دانلود رایگان مقاله استحکام جت گروت و خواص تغییر شکل تک سیال

چکیده

          استفاده از ستون‌های جت گروت زیر افقی در ساخت تونل‌های زمین نرم، روشی رایج برای پشتیبانی حفاری است. نصب متوالی ستون های جت گروت در یک محیط تونل زنی منجر به بارگیری ستون های جت گروت به صورت مرحله ای می شود که در نتیجه خواص مواد جت گروت و ترتیب نصب بر بزرگی و توزیع نشست های سطحی و تغییر شکل های صورت تأثیر می گذارد. یک برنامه آزمایشگاهی برای تعیین کمیت توسعه کوتاه مدت (کمتر از 24 ساعت) استحکام و سفتی یک دوغاب با ترکیبی شبیه به آنچه در ساخت ستون‌های جت گروت یافت می‌شود، انجام شد. آزمایشات آزمایشگاهی در دمای 8 درجه سانتیگراد برای شبیه سازی دمای زمین انجام شد. همچنین سیلندرهای آزمایش آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی تفاوت‌های شرایط مرزی بین ستون‌های جت گروت با قطر 600 میلی‌متر در خاک و نمونه‌های آزمایشگاهی با قطر 76 میلی‌متر عایق‌سازی شدند.

1. مقدمه

            استفاده از تزریق جت در ساخت تونل های عمیق، خصوصا تونل های بزرگ با پروفیلی غیر دایره ای در حال افزایش است. این روش از نصب تعدادی ستون های جت ملات برای تولید طاقی از ماسه سیمان شده در جلوی تونل  به منظور پشتیبان حفاری استفاده می کند. این طاق ها در چند مرحله نصب می شوند تا چند بخش مخروط ناقص روی هم افتاده تشکیل شود (شکل 1).

           در محیطی شهری یکی از الزامات برای تونل های عمیق این است که روش تولید باید نشست سطح را در تولرانسی مشخص نگه دارد. گرچه، با این روش یک تاخیر بین نصب دوغاب ملات جت و سفت شدن مخلوط ماسه-سیمان وجود دارد. اگر این سفت شدن به اندازه کافی به تاخیر بیافتد، ستون ملات جت استحکام برشی کافی برای تحمل بارهای اضافی را نخواهد داشت و باعث نشست زیاد در بالای تونل و تغییر شکل سطح می شود. از آنجایی که ستون های ملات جت در گروه های چهار تایی یا بیشتر نصب می شوند (شکل c.1)، این روش باعث تحریک نشست سطح در صورت عدم وجود روش های سختگیرانه کنترل کیفیت خواهد شد.

         بررسی نمو استحکام و سفتی در این روش می تواند در غلبه بر این مشکل کمک کند. با احاطه بر نحوه سخت شدن ملات جت، ترتیب نصب را می توان به گونه ای انجام داد که بارهای حفاری که توسط نصب ستون ملات جت ایجاد می شود توسط ستون قبلی سخت شده تحمل شوند. ترتیب دهی به شکلی که بارهای حفاری توسط ستون ها با بیشترین درجه سخت شوندگی تحمل بشود، باعث کنترل نشست سطح و پشتیبانی حفاری می شود.

         یک برنامه آزمایشگاهی برای تعیین نمو کوتاه مدت (کمتر از 24 ساعت) استحکام و سفتی مخلوط دوغابی مشابه آنچه در ساخت ستون های ملات جت برای پشتیبانی تونل استفاده می شود انجام شد. تست ها در دمای معمول زمین (℃ 8) به جای دمای معمول اتاق انجام شد. همچنین استوانه های تست برای شبیه سازی تفاوت های ستون های 600 میلی متری ملات جت و نمونه های 76 میلی متری عایق کاری شدند. این مقاله مشخصات وابسته به زمان دوغاب جت این تست های آزمایشگاهی را خلاصه می کند.

2. تاریخچه تزریق جت    

         این روش در دهه 1970 در ژاپن ابداع شد و سپس در اروپا رونق گرفت و در دهه 1980 در آمریکا استفاده می شد. بر خلاف تزریق نفوذی، که نسبت به نوع ماسه استفاده شده بسیار حساس است، تزریق جت برای عملیات بر روی هر نوع ماسه ای قابل استفاده است. سیستم اصلی از یک سیستم تک سیاله شامل سیمان پورتلند و آب تشکیل شده بود. سیستم تک سیاله می تواند ستون هایی با قطر 500 تا 1000 میلی متر تولید کند که معمولا برای تولید ستون های ملات جت در تونل استفاده می شود. 

        تزریق جت در دو فاز انجام می شود. در فاز اول، زه مته توسط حفاری چرخشی به جلو می رود. در فاز دوم، عمل جت شروع می شود و زه مته می چرخد و به عقب می رود. 

2.1 ترکیب ملات جت

        ترکیب ملات جت تا حدودی وابسته به ماسه مورد استفاده است. محاسبات عددی ملات جت به دلیل فرایندهای پیچیده سایش، اختلاط، جایگزینی، پر کردن منفذها و پارامترهای تزریق جت در عمل ممکن نیست. بنابراین پیش بینی ترکیب ملات جت باید بر اساس مشاهدات صورت بگیرد. کروچه و فلورا کشف کردند که درصد برداشت ماسه در آزمایش های میدانی تزریق جت تک سیاله در شن و ماسه بین 30 تا 60 درصد است(جدول 1 را ببینید).

