в спутном воздушном потоке. Эта диаграмма наглядно демонстрирует струйный принцип, что струя жидкости с давлением 40МПа проходя через сопло с диаметром 2мм, может достигать расстоянии 3м в воздухе, распространяется только на полметра в воде, однако, с добавлением сжатого воздуха вокруг струи воды, она распространяется сразу до 1,1-1,2метра.[1]

Рисунок 3. Отношения динамического давления и расстояния от насадки при работе в различных средах.

Скорость и объем нагнетаемого воздуха

Как уже говорилось ранее, просто присутствие воздушного кожуха не всегда будет отвечать заданным функциям, если не поддерживать скорость больше половины скорости звука, которая обеспечивает формирование атмосферных условий, что согласно рисунку 3 значительно повышает рабочий участок струи. Кроме того, воздушная насадка должна быть кольцевидной формы, окружающее сопло, у которой предпочтительно иметь минимальную длину прямого участка до точки сброса воздуха.

Стандартная ширина воздушного отверстия должна быть примерно 1 мм, что обеспечивает достаточный поток воздуха и не позволяет любым посторонним частицам, таким как песок, выбиваться из потока. Сжатый воздух может быть создан от компрессора низкого давления мощностью 0.7MPa, для работы на глубину до 20м. Однако для более глубокой работы, необходим компрессор высокого давления, способный подавлять давление грунтовых вод.[1]

Другие эффекты

Качество материала и точность изготовления сопла, особенно внутренней поверхности, имеет огромное значение, наравне с размерами и геометрией насадки. Кроме того, в действительности, необходимо соблюдать осторожность, что даже идеально изготовленное сопло перед использованием можно легко повредить из-за примесей в струйном потоке и посторонних частиц в почве.

Учитывая возможность такого повреждения, необходимо производить проверку состояния форсунок, до и после каждого применения технологии гидроструйной цементации. Для оптимальной проверки оборудования, используются специальная система динамических измерений в ассоциации с датчиками давления, заранее определенного диапазона работы, результирующие результаты работы в графическом виде. При исправной работе воздушной насадки, формируется изображение в виде кольца, с отверстием по центру, которое является основной рабочей струей. (Рисунок 4 б). Для дефектных струй, изображение будет показано без каких либо центральных отверстий, как показано на рисунке 4а (турбулентный поток).[1]

(а) турбулентный поток (б) целенаправленный поток

Рисунок 4. Турбулентный и целенаправленный поток.

Помимо динамического давления и скорости потока есть и другие параметры, которые оказывают влияние на разрушающую силу струи жидкости.

Рисунок 5 показывает экспериментальные результаты работы для оптимальной повторяющейся частоты разрушения струи, то есть шаг подъема насадки за один оборот, указывая, что частота вращения свыше 5 незначительно увеличит диаметр колонны.

Поднимая струеформирующую насадку с определённым шагом, при этом обеспечив, параллельно, необходимую частоту вращения, что не возможно при прерывистом подъеме. Каждый шаг соответствует предполагаемому диаметру, однако, практический опыт показывает, что при шаге в 5 см – диаметра закрепленного массива до 2 м, а при 10 см – закрепленный массив уже имеет диаметр более чем 4м, с оптимальным шагом.[1]

Рисунок 5. Экспериментальные результаты для оптимальной частоты повторяющихся размываний струей.

1. Ground Improvement, Second Edition / M.P. Moseley, K. Kirsch – London, Spon Press, 2004г. 440с.