СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРУНТОГЛИНИСТОЙ СВАИ Российский патент 2022 года по МПК E02D5/46 

Область техники

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, к созданию противофильтрационных завес в грунтовых массивах для локализации и предотвращения миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и захоронения отходов различного класса.

Предшествующий уровень техники

Для снижения фильтрации грунтов весьма распространена инъекционная технология, суть которой заключается в нагнетании в грунт изоляционного затвердевающего или гелеобразующего материала. Подача материала может производиться с использование насосов среднего давления 5-20 атм, при этом ударно-вращательный механизм выполняет бурение грунта и подает раствор вглубь. Раствор, располагаясь в полостях, капиллярных трактах, в поровом пространстве грунта снижает, общий коэффициент фильтрации грунта.

Такой способ раскрыт в патенте на изобретение RU 2439246, опубликованном 10.01.2012, где описан способ укрепления грунта, включающий бурение скважин, установку в них инъекторов, имеющих перфорированную часть, нагнетание через инъекторы под пригрузом инъекционного цементного раствора в грунт с обеспечением его гидроразрыва при давлении 5-20 атм, причем инъекторы после укрепления грунта не извлекают из него. При этом в цементный раствор, состоящий из цемента и воды, добавляют или глину бентонитовую, или жидкое стекло, или глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль и жидкое стекло, или цементную пыль, глину бентонитовую и жидкое стекло, или цементную пыль, песок мелкой фракции и жидкое стекло.

Также известен патент на полезную модель RU 131747, опубликованный 27.08.2013, в котором описан противофильтрационный экран, выполненный в виде единого грунтоцементного армированного массива, состоящего из металлических, неизвлекаемых инъекторов в виде труб диаметром 32-92 мм, которые имеют глухую и перфорированную части, забитых в предварительно пробуренные скважины, расположенные в шахматном порядке в несколько рядов, а через инъекторы в грунт под пригрузом введен инъекционный глинобентонитово-цементный или цементно-песчаный раствор, причем расстояние между инъекторами находится в обратной зависимости от коэффициента фильтрации водонасыщенного грунта в месте производства работ. Инъекцию ведут под рабочим давлением 5-15 атм.

Основным недостатком технологии инъектирования при давлениях 5-20 атм через стальные инъекторы является то, что изоляционный материал проникает неравномерно в грунтовый массив и образует элементы экрана (сваи) неправильной конфигурации и неравномерной толщины по длине, что усложняет проведение контроля качества работ и контроля расхода изоляционного материала, а также снижают общую надежность конструкции.

Для устройства противофильтрационных завес и экранов широко известны конструкции с применением буроинъекционных свай, например противофильтрационная защитная конструкция, которая включает выполненные в грунте на расстоянии друг от друга буроинъекционные сваи патент RU 2211283, опубликованном 27.08.2003. Сваи выполняют путем погружения в грунт тела вращения, затем в устье образованной скважины с вставленным телом вращения подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание тела вращения на дневную поверхность за счет его обратного вращения.

Недостатками свайных конструкций являются потребность в мощной технике с рабочей массой более 50 т, для устройства свай, а также динамические воздействия на объекты, расположенные в зоне работы такой техники. Также, невозможно выполнять работы в условиях склонов, на скальных грунтах.

Также известна технология создания противофильтрационных завес из грунто-цементных свай с применением технологии струйной цементации «Jet-grouting».

Наиболее близким по технической части является патент RU 2467126, опубликованный 20.11.2012, в котором описывается способ устройства сваи, которую выполняют в два приема – прямого и обратного хода буровой колонны. Во время прямого хода производят бурение скважины. Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор. При обратном ходе буровой колонны с одновременным подъемом и вращением буровой колонны в сопла, расположенные на нижнем конце буровой колонны, под высоким давлением подают рабочую бетонную смесь с равномерно распределенным по объему смеси армирующим наполнителем, вес которого составляет от 1 до 4% от общего веса формируемой грунтобетонной сваи.

