L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
Комплексный геолого-геофизический мониторинг процессов упрочнения грунтов
| Группа | Научная литература |
|---|---|
| Область науки | Естественные науки |
| Название на русском языке | Комплексный геолого-геофизический мониторинг процессов упрочнения грунтов |
| Авторы на русском языке | Простов С.М., Герасимов О.В., Никулин Н.Ю. |
| Вид издания на русском языке | монография |
| Издательство на русском языке | Томск : Изд-во Том. ун-та, 2015. – 344. |
Резюме
Изложены результаты экспериментально-аналитических исследований взаимосвязей структурных параметров грунтов, физических свойств заполнителя пор с электромагнитными свойствами в широком диапазоне частот. Приведено обоснование рациональных режимов электрических зондирований, георадиолокационного зондирования, скважинного индукционного каротажа при комплексном геолого-геофизическом мониторинге. Проанализированы закономерности пространственно-временных изменений физических свойств грунтов при напорной инъекции и электрохимическом упрочнении.
Технология напорной инъекции НИ) является эффективным методом управления свойствами неустойчивых глинистых грунтовых массивов в основаниях горнотехнических сооружений. Ее широкое применение сдерживается отсутствием надежных методов контроля сложных гидродинамических и геомеханических процессов гидрорасчленения упрочняемого слоя, заполнения полости цементно-песчаным раствором, опрессовки обрабатываемой зоны и формирования несущего инженерно-геологического элемента массива. Одним из путей решения данной проблемы является дополнение традиционных геолого-маркшейдерских методов, обеспечивающих прямые измерения физических свойств массива, малотрудоемкими и производительными геофизическими методами2. Особенности физических свойств грунтового массива, подверженного НИ, состоят в нелинейности пространственно-временных изменений механических, акустических и электрических свойств: прочность образцов грунтов в процессе обработки временно снижается, а на стадии твердения – увеличивается в 4–6 раз; скорость продольной волны на обеих стадиях увеличивается на 30–60 %; удельное электросопротивление (УЭС) при насыщении грунта электрически контрастным раствором снижается в 1,5–10 раз, а при консолидации цементно-песчаной смеси – увеличивается в 2–30 раз.Комплекс методов геолого-геофизического мониторинга включает: геологические изыскания с лабораторным определением механических свойств образцов; статическое геомеханическое зондирование; сейсмическое зондирование; электрофизический бесскважинный геоконтроль по схемам ВЭЗ и ЭП, бесконтактный скважинный индукционный каротаж, георадиолокацию.
Контролируемый путем электрофизического мониторинга радиус распространения раствора от инъектора при НИ изменяется в диапазоне
0,2–0,6 м, величина сопротивления грунта погружению конуса qз после нагнетания снижается на 1–20 %, через 1–10 сут начинается монотонное увеличение, конечный уровень qз превышает начальный в 1,5–4 раза, а средний рост модуля деформации составляет 85 %.Характер изменения эффективного УЭС массива rк совпадает с qз, между приращениями rк и qз имеет место линейная зависимость. Дифференцированный скважинный индукционный геоконтроль обеспечивает определение размеров ослабленного слоя, зон проникновения раствора, локальных расслоений мощностью 0,2–1 м с погрешностью не более 10 % и позволяет прогнозировать момент стабилизации свойств наименее устойчивого слоя.При насыщении грунтов раствором увеличение скорости продольной волны Vр достигает 2,8 раза, поперечной Vs – не превышает 70 %. При наборе прочности диапазоны изменения скоростей составляют Vр = 1400–2000 м/с, Vs = 700–1100 м/с, а величина динамического модуля упругости, определенная по данным сейсмического зондирования, изменяется в диапазоне ЕН = 0,5–23 МПа и линейно связана с модулем деформации образцов.По результатам мониторинга размеров зон инъекции в плане и по глубине, контроля интенсивности набора прочности и стабилизации свойств наиболее слабого слоя обеспечивается корректирование режимов НИ. Маркшейдерский мониторинг деформаций грунтов позволяет реализовать селективное укрепление сооружений с деформированной продольной осью путем первоочередного нагнетания на участках с наименьшими осадками, а после частичного твердения раствора и установленной путем мониторинга стабилизации свойств укрепленной зоны – в скважинах второй очереди.
Для исследования состояния и свойств укрепляемых слоистых грунтовых массивов целесообразно развитие индукционного метода (ИМ), отличительной особенностью которого является бесконтактное зондирование массива электромагнитным полем с частотой 20–150 кГц, в том числе через обсадные трубы из непроводящего материала. В однородной среде вследствие асимметрии осевой и радиальной характеристик индукционного датчика происходит смещение точки максимума чувствительности, зависящее от глубины зондирования и проводимости среды. Вследствие ослабления чувствительности вблизи оси скважины влияние обсадной трубы диаметром до 0,15 м не превышает 1 %. Напротив границы слоев с различными электромагнитными и механическими свойствами на графике ИМ наблюдается переходная зона, ширина которой логарифмически связана с соотношением УЭС слоев, причем при переходе датчика из низкоомного слоя (влагонасыщенные пористые грунты) в высокоомный (зона набора прочности укрепленных грунтов) граница соответствует началу, а при обратном чередовании – середине этой зоны.