2.2 رفتار ملات جت

        ملات جت کاملا سفت شده همانند بتن سیمان پورتلند عمل می کند به عنوان مثال واکنشی الاستیک و غیر خطی دارد که بعد از آن شکست ترد رخ می دهد. استحکام آن یک بخش چسبنده و یک بخش اصطکاکی دارد به عنوان مثال، فنگ و همکارانش با استفاده از تست های سه محوره متوجه شدند که زاویه چسبندگی و اصطکاک ملات جت در شن و ماسه به ترتیب MPa 4.2 و °35 است. با وجود اینکه خواص ملات جت کاملا سخت شده را می توان تعیین کرد، ولی درک فرایند نمو استحکام در ملات جت نیازمند درک فرایند هیدراسیون سیمان پورتلند است.

Abstract

        The use of sub-horizontal jet-grout columns in the construction of soft ground tunnels is a popular method to provide excavation support. The sequential installation of jet-grout columns in a tunneling environment will result in the jet-grout columns being loaded in a staged manner, resulting in the jet-grout material properties and installation order affecting the magnitude and distribution of surface settlements and face deformations. A laboratory program was carried out to quantify the short-term (<24 h) development of strength and stiffness of a grout with a composition similar to that found in the construction of jet-grout columns. The laboratory tests were conducted at 8 C to simulate the ground temperatures. Also the laboratory test cylinders were insulated to simulate the boundary condition differences between 600-mm-diameter jet-grout columns in soil and the 76-mm-diameter laboratory samples.

1. Introduction

         The use of jet-grouting in the construction of shallow tunnels is becoming increasingly common, particularly for large tunnels with non-circular profiles. This method uses the installation of a set of sub-horizontal jet-grout columns to form an arch of cemented soil ahead of the tunnel face to provide excavation support (Pelizza and Peila, 1993). The jet-grout arches are installed in stages to provide a series of overlapping partial cone sections (Fig. 1).

        In an urban environment one of the design requirements for shallow tunnels is that the construction method must control surface settlement within specified tolerances. However, with jet-grouting there is a delay between the installation of the jet-grout slurry and the hardening of soil–cement mixture. If this hardening is sufficiently delayed the jet-grout column may not have sufficient shear strength to resist the overburden loads resulting in excessive settlement above the tunnel and associated face deformations. Because jet-grout columns are usually installed in groups of four or more (see Fig. 1c), this method would appear to have the potential to induce surface settlements if strict quality control procedures are not adhered too.

        An assessment of the development of the strength and stiffness of jet-grout could help to overcome this potential problem. With the knowledge of how the jet-grout hardens the sequencing of the installation could be done such that the excavation loads induced by the installation of a jetgrout column are carried by previous jet-grout column installations that have hardened. Sequencing in this manner where the excavation loads are supported by the jetgrout columns with the greatest degree of hardening would provide greater surface settlement control and excavation support.

        A laboratory testing program was carried out to determine the short-term (<24 h) development of the strength and stiffness of a grout mix with a composition similar to that used in the construction of jet-grout columns for tunnel support. In particular, the laboratory tests were conducted at a typical ground temperature (8 C) rather than the normal room temperature of 20 C. Also the laboratory test cylinders were insulated to simulate the boundary condition differences between the 600-mm-diameter jet-grout columns and the 76-mm-diameter laboratory samples. This paper summarizes the time-dependent material properties of jet-grout from these laboratory tests.

2. Jet-grouting background

       Jet-grouting was developed in Japan in the 1970s and later introduced in Europe, and by the 1980s it was in use in North America (Brill et al., 2003). In contrast to permeation grouting, which is very sensitive to the type of soils being treated, jet-grouting can be used to treat almost any soil (Bruce et al., 1987). The original system used single fluid system of grout comprised of Portland cement and water. The single fluid system can produce columns up to 500–1000 mm in diameter and is typically used to construct sub-horizontal jet-grout columns in tunneling (Kauschinger et al., 1992).

       Jet-grouting is performed in two phases (Mussger et al., 1987). In the first phase, the drill string is advanced by rotary drilling. In the second phase, the jetting is started and the drill string is rotated and withdrawn.

2.1. Composition of jet-grout

        The composition of jet-grout is partially dependent on the soil being treated. The analytical calculation of the composition of jet-grout is not possible in practice because of the complex processes of erosion, mixing, replacement, filling of pore space and the jet-grouting parameters (Croce and Flora, 2000). The prediction of the jet-grout composition must then be based upon observations. Croce and Flora (2000) found that the percent soil removal ranged from 30% to 60% in field trials of single fluid jet-grouting in sandy gravel and silty sand (see Table 1).

2.2. Behavior of jet-grout

       Fully hardened jet-grout behaves much like Portland cement concrete, i.e., it generally has a non-linear elastic response followed by a brittle failure. Its strength has both a cohesive and a frictional component, e.g., Fang et al. (1994) determined using triaxial tests that the cohesion and friction angle of jet-grout in silty sands was 4.2 MPa and 35, respectively. While the properties of fully hardened jet-grout can be readily determined, understanding the process of the development of strength in jet-grout requires an understanding of the hydration process of Portland cement.

چکیده

1. مقدمه

2. تاریخچه تزریق جت    

2.1 ترکیب ملات جت

2.2 رفتار ملات جت

3. تست آزمایشگاهی خواص ملات جت

3.1 رویه تست

3.2 نتایج تست ها

4. بحث

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Jet-grouting background

2.1. Composition of jet-grout

2.2. Behavior of jet-grout

3. Laboratory testing of jet-grout properties

3.1. Testing procedure

3.2. Testing results

4. Discussion

References