К недостаткам данной конструкции относятся: наличие «холодных» швов в бетоне между соседними сваями, высокий коэффициент фильтрации бетона свай вследствие смешивания его с местным грунтом и общего снижений качества цементного камня в структуре бетона. Так же данная грунтобетонная свая подвержена появлению трещин при деформациях и осадках грунта.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание долговечного элемента противофильтрационного экрана (грунтоглинистой сваи) с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1х10^-11-1х10^-12 м/с, с применением которого возможно выполнение противофильтрационного экрана высокой сплошности.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является долгосрочная изоляция грунтовых вод и природного грунта от миграции загрязняющих веществ из объектов размещения отходов за счет применения противофильтрационного экрана, изготовленного из материалов на основе природных минеральных компонентов, например бентонитовой и/или другой глины.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения грунтоглинистой сваи, включающем бурение скважины и подачу под давлением в полученную скважину высокопластичного глинистого инъекционного состава под давлением 400-600 атм через инъекционные форсунки в массив грунта при обратном ходе буровой штанги установки струйной цементации без применения армирующего наполнителя.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в качестве пластифицирующих добавок используются фосфорсодержащие комплексоны, а в качестве гидрофобизирующих добавок используются основные соединения щелочных и щелочноземельных металлов.

Указанный технический результат достигается также за счет гибкого подхода к рецептуре бурового раствора при бурении перед проведением собственно инъектирования. Сущность подхода заключается в том, что при сооружении грунтоглинистых свай в условиях бурения в плотных, необводненных грунтах в качестве бурового раствора используется техническая вода. При сооружении грунтоглинистых свай в рыхлых и/или обводненных грунтах используется буровой раствор на основе смеси базового состава вяжущей композиции с технической водой в соотношении базовый состав:вода от 1:0 до 1:0,5 соответственно. При этом буровой раствор на основе базового состава вяжущей композиции при бурении выполняет функцию первичного оттеснения грунтовой воды из порового пространства для улучшения сплошности гелеобразной структуры грунтоглинистой сваи в результате проведения инъектирования.

Инъектирование высокопластичного глинистого состава при создании грунтоглинистой сваи приводит к заполнению пустот обрабатываемого грунта гелеобразной структурой. Активное поглощение грунтовой воды материалом грунтоглинистой сваи происходит по кристаллическому и осмотическому механизмам набухания за счет присутствия в составе высококоллоидального компонента. Связывание поглощенной воды за счет электростатических сил компонентами состава приводит к снижению коэффициента проницаемости грунта. Получаемое в результате инъектирования устойчивое гелеобразное тело имеет коэффициент фильтрации в диапазоне 1х10^-11 - 1х10^-12 м/с.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 изображена технологическая схема приготовления и подачи инъекционного состава к буровой установке;

на фиг. 2 и 3 – этапы технологической схемы устройства грунтоглинистой сваи, прямой и обратный ход соответственно.

Вариант осуществления изобретения

Состав работ по устройству грунтоглинистой сваи включает:

1. Приготовление бурового раствора.

2. Приготовление инъекционного состава.

3. Бурение направляющих скважин с параллельным спуском монитора в скважину.

4. Установку его на проектной глубине.

5. Подъем монитора с одновременной подачей инъекционного состава через сопла (форсунки), размыв в грунте полостей и заполнение их грунтоглинистым материалом.

6. Извлечение рабочего органа и перемещение агрегата на новую точку.

Приготовление инъекционного состава осуществляется в результате диспергирования агента на основе природных минеральных компонентов, например бентонитовой и/или другой глины, который хранится в силосе (1) в водной фазе.

Глинистый агент из силоса (1) и вода из емкости для воды (2) подаются в миксерную установку (3), где происходит перемешивание в смесителе (4) при скорости вращения 10000 об/мин в течение 10 мин, после чего в полученную суспензию вводятся последовательно микронаполнитель, пластифицирующая добавка и гидрофобизирующая добавка. Время перемешивания суспензии после введения каждой из добавок составляет 5 мин. Готовый инъекционный состав направляют насосом для перекачки (5) в накопитель раствора (6).

Из накопителя (6) инъекционный состав посредством насоса для перекачки (7) подается в насос струйной цементации (8). Давление нагнетания состава зависит от характеристик обрабатываемых грунтов и проектных размеров грунтоглинистых свай. Как правило, давление нагнетания инъекционного состава должно находиться в пределах от 40,0 МПа до 80,0 МПа, далее раствор подается в буровую установку (9).

