ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ЭКРАН

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при инженерной подготовке строительных площадок в целях защиты котлована под строящееся здание, сооружение от наполнения его грунтовыми водами, поступающими как с бортов котлована, так и через его дно в том случае, когда коэффициент фильтрации окружающего грунта превышает допустимые нормы. Кроме того, полезная модель может быть использована для усиления водонепроницаемости ограждающих водоемы дамб.
Для устройства противофильтрационных экранов в настоящее время широко известны свайные конструкции, например, противофильтрационная инженерно-защитная конструкция, которая включает выполненные в грунте на расстоянии друг от друга буроинъекционные сваи (патент РФ №2211283, МПК E02D 5/56, опубл. 27.08.2003). Сваи выполняют путем погружения в грунт монолитного 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 сложность установки на площадке между существующим зданием и откапываемым котлованом мощной техники, необходимой для устройства свай, а также динамические воздействия на вблизи расположенные здания от работы такой техники. Кроме того, невозможно выполнять работы в условиях крутых склонов, на скальных породах, в стесненных условиях ввиду опасности подвижки грунтов или их просадки.
Известны технологии «стена в грунте», например, по патенту РФ №.2447228 (МПК E02B 3/16, опубл. 10.04.2012) противофильтрационный экран получают в результате выкапывания траншеи по периметру сооружаемого экрана, в которую нагнетают цементный раствор с помощью высоконапорного инъектирования, и укладывают дренажные трубы.
Недостатком является невозможность откопки траншей в стесненных условий при производстве работ, а также возможное создание полного барража при устройстве «стены в грунте», которое приведет к изменению направления подземных вод под основанием находящихся в непосредственной близости зданий и сооружений. Кроме того, работы по известным аналогам имеют высокую стоимость.
Задачей полезной модели является повышение эффективности и расширение области применения противофильтрационного экрана, упрощение и удешевление работ по его созданию.
Технический результат достигается за счет создания в результате применения полезной модели практически однородного техногенного массива с низкими фильтрационными свойствами и увеличенной несущей способностью, а также за счет возможности устройства экрана практически на всех видах грунтов для различных по своему назначению сооружений.
Задача решается противофильтрационным экраном, выполненным 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.
Согласно полезной модели:
- при работах на склонах все инъекторы обвязываются посредством сварки на уровне поверхности земли круглой сталью диаметром 10-40 мм или стальной проволокой;
- при работах по укреплению ограждающих водоемы дамб экран занимает площадь по всему телу дамбы, а глубина установки инъекторов составляет сумму высоты дамбы, глубины водоема и 100-200 см ниже дна водоема;
- экран выполнен двухрядовым, или трехрядовым, или сплошным по всей площади укрепляемого водонасыщенного грунта, а его глубина превышает глубину расположения водонасыщенного грунта на 100-150 см;
- в одной скважине расположены несколько различных по высоте инъекторов, предназначенных для цементации различных по глубине слоев грунта, а перфорированная часть каждого последующего инъектора расположена ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее;
- скважины пробурены вертикально и/или наклонно, или лучевым расхождением;
- каждый инъектор зафиксирован в скважине пакером, который может быть как поверхностным, так и глубинным;
- инъекционный раствор, нагнетаемый в инъекторы, содержит не менее 30% цемента, 70% глинобентонита и воды, или часть глинобентонита заменяют песком мелкой фракции, кроме того, раствор может содержать жидкое натриевое или калийное стекло из расчета 3-5 кг на 1 кубический метр раствора;
- перфорированная часть инъектора не превышает 10-12 м.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где показан заявляемый противофильтрационный экран:
на фиг.1 - схема расположения инъекторов противофильтрационного экрана, предназначенного для ограждающей водоем дамбы, в толще тела дамбы;
на фиг.2 - схема расположения инъекторов при его трехрядовом выполнении, вид сверху.
Противофильтрационный экран (фиг.1 и фиг.2) содержит металлические неизвлекаемые инъекторы 1. Позицией 2 обозначено тело дамбы, позицией 3 - образованный грунтоцементный армированный массив, позицией 4 - дно водоема.
Сооружение противофильтрационного экрана осуществляют следующим образом.
На первом этапе проводят разметку будущих скважин под бурение и последующую забивку в них инъекторов 1. Разметка ведется по естественному рельефу или по уже отстроенной дамбе (в случае выполнения экрана в теле дамбы), начиная с крайнего инъектора, привязанного рабочим проектом к определенной точке (край дамбы, борт котлована). Сетка или расстояние между инъекторами определяется с учетом коэффициента фильтрации в грунтах. Чем больше коэффициент фильтрации, тем меньше расстояние между инъекторами. Например, грунты на объекте, обозначенном в таблице №1 под №1, имеют коэффициент фильтрации, равный 0,55 м\сут. Данные грунты входят в категорию сильноводопроницаемых. Расстояние по сетке между инъекторами в данном случае минимальное от 1×1 м до 2×2 м. Грунты на объекте, обозначенном в таблице под №2, имеют коэффициент фильтрации 0,08 м/сут. Данные грунты входят в категорию водопроницаемых. Расстояние по сетке между инъекторами в данном случае от 2×2 м до 3×3 м.
После забивки всех инъекторов 1, если работы ведутся на откосе или на осыпаемой поверхности дамбы, производится их обвязка круглой сталью или стальной проволокой (не показано) по отметке дневной поверхности. Обвязка производится способом сварки края круглой стали с телом инъектора 1.
Затем в инъекторы 1 нагнетают инъекционный раствор, который содержит не менее 30% цемента, 70% глинобентонита и воды. Часть глинобентонита можно заменить песком мелкой фракции. В раствор также может быть добавлено жидкое натриевое или калийное стекло 3-5 кг на 1 кубический метр раствора для сокращения времени формирования техногенного массива.
При устройстве трехрядового и сплошного противофильтрационного экрана инъекционный раствор вначале нагнетают через инъекторы крайних рядов или инъекторы 1-го и 3-го ряда (при трехрядовой завесе), или 1-го ряда инъекторов, расположенных по контуру укрепляемого массива (если экран выполняют сплошным по всей площади дна котлована), причем инъекционный раствор готовят в более вязкой консистенции с применением быстротвердеющих добавок, что позволяет создать экран, препятствующий прорыву инъекционного раствора за пределы цементируемой зоны, и дает ощутимую экономию расходных материалов.
При установке в одну скважину двух или трех инъекторов, предназначенных для поочередной цементации двух или трех зон по различной глубине расположения, перфорированная часть каждого из них расположена ниже перфорированной части предыдущего, не перекрывая ее. При этом при установке двух инъекторов второй инъектор будет иметь глухую часть, равную перфорированной части первого инъектора, а при установке третьего инъектора высота его глухой части будет складываться из суммы высот перфорированных частей первого и второго инъектора для точного растекания инъекционного раствора по каждой из зон укрепления (цементации) по глубине. Например, расположенные на теле дамбы 2 инъекторы в одной точке инъецирования будут следующими: 1-й инъектор имеет глухую часть 1 м, перфорированную часть 7 метров от отметки 0.00 (абсолютный ноль) 0-8 м, тогда второй инъектор длиной 14 м будет иметь глухую часть 8 метров от 0-8 м и перфорированную часть 6 м с -8 до -14 м от отметки 0.00. При наличии в одной точке инъектирования двух или трех инъекторов цементацию зон грунта по глубине производят поэтапно-нисходящим или