КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ГРУНТА И СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ГРУНТА Российский патент 2016 года по МПК E02D3/12 C09K8/04 

Изобретение предназначено для кондиционирования грунта при работе туннелепроходческих механизированых комплексов (ТПМК) в забое, консолидации и стабилизации плывунных водонасыщенных грунтов.

Уровень техники

Известен ингибирующий буровой раствор для глинистых пород, который повышает прочность, водоустойчивость глинистых пород, в том числе соленасыщенных межсолевых увлажненных глин, предупреждает осложнение из-за осыпей, обвалов и кавернообразований, течения пластичных глинистых пород, сужения ствола при бурении скважин. Данный раствор содержит, мас. %: солестойкую глину 5-10, хлорид калия 5-30, гидроксид бария 5-10, крахмал 2-3, конденсированную сульфит-спиртовую барду или окзил 5-6, оксиэтилцеллюлозу 0,75-1,5, воду остальное (см. RU 2327725 С2, опубл. 27.06.2008).

Недостатком состава является его использование в основном для глин, направленность действия компонентов бурового раствора на составляющие глинистых пород.

Известен пенный реагент для кондиционирования грунта, применяемый для разжижения твердых грунтов. Данный реагент применяется в виде пены и обеспечивает смазывание грунта, создает однородную массу грунта, делает грунт пластичным и вязким, делает грунт более водонепроницаемым (обеспечивая легкость выдачи со шнека и конвейера) и предотвращает залипание грунта на металлических поверхностях (http://www.sual-tmt.com/ru/product/623.htm).

Однако данный пенный реагент не связывает воду, содержавшуюся в грунтах, а наоборот, еще больше разжижает грунт, что делает невозможным бурение и последующий захват выбуренного грунта шнеками ТПМК в обводненных грунтах (плывунах).

Таким образом, в настоящий момент существует потребность в создании композиции, которая обеспечивала бы бурение в обводненных грунтах (плывунах) высокой степени текучести с захватом выбуренного грунта шнеками ТПМК (для понимания настоящей заявки текучая консистенция наступает для грунтов, содержащих значительное количество мелких фракций при водосодержании ≥17%), консолидации и стабилизации плывунных грунтов, что позволит единовременно достичь такие технические результаты, как облегчение процесса работы ТПМК с влагонасыщенными грунтами, уменьшить влажность выбуриваемого грунта, а соответственно облегчить его снятие со шнека, и снизить риски подтопления забоя при проходке, стабилизировать и консолидировать плывунный грунт, качественно изменив его реологические параметры, снижая параметры текучести.

Раскрытие изобретения

Заявленные технические результаты достигаются композицией для кондиционирования (в контексте данной заявки под кондиционированием грунта следует также понимать консолидацию или стабилизацию плывунного грунта), включающей два компонента: раствор структурообразователя и раствор активатора, причем все массовые доли, в понимании настоящей заявки, взяты по сухому веществу.

структурообразователь составляет 40-80% мас. и представляет собой коллоидный кремнезем, а активатор составляет 20-60% мас. и представляет собой смесь гидроксида кальция, гидроксида натрия и кремнефтористого натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60%, 10-30% и 10-30% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 40-80% и представляет собой тонкомолотый портландцемент, или высококальциевую золу-унос, или смесь молотого шлака с модулем основности ≥1 и коллоидного кремнезема, в соотношении 60-80% и 20-40% мас. соответственно, а активатор составляет 20-60% мас. и представляет собой смесь гидроксида натрия, хлорида кальция, силиката натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60%, 10-30% и 10-30% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой низкокальциевую золу-унос, или молотый шлак с модулем основности менее единицы, или силикат натрия, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой хлорид кальция,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой полуводный сульфат кальция α- или β-модификаций, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой смесь глиноземистого цемента и сульфата натрия или силиката натрия, в соотношении 80-95% и 5-20% мас. соответственно, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой борогипс, или фосфогипс, или гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно.

