Jakie są podstawy naukowe technologii Jet Grouting przy użyciu platform wysokociśnieniowych?

Jakie są podstawy naukowe technologii Jet Grouting przy użyciu platform wysokociśnieniowych?

Jet grouting, wykonany przez Awiertnica strumieniowa pod wysokim ciśnieniem, to technika ulepszania gruntu, która wydaje się zwodniczo prosta, ale opiera się na złożonych zasadach dynamiki płynów, mechaniki gruntu i reologii. Proces polega na wtryskiwaniu zawiesiny zaczynu cementowego pod bardzo wysokim ciśnieniem w celu erozji i zmieszania się z glebą na miejscu, tworząc inżynieryjny materiał kompozytowy znany jako gleba-cement. Naukowa skuteczność tej metody polega na kontrolowanym zastosowaniu energii kinetycznej w celu rozbicia tkanki gleby oraz późniejszych wiązań chemicznych i fizycznych, w wyniku których powstaje nowy, ulepszony materiał.

Podstawową zasadą naukową jest konwersja energii hydraulicznej na energię kinetyczną w spójnym strumieniu płynu. Wysokociśnieniowa obrotowa wiertnica strumieniowa wykorzystuje mocne pompy do sprężania zawiesiny zaczynu do poziomu zwykle pomiędzy 400 a 600 barów. Ten płyn pod wysokim ciśnieniem jest następnie przetłaczany przez dysze o małej średnicy (zwykle od 1,5 do 3,0 mm) przy monitorze. Zgodnie z zasadami dynamiki płynów, to nagłe rozszerzenie ze strefy wysokiego ciśnienia do ciśnienia atmosferycznego w glebie przyspiesza płyn do prędkości naddźwiękowych, tworząc strumień o ogromnej energii kinetycznej. Spójność tego strumienia – jego zdolność do utrzymywania się razem w formie skupionego strumienia na odległość – ma kluczowe znaczenie i wpływa na nią konstrukcja dyszy, lepkość płynu oraz zastosowanie osłon powietrznych w układach z podwójnym i potrójnym płynem.

Interakcja między tym wysokoenergetycznym strumieniem a masą gleby jest regulowana przez mechanikę gleby i teorię erozji. Strumień uderza w glebę z naprężeniem znacznie przekraczającym wytrzymałość gleby na ścinanie i rozciąganie. W glebach ziarnistych (piaski i żwiry) strumień działa poprzez wypieranie poszczególnych cząstek i rozbijanie zamków międzyziarnowych. W gruntach spoistych (glinach i mułach) mechanizm ten polega na ścinaniu i ponownym formowaniu tkanki gleby. Strumień tworzy wnękę, która jest natychmiast wypełniana i hydraulicznie pękana przez zaprawę. Kluczem jest jednoczesna erozja i mieszanie. Wysokociśnieniowa obrotowa wiertnica strumieniowa kontroluje kinematykę tego procesu – prędkość obrotową i wyciągania – które decydują o objętości poddanej obróbce gleby i jednorodności końcowej mieszanki. Zależność między tymi parametrami a uzyskaną średnicą kolumny jest głównym przedmiotem zainteresowania nauki o jet groutingu.

Właściwości powstałego kompozytu gruntowo-cementowego są funkcją pierwotnej mineralogii gleby i składu chemicznego cementu. Zaczyn zaczynowy, czyli zawiesina cząstek cementu w wodzie, oddziałuje z cząsteczkami gleby i wodą porową. W procesie podobnym do technologii betonu cement ulega hydratacji, tworząc hydraty krzemianu wapnia (C-S-H) i inne związki wiążące ze sobą cząsteczki gleby. Ostateczna, nieograniczona wytrzymałość na ściskanie i przepuszczalność gruntu i cementu nie zależą wyłącznie od mieszanki zaczynu, ale są produktem interakcji. Gleba piaszczysta, będąc obojętna, zazwyczaj daje materiał o wyższej wytrzymałości, ponieważ zaczyn cementowy wiąże twarde cząstki.wiertnica strumieniowa pod wysokim ciśnieniemGleba gliniasta zawierająca aktywne minerały może podlegać bardziej złożonym reakcjom, ale jej wytrzymałość jest często niższa ze względu na plastyczność pozostałości gliny. Rolą wysokociśnieniowej obrotowej wiertnicy strumieniowej jest zapewnienie jednolitej mieszanki w celu uzyskania stałych właściwości w całej kolumnie.

Dlatego nauka jet groutingu za pomocą wysokociśnieniowej wiertnicy obrotowej jest dziedziną interdyscyplinarną. Wymaga zrozumienia mechaniki płynów strumienia, aby zoptymalizować jego erozyjny zasięg, reakcji gleby na szybkie obciążenie hydrauliczne w celu przewidzenia objętości poddanej obróbce oraz interakcji chemiczno-fizycznych podczas mieszania w celu opracowania właściwości geotechnicznych produktu końcowego. Ta podstawa naukowa pozwala inżynierom przejść od sztuki empirycznej do praktyki opartej na modelowaniu predykcyjnym, projektując kolumny do iniekcji strumieniowej o określonych cechach wytrzymałości, sztywności i przepuszczalności, aby spełnić dokładne wymagania projektu fundamentów lub retencji gruntu.