Способ закрепления водонасыщенных грунтов

Изобретение относится к строительству, а именно к искусственному закреплению водонасыщенных грунтовых оснований инженерных сооружений. Способ закрепления водонасыщенных грунтов включает обработку грунта газом и введение в грунт закрепляющего раствора. Закрепление грунта производят послойно, начиная с нижнего слоя путем погружения инъектора с теряемым наконечником до нижнего слоя закрепляемого грунта. При этом сначала производят обработку грунта для обезвоживания зоны закрепления путем нагнетания воздуха через боковые отверстия инъектора под давлением, превышающим давление от собственного веса грунта, находящегося над закрепляемым слоем, но недостаточным для разрушения природной структуры грунта. Затем в грунт вводят закрепляющий раствор путем подачи его через боковые и нижнее отверстия инъектора, при этом в процессе закрепления инъектор извлекают из грунта до следующего по высоте слоя закрепления. Технический результ состоит в повышении эффективности закрепления водонасыщенных грунтов и расширении диапазона применяемых для закрепления грунтов материалов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к строительству, а именно к искусственному закреплению водонасыщенных грунтовых оснований инженерных сооружений.

Известен способ цементации грунтов, когда для закрепления грунтов, обладающих достаточной водопроницаемостью (коэффициент фильтрации более 80 м/сут), применяют нагнетание через инъекторы цементного раствора в грунт (С.Б.Ухов и др.: Механика грунтов, основания и фундаменты. - М.: изд-во АСВ, 1994. - 523 с., с.335). Ограниченность рассматриваемого способа заключается в невозможности создания однородной зоны закрепления в водонасыщенных грунтах, а также высокой вероятности образования зон разрывов и трещин в них при давлениях, создаваемых закрепляющим раствором.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ закрепления грунтов (см. а.с. №312921, МКИ Е 02 D 3/14. Опубл. в БИ, 1971, №26). Способ осуществляется в следующей последовательности: грунт перед нагнетанием раствора вяжущего обрабатывается углекислым газом в количестве 1-2 кг на 1 м³ грунта. В качестве вяжущего используют синтетические смолы типа карбамидной смолы либо силиката натрия.

В качестве недостатков известного способа можно перечислить следующие:

- невозможность создания обезвоженной зоны в водонасыщенных грунтах для беспрепятственного проникновения закрепляющего раствора в грунт ввиду возможной химической реакции углекислоты и недостаточного давления газа, подаваемого в грунт;

- применение эффективно только в лессовых карбонатных грунтах;

- необходимость использования углекислоты в значительных объемах.

Ограниченность способа по прототипу заключается также в том, что для увеличения радиуса закрепления и повышения однородности закрепления необходим эффект самовакуумирования. Для реализации этого эффекта производят химическую реакцию между углекислотой и раствором силиката натрия.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение эффективности закрепления водонасыщенных грунтов и расширение диапазона применяемых для закрепления грунтов материалов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе закрепления водонасыщенных грунтов, включающем обработку грунта газом и введение в грунт закрепляющего раствора, закрепление грунта производят послойно, начиная с нижнего слоя, при помощи инъектора, который погружают в грунт до нижнего слоя закрепляемого грунта, а извлечение инъектора производят ступенчато, при этом обработку грунта газом - воздухом производят путем нагнетания его через боковые отверстия инъектора под давлением, превышающим давление от собственного веса грунта, находящегося над закрепляемым слоем, введение в грунт закрепляющего раствора производят путем подачи его через боковые и нижнее отверстия инъектора. Способ заключается также в том, что в грунте, расположенном вокруг инъектора, создают зону с пониженным давлением с помощью погруженных в грунт перфорированных трубчатых элементов.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что в качестве элементов, повышающих эффективность закрепления водонасыщенных грунтов, используют предварительное воздействие на них давлением сжатого воздуха, величина которого должна превышать давление от собственного веса вышележащего грунта в рассматриваемой точке. При этом происходит вытеснение воды из пор грунта и создается обезвоженная зона, в которую и вводится закрепляющий раствор. Для ускорения и более полного вытеснения воды из пор грунта в грунте вокруг инъектора создают зону с пониженным давлением с помощью погруженных в грунт перфорированных трубчатых элементов.