Также заявленные технические результаты достигаются способом кондиционирования грунта, при котором компоненты вносят в грунт путем инъекционной пропитки, или нагнетанием при высоком давлении методом гидроразрыва, или нагнетанием при сверхвысоких давлениях и интенсификацией перемешивания слоев грунта под действием давления, причем компоненты представляют композицию для кондиционирования грунта включающую два компонента: растворы структурообразователя и активатора, причем

структурообразователь составляет 40-80% мас. и представляет собой коллоидный кремнезем, а активатор составляет 20-60% мас. и представляет собой смесь гидроксида кальция, гидроксида натрия и кремнефтористого натрия или сульфата натрия соотношении 40-60%, 10-30% и 10-30% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 40-80% и представляет собой тонкомолотый портландцемент или высококальциевую золу-унос или смесь молотого шлака с модулем основности ≥1 и коллоидного кремнезема, в соотношении 60-80% и 20-40% мас. соответственно, а активатор составляет 20-60% мас. и представляет собой смесь гидроксида натрия, хлорида кальция, силиката натрия или сульфата натрия, в соотношении 0-60%, 10-30% и 10-30% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой низкокальциевую золу-унос,или молотый шлак с модулем основности менее единицы,или силикат натрия, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой хлорид кальция,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой полуводный сульфат кальция α- или β-модификаций, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой смесь глиноземистого цемента и сульфата натрия, или силиката натрия в соотношении 80-95% и 5-20% мас. соответственно, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно,

или

структурообразователь составляет 60-90% мас. и представляет собой борогипс, или фосфогипс, или гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, а активатор составляет 10-40% мас. и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или ездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70% мас. соответственно.

Внесение композиции в грунт могут осуществлять одновременно по отдельным, но близким друг к другу точкам подачи, например, посредством использования двух параллельных труб или систем "труба в трубе", либо последовательно, однако в данном случае разница между внесением одного и второго компонента не должна быть более 7 суток.

Осуществление изобретения

Разработанная композиция, состоящая из двух компонентов: растворов структурообразователя и активатора, позволяет связывать свободную воду, находящуюся в грунте, в гели и кристаллогидраты (возможно лучше такое выражение: растворов структурообразователя и активатора, которые при реакции между собой снижают текучесть грунта, качественно изменяя свойства водонасыщенного плывунного грунта). Так, при нахождении в грунтовой среде происходит реакция компонентов и образование коллоидных систем, изменяющих структурные свойства грунта, тем самым повышается вязкость системы «грунт-вода», а соответственно снижается влажность грунта и обеспечивается возможность выбуривания грунта, который в первоначальном состоянии имел консистенцию «кефир». Кроме того, происходит консолидация, повышается стабилизация и водонепроницаемость плывунного грунта, что позволяет решать ряд геотехнических задач.

Осуществляют внесение компонентов композиции либо раздельно, либо одновременно. Причем последовательность внесения в грунт компонентов не имеет решающего значения, т.к. важно именно наличие компонентов в грунте. Так, структурообразователь уже сам по себе обеспечивает образование коллоидной системы. Однако данный процесс очень длительный, а соответственно, не имеет целесообразности при выполнении геотехнических работ, стабилизация и консолидация происходят в течение долгосрочного периода. Для ускорения вводится активатор, который и ускоряет процесс образования коллоидной системы, что обеспечивает приемлемое время при проведении работ.

Вместе с тем, разница между введением первого компонента и второго компонента не должна превышать более 7 суток, т.к. происходит потеря активности внесенного компонента и снижение эффективности реакции с другим компонентом из-за реакции компонента с веществами, содержащимися в грунте, снижения концентрации ввиду сложной гидрогеологии в плывунных грунтах.

Более предпочтительным является вариант одновременного внесения компонентов в грунт по отдельным, но максимально близким друг к другу точкам подачи, т.к. происходит интенсификация процесса реакции компонентов, например, посредством использования двух параллельных труб или систем «труба в трубе». Так как точки выхода растворов компонентов будут находится рядом, то вероятность наиболее полного прохождения реакции гарантируется с большей степенью точности. Соответственно, чем быстрее проводится работа, тем меньше производственные издержки.