После установки буровой штанги (10) и монитора (11) на проектной глубине при неподвижном его положении проводится разрушение грунта в течение 1-2 мин (до появления пульпы из скважины), затем увеличивается расход, давление раствора и воздуха до рабочих величин, после чего начинают подъем монитора (11) с одновременным постоянным вращением. Давление воздуха обеспечивается за счет применения в сети воздушного компрессора (13). Монитор (11) поднимается с одной скоростью, непрерывно. Максимально допустимая скорость подъема должна быть в диапазоне от 0,5-4 см/с.

Нормальный процесс устройства свай сопровождается выносом на дневную поверхность от 30 до 40 % от общего количества приготовленного объема инъектируемого раствора.

Выполненный заявленным способом элемент экрана для защиты природного грунта (грунтоглинистая свая) (12) по сравнению с наиболее близким аналогом RU 2467126 имеет следующие преимущества.

1. Противофильтрационный экран из грунтоглинистых свай не имеет швов, характеризуется высокой сплошностью и перекрываемостью соседних элементов, что значительно увеличивает изоляционные свойства экрана. Сплошность экрана обеспечивается даже при разрывах в производстве работ более 1 суток.

2. Грунтоглинистая свая имеет гелеобразное состояние и имеет потенциал для набухания бентонитового наполнителя вследствие чего обладает более высокой устойчивостью к вибрационным воздействиям, а также к деформациям грунта.

3. При применении в качестве изоляционного агента высокопластичных глинистых материалов готовая грунтоглинистая свая не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, не подвержена старению и коррозии, поскольку в конструкции не используются металлические армирующие элементы.

4. Грунтоглинистая свая за счет применения изоляционного агента высокопластичных глинистых материалов обладает высокой сорбционной емкостью к основным радионуклидам и тяжелым металлам.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к созданию противофильтрационных завес в грунтовых массивах для локализации и предотвращения миграции загрязняющих веществ из заглубленных, подземных и надземных объектов накопления (бассейнов, амбаров, хранилищ, резервуаров, емкостей, бункеров, полигонов, зданий и сооружений) и захоронения отходов различного класса. Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является повышение долговечности гидроизоляционного экрана за счет устройства элементов экрана (грунтоглинистых свай), не подверженных воздействию вибрационных нагрузок, не имеющих «холодных» швов сопряжения. Технический результат достигается за счет применения в качестве изолирующего агента природных минеральных компонентов, например бентонитовой и/или другой глины, что приводит к заполнению пустот обрабатываемого грунта гелеобразной структурой. Указанный технический результат достигается также за счет гибкого подхода к рецептуре бурового раствора при бурении перед проведением собственно инъектирования. Сущность подхода заключается в том, что при сооружении грунтоглинистых свай в условиях бурения в плотных, необводненных грунтах в качестве бурового раствора используется техническая вода. При сооружении грунтоглинистых свай в рыхлых, обводненных грунтах используется буровой раствор на основе смеси базового состава вяжущей композиции с технической водой в соотношении базовый состав:вода от 1:0 до 1:0,5 соответственно. При этом буровой раствор на основе базового состава вяжущей композиции при бурении выполняет функцию первичного оттеснения грунтовой воды из порового пространства для улучшения сплошности гелеобразной структуры грунтоглинистой сваи в результате проведения инъектирования. Активное поглощение грунтовой воды материалом грунтоглинистой сваи происходит по кристаллическому и осмотическому механизмам набухания за счет присутствия в составе высококоллоидального компонента. Связывание поглощенной воды за счет электростатических сил компонентами смеси приводит к снижению коэффициента проницаемости. Применение высокопластичных глинистых материалов обеспечивает высокую сорбционную емкость грунтоглинистой сваи по отношению к основным радионуклидам и тяжелым металлам. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения грунтоглинистой сваи, включающий бурение скважины и подачу под давлением в полученную скважину инъекционного состава для гидроизоляции и укрепления природного грунта, отличающийся тем, что производят инъектирование высокопластичного водного раствора вяжущей композиции на основе бентонитовой глины под давлением 400-600 атм через инъекционные форсунки монитора в массив грунта при обратном ходе буровой штанги установки струйной цементации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве бурового раствора для условий бурения в плотных, необводненных грунтах используется техническая вода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве бурового раствора для условий бурения в рыхлых и/или обводненных грунтах используется буровой раствор по рецептуре: базовый состав вяжущей композиции:техническая вода в соотношении от 1:0 до 1:0,5.