Процесс закрепления водонасыщенных грунтов можно объяснить следующим образом.

Известно, что закрепление грунтов заключается в искусственном улучшении строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-химическими методами. Для этого в большинстве случаев в грунт нагнетаются различные закрепляющие растворы. Нагнетание растворов в грунт осуществляется через систему погруженных в грунт инъекторов или через пробуренные скважины. В процессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет введения в грунт и последующего твердения определенных реагентов. В результате этого близлежащие частицы прочно скрепляются друг с другом, образуя жесткий скелет. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению внешней среды, особенно влажности. Для водопроницаемых грунтов, имеющих в порах свободную воду, а также минимальную площадь контактов всех частиц, т.е. когда твердые частицы соприкасаются в отдельных точках, вся поверхность каждой такой частицы воспринимает давление окружающей воды, в результате чего осуществляется полное взвешивание грунта. Для полностью водонасыщенных грунтов вертикальные напряжения от собственного веса грунта на глубине Z, считая от поверхности грунта, равны произведению удельного веса грунта с учетом взвешивающего действия воды на глубину Z. Таким образом, для проникновения закрепляющего раствора в окружающий массив грунта необходимо вытеснение воды из пор грунта, находящейся под давлением от веса вышележащей толщи. Известно также, что для движения воды необходим некоторый градиент напора, вызванный теми или иными физическими причинами. Скорость напорного движения грунтовых вод зависит от размеров пор грунта, сопротивлений по пути фильтрации и величины действующих напоров. В этой связи воздействие на грунтовую воду непосредственно закрепляющим раствором, находящимся под давлением, неприемлемо по следующим причинам:

- взаимодействие закрепляющего раствора с водой может привести к ухудшению его качества (изменению концентрации закрепляющего вещества в самом растворе);

- благодаря значительной вязкости закрепляющего раствора и наличию значительного давления, необходимого для введения его в грунт, следовательно, передающегося и на поровую воду, может произойти не пропитывание, а раскалывание грунта. Малейшая неоднородность, особенно в мелкозернистых и слабопроницаемых грунтах, способствует очень быстрому образованию ходов и трещин, через которые и устремляется жидкость;

- неоднородность напластования грунтов вызывает при нагнетании в него раствора неравномерность его распространения в различных слоях. Степень неравномерности проникновения раствора в отдельные слои зависит от соотношения коэффициентов фильтрации этих слоев. Воздействие же закрепляющего раствора на поровую воду в этом случае должно вестись по схеме, при которой закрепление должно начинаться со слоев с большим коэффициентом фильтрации. Учитывая анизотропию фильтрационных свойств грунтов и проблематичность определения в этом случае достоверных значений коэффициентов фильтрации, следует заключить, что реализация такого режима закрепления грунта будет сложной задачей. К этому следует добавить опасность возникновения в неоднородном по строению грунтовом основании вышеупомянутых трещин и ходов, по которым может перемещаться закрепляющий раствор. Это связано с неопределенностью величины давления закрепляющего раствора, необходимого для отжатия воды из пор грунта каждого слоя, обладающего своим значением коэффициента фильтрации. Таким образом, последовательное воздействие на водонасыщенный грунт сжатым воздухом, величина давления которого определяется расчетом и свойствами закрепляющего раствора, является эффективным средством закрепления грунта.