Внесение в грунт указанных компонентов может осуществляться известными методами, которые хорошо известны специалистам в данной области, в частности, такими как, например, инъекционная пропитка, нагнетание при высоком давлении методом гидроразрыва, нагнетание при сверхвысоких давлениях и интенсификацией перемешивания слоев грунта под действием давления.

Далее изобретение иллюстрируется примерами, которые представлены не с целью ограничения изобретения, а с целью его иллюстрации.

Исходный грунт: водонасыщенный грунт, по гранулометрическому составу - мелкий песок, водосодержание - 24,5%, текучесть по стандартному малому конусу - 26,5 см, водоотделение 6,5%.

В пробу грунта добавляли раздельно структурообразователь в виде водного раствора в соотношении 1:1 (50% воды - 50% структурообразователь) и водный раствор активатора в соотношении 1:1 (50% воды - 50% активатора). Соотношение 1:1 было взято для привязки результатов друг к другу, консистенция полученных растворов - текучая жидкость, иногда с осадком или взвесью. В опыте учитывалось процентное содержание композиции по сухому веществу. Активатор и структурообразователь в заданных дозировках тщательно перемешивались в объеме плывунного грунта.

Эффективность композиции оценивалась по изменению консистенции - текучести по стандартному малому конусу в % от первоначальной текучести грунта через 24 часа после внесения в пробу плывунного грунта двух композиций.

Пример 1.1. Табл. 1.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 30%, активатор - 20%

Снижение показателя текучести: на 65%, водоотделение отсутствует.

Пример 2.1. Табл. 2.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 27,5%, активатор - 22,5%

Снижение показателя текучести: на 51%, водоотделение отсутствует.

Пример 2.2. Табл. 2.2.

Грунт - 50%, структурообразователь - 27,5%, активатор - 22,5%

Снижение показателя текучести: на 47%, водоотделение отсутствует.

Пример 3.1. Табл. 3.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 27%, активатор - 23%

Снижение показателя текучести: на 43%, водоотделение отсутствует.

Пример 3.2. Табл. 3.2.

Грунт - 50%, структурообразователь - 27%, активатор - 23%

Снижение показателя текучести: на 48%, водоотделение отсутствует.

Пример 4.1. Табл. 4.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 21%, водоотделение отсутствует.

Пример 4.2. Табл. 4.2.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 24%, водоотделение отсутствует.

Пример 4.3. Табл. 4.3.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 23%, водоотделение отсутствует.

Пример 5.1. Табл. 5.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 29%, водоотделение отсутствует.

Пример 5.2. Табл. 5.2.

Грунт - 50%, структурообразователь - 40%, активатор - 10%

Снижение показателя текучести: на 31%, водоотделение отсутствует.

Пример 6.1. Табл. 6.1.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 31%, водоотделение отсутствует.

Пример 6.2. Табл. 6.2.

Грунт - 50%, структурообразователь - 45%, активатор - 5%

Снижение показателя текучести: на 31%, водоотделение отсутствует.

Примеры по группе составов №1: грунт - 50%, структурообразователь - 30%, активатор - 20%

Снижение показателя текучести: на 59%, водоотделение - 0,5%

Снижение показателя текучести: на 49%, водоотделение - 0,6%

Снижение показателя текучести: на 48%, водоотделение - 0,1%

Снижение показателя текучести: на 44%, водоотделение - 0,6%

Снижение показателя текучести: на 38%, водоотделение - 0,4%

Снижение показателя текучести: на 35%, водоотделение - 0,9%

Снижение показателя текучести: на 37%, водоотделение - 0,7%

Таблицы показателей снижения текучести и водоотделения.

Таким образом, можно увидеть то, что использование предлагаемой композиции позволяет понижать влагосодержание грунта и изменять его консистенцию, что в свою очередь позволяет свободно извлекать грунт путем выбуривания и обеспечить возможность захвата грунта шнеком ТПМК.

Группа изобретений относится к кондиционированию грунта при работе туннелепроходческих механизированных комплексов ТПМК в забое, консолидации и стабилизации плывунных водонасыщенных грунтов. Композиция для кондиционирования грунта включает по сухому веществу раствор структурообразователя в количестве 40-80 мас.%, представляющего собой коллоидный кремнезем, раствор активатора в количестве 20-60 мас.%, представляющего собой смесь гидроксида кальция, гидроксида натрия и кремнефтористого натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60, 10-30 и 10-30 мас.% соответственно. При этом представлены альтернативные варианты указанной выше композиции с приведением различных видов структурообразователей и активаторов. В способе кондиционирования грунта компоненты указанной выше композиции вносят в грунт путем инъекционной пропитки, или нагнетанием при высоком давлении методом гидроразрыва, или нагнетанием при сверхвысоких давлениях и интенсификацией перемешивания слоев грунта под действием давления. Способ развит в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат - обеспечение бурения в обводненных грунтах (плывунах) высокой степени текучести с захватом выбуренного грунта шнеками ТПМК, консолидации и стабилизации плывунных грунтов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 28 табл., 12 пр.

1. Композиция для кондиционирования грунта, характеризующаяся тем, что включает два компонента, в соотношении по сухому веществу: раствор структурообразователя и раствор активатора, причем
структурообразователь составляет 40-80 мас.% и представляет собой коллоидный кремнезем, а активатор составляет 20-60 мас.% и представляет собой смесь гидроксида кальция, гидроксида натрия и кремнефтористого натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60%, 10-30% и 10-30 мас.% соответственно,
или
структурообразователь составляет 40-80% и представляет собой тонкомолотый портландцемент, или высококальциевую золу-унос, или смесь молотого шлака с модулем основности ≥ 1 и коллоидного кремнезема в соотношении 60-80% и 20-40 мас.% соответственно, а активатор составляет 20-60 мас.% и представляет собой смесь гидроксида натрия, хлорида кальция, силиката натрия или сульфата натрия в соотношении 40-60%, 10-30% и 10-30 мас.% соответственно,
или
структурообразователь составляет 60-90 мас.% и представляет собой низкокальциевую золу-унос или молотый шлак с модулем основности менее единицы, или силикат натрия, а активатор составляет 10-40 мас.% и представляет собой хлорид кальция,
или
структурообразователь составляет 60-90 мас.% и представляет собой полуводный сульфат кальция α- или β-модификаций, а активатор составляет 10-40 мас.% и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70 мас.% соответственно,
или
структурообразователь составляет 60-90 мас.% и представляет собой смесь глиноземистого цемента и сульфата натрия или силиката натрия, в соотношении 80-95% и 5-20 мас.% соответственно, а активатор составляет 10-40 мас.% и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70 мас.% соответственно,
или
структурообразователь составляет 60-90 мас.% и представляет собой борогипс, или фосфогипс, или гипсоцементно-пуццолановое вяжущее, а активатор составляет 10-40 мас.% и представляет собой известь гашеную, или квасцы, или буру, или животный клей, или мездровый клей, или костяной клей, или сульфитно-спиртовую барду, или лимонную кислоту, или борную кислоту, или уксусную кислоту, или малеиновую кислоту, или щавелевую кислоту, или винную кислоту, или полимер винилацетат, или эфиры целлюлозы, или уксуснокислый кальций и магний, или углекислый кальций и магний, или смесь казеина с гидроксидом натрия в соотношении 30-60% и 40-70 мас.% соответственно.

2. Способ кондиционирования грунта, характеризующийся тем, что компоненты вносят в грунт путем инъекционной пропитки или нагнетанием при высоком давлении методом гидроразрыва или нагнетанием при сверхвысоких давлениях и интенсификацией перемешивания слоев грунта под действием давления, причем компоненты представляют композицию по п.1.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что осуществляют одновременное внесение компонентов в грунт по отдельным, но близким друг к другу точкам подачи.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что одновременное внесение компонентов осуществляют посредством использования двух параллельных труб или систем "труба в трубе".

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что осуществляют последовательное внесение компонентов, причем разница между внесением одного и второго компонента не должна превышать более 7 суток.