Слои ослабленных высокопористых влагонасыщенных суглинков с удельным сопротивлением вдавливанию зонда qз = 0,2–0,4 МПа характеризуются положительными аномалиями на графиках ИМ, а тяжелые плотные суглинки (qз = 0,6–0,8 МПа) – отрицательными, при этом диапазон геоконтроля превышает DE > 200 мВ. В зоне распространения укрепляющего цементного раствора происходит увеличение контролируемого параметра Е на величину до 70 %, а при его твердении – уменьшение до 40 %. Между изменениями параметров r, Е, qз и fз в процессе набора прочности укрепленным массивом существуют нелинейные зависимости, близкие к экспоненциальным. Применение индукционного геоконтроля в обсаженных скважинах в комплексе с бесскважинными геоэлектрическими методами позволяет снизить максимальную погрешность определения границ неустойчивых обводненных слоев и размеров зон инъекционной обработки до 10 %, диагностировать локальные расслоения с мощностью 0,2–1 м, прогнозировать изменение прочности и момент стабилизации физико-механических свойств наименее устойчивого слоя неоднородного грунтового массива.
Одним из интенсивно развиваемых направлений в горнопромышленной геофизике является георадиолокация, основанная на измерении электромагнитного сигнала, отраженного от границ аномальных зон неоднородных сред. Поскольку глубинность и разрешающая способность зондирования, нелинейно зависящие от удельного электрического сопротивления ρ и относительной диэлектрической проницаемости ε, убывают с ростом частоты, в качестве критерия эффективности режима георадиолокации целесообразно использовать функцию F, учитывающую оба этих фактора. Частота зондирования, соответствующая экстремуму функции F, нелинейно зависит от отношения ρ/ε. Подбор центральной частоты антенного блока геолокатора в диапазоне 80–240 МГц с помощью разработанного циклического алгоритма обеспечивает повышение информативности мониторинга до 30 %. Повышение точности георадиолокационного мониторинга укрепляемых оснований сооружений достигается построением интегрированных радарограмм, аналогичных геоэлектрическим разрезам, с помощью алгоритма, включающего разбиение поля на элементы заданных размеров и суммирование измеренных сигналов в пределах этих элементов, а также комплексным алгоритмом, включающим зональную частотную фильтрацию, определение истинной глубины зондирования, формирование поглубинных срезов, вертикальных и горизонтальных геоэлектрических разрезов и объемных моделей ослабленных зон на основе данных геолого-геофизического мониторинга.
На примерах мониторинга техногенных оснований надшахтного сооружения, железнодорожного пути, галереи обогатительной установки, тоннеля глубокого заложения установлено, что основными причинами формирования ослабленных зон являются разуплотнение насыпных грунтов и их локальное влагонасыщение. Данные зоны диагностируются по радарограммам с использованием следующих методик: фиксированием дополнительных зон проникновения инъекционного раствора как электрически контрастной среды; построением погоризонтных срезов и геоэлектрических разрезов путем совмещения с результатами инверсии ВЭЗ и статических зондирований; построением трёхмерных моделей по нескольким срезам. Полученная информация является эффективным дополнением традиционного геолого-геофизического мониторинга, при этом необходимый объем буровых работ может быть снижен на 10–15 %.При обосновании оптимальных режимов упрочнения ослабленных грунтов методами электрохимического упрочнения и высоконапорной инъекции цементных растворов контролируют размеры зон упрочнения и электрические свойства грунтов, взаимосвязанные с их физико-механическими свойствами, в пространстве и во времени на начальных стадиях горностроительных работ. Использование в качестве критериев интенсивности процессов упрочнения грунтов средних значений амплитуд сигналов в пределах аномальных зон интегрированных радарограмм позволяет повысить точность контроля и снизить расход укрепляющего раствора на 15–30 %. При мониторинге процессов НИ целесообразно использовать информационные критерии: энтропию Н, информативность I, эффективность Э, необходимость контроля N. Вероятность устойчивого состояния массива определяют при интегрированном геоконтроле (без внедрения) по соотношению средних прогнозных значений прочности массива, при дифференцированном (с внедрением в массив) – по относительной величине интервалов, на которых прочность превышает минимальный зафиксированный по глубине уровень. В процессе НИ величина Н локально возрастает, а затем снижается до уровня
Нд = 0,469 бит при завершении формирования укрепленного массива. Необходимость N интегрированного контроля на конечной стадии убывает до нуля, а при дифференцированном – стабилизируется на уровне Nд = 0,37–0,51.
Технические решения по контролю процессов НИ внедрены в производство на участках укрепления оснований горнотехнических сооружений, объектов промышленного и гражданского назначения в Кузбассе, тем самым обеспечена их безаварийная эксплуатация в течение 2–6 лет. Частичная замена инженерно-геологических изысканий на геофизический мониторинг обеспечивает снижение объемов буровых работ и лабораторных испытаний проб на 80 %, экономию затрат 6,7 %.
Для научно-технических работников горно-добывающей и строительной отраслей, научно-исследовательских и проектных организаций, специалистов по геотехнологии, геомеханике, физическим процессам горного производства.
МЕДАЛЬ «ЗА ВЕРНОСТЬ ТРАДИЦИЯМ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОБРАЗОВАНИЯ» С УДОСТОВЕРЕНИЕМ