В отличие от прототипа, где грунт предварительно обрабатывают углекислым газом в количестве, недостаточном для вытеснения воды из пор, и где возможна химическая реакция углекислоты с трудно предсказуемыми последствиями для закрепления грунта, например, для конфигурации и однородности закрепляемой зоны, в заявленном способе можно создать закрепленную зону вполне определенных размеров и обладающую однородностью свойств. Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что он позволяет подавать закрепляющий раствор в грунт под малым давлением (в сравнении с другими способами введения в грунт аналогичных растворов в т.ч. и в прототипе) и с большей степенью точности формировать размеры закрепляемой зоны водонасыщенного грунта, обладающей необходимой однородностью свойств. Это связано с тем, что в грунтах, имеющих в порах свободную воду, для создания начального градиента напора необходимо в каждой точке закрепляемой зоны создать давление, превышающее давление от веса вышележащей толщи грунта. Значения этого давления, учитывая фактические глубины закрепления грунтов в практике строительства, характеризуются небольшими величинами. Эти величины достаточны для вытеснения воды из пор грунта, но не достаточны для разрушения природной структуры грунта с образованием трещин, ходов и пустот, тем более что вокруг каждого инъектора создаются зоны с пониженным давлением. Таким образом, воздействие на каждый слой водонасыщенного грунта давлением сжатого воздуха, определяемым расчетом, с одновременным формированием в нем зон с пониженным давлением, рассматривается как необходимый подготовительный этап перед введением закрепляющего раствора. В отличие от прототипа, где количество подаваемого газа регламентировано вполне определенной величиной, в предлагаемом способе количество и давление подаваемого воздуха принимается по расчету в соответствии с конкретными инженерно-геологическими условиями, глубиной залегания закрепляемого слоя и степенью разрежения в зонах с пониженным давлением, т.е. процесс закрепления грунтов становится управляемым.

Это обусловливает применение ступенчато извлекаемого инъектора, отверстия которого расположены в нижней части. Такое решение позволяет избирательно закреплять отдельные слои грунта, независимо от их положения относительно дневной поверхности. Введение же закрепляющего раствора следует рассматривать как процесс замещения в порах вытесненной сжатым воздухом воды. При этом отжатие воды из пор может быть полным или частичным в зависимости от вида закрепляющего раствора и характера его реакции с водой. Этому способствуют зоны с пониженным давлением, формируемые вокруг каждого инъектора, когда начальный градиент напора, необходимый для отжатия воды из пор грунта, может быть создан и за счет разности давлений воздуха в инъекторах и перфорированных трубчатых элементах.

На фиг.1 показан инъектор 1, направления движения сжатого воздуха 2, теряемый наконечник 3, перфорированный трубчатый элемент 4, верхняя граница водонасыщенного грунта 5, отметка нижнего конца инъектора на 1-й стадии закрепления грунта 6.

На фиг.2 показан инъектор 1, теряемый наконечник 3, частично извлеченный перфорированный трубчатый элемент 4, верхняя граница водонасыщенного грунта 5, направление движения закрепляющего раствора 7.

На фиг.3 показан инъектор 1, теряемый наконечник 3, перфорированный трубчатый элемент 4, верхняя граница водонасыщенного грунта 5, закрепленный массив грунта 8, промежуточная отметка нижнего конца инъектора на 2-й стадии закрепления грунта 9 (после частичного извлечения инъектора из грунта).

На фиг.4 показан инъектор 1, направление движения сжатого воздуха 2, теряемый наконечник 3, перфорированный трубчатый элемент 4, закрепленный массив грунта 8, отметка нижнего конца инъектора на 3-й стадии закрепления грунта 10 (воздействие на грунт сжатым воздухом).

Реализация способа закрепления водонасыщенных грунтов осуществляется в следующей последовательности:

С поверхности грунтового основания производят погружение в грунт (забивкой или задавливанием) инъектора 1 с теряемым наконечником 3. Погружение производят до необходимой глубины. Затем вокруг инъектора 1 на расстоянии, которое определяется расчетом, в грунт погружают перфорированный трубчатый элемент 4 до глубины, соответствующей глубине погружения инъектора 1.

Вокруг каждого перфорированного трубчатого элемента 4 создают зону с пониженным давлением. Для этого к верхнему открытому концу перфорированного трубчатого элемента 4 присоединяют горизонтальный трубопровод, по которому происходит подача сжатого воздуха, например, от того же самого компрессора, который используется для нагнетания сжатого воздуха в инъектор 1. Тем самым создается эффект пульверизатора и внутри перфорированного трубчатого элемента 4 возникает разрежение. Производится подача сжатого воздуха в инъектор 1 с давлением, превышающим давление от собственного веса вышележащего грунта на отметке 6. Величины давления воздуха в инъекторе 1 и разрежения в перфорированных трубчатых элементах 4 должны быть определены расчетом и могут быть проверены результатами испытаний для каждого слоя закрепляемого грунта. При этом происходит отжатие воды из пор грунта.

После обезвоживания зоны закрепления грунта в инъектор 1 подается под давлением закрепляющий раствор 7. Одновременно начинается частичное извлечение из грунта перфорированного трубчатого элемента 4, создающего при этом вокруг себя зону с пониженным давлением.

В процессе закрепления нижнего слоя грунта, а именно подачи закрепляющего раствора 7, инъектор 1 постепенно извлекается из грунта (промежуточная отметка его нижнего конца 9). При этом теряемый наконечник 3 остается в грунте на отметке 6, а образовавшаяся скважина заполняется через открытый нижний конец инъектора 1 закрепляющим раствором. Таким образом, формируется закрепленная зона грунта 8. Размер зоны закрепления определяется расчетом в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий.

Для закрепления следующего по высоте слоя водонасыщенного грунта нижняя часть инъектора полностью извлекается до отметки его нижнего конца 10. Далее производится создание вокруг каждого перфорированного элемента 4 зон с пониженным давлением, воздействие на грунт сжатым воздухом 2, воздействие закрепляющим раствором 6 с частичным извлечением перфорированных трубчатых элементов 4, инъектора 1 и заполнением образовавшейся скважины закрепляющим раствором.

Таким же образом выполняются и другие зоны закрепления водонасыщенного грунта, считая по высоте скважины. При этом давления сжатого воздуха и закрепляющего раствора для каждой зоны выбираются исходя из конкретных инженерно-геологических параметров закрепляемого слоя, отметки нижнего конца инъектора и степени ее обезвоживания в результате воздействия сжатым воздухом на нижележащие зоны, а также с учетом степени разрежения, создаваемого зонами с пониженным давлением.

В предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:

- возможность эффективного закрепления водонасыщенных грунтов;

- высокая надежность способа за счет создания однородной по составу и свойствам закрепляемой зоны в условиях водонасыщенных грунтов;

- относительно низкая стоимость реализации способа за счет применения управляемого расхода закрепляющего раствора.

1. Способ закрепления водонасыщенных грунтов, включающий обработку грунта газом и введение в грунт закрепляющего раствора, отличающийся тем, что закрепление грунта производят послойно, начиная с нижнего слоя, путем погружения инъектора с теряемым наконечником до нижнего слоя закрепляемого грунта, при этом сначала производят обработку грунта для обезвоживания зоны закрепления путем нагнетания воздуха через боковые отверстия инъектора под давлением, превышающим давление от собственного веса грунта, находящегося над закрепляемым слоем, но недостаточным для разрушения природной структуры грунта, а затем в грунт вводят закрепляющий раствор путем подачи его через боковые и нижнее отверстия инъектора, при этом в процессе закрепления инъектор извлекают из грунта до следующего по высоте слоя закрепления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в расположенном вокруг инъектора грунте создают зону с пониженным давлением с помощью погруженных в грунт перфорированных элементов, в которых создают разрежение, при этом частичное извлечение перфорированных элементов начинают одновременно с подачей в инъектор закрепляющего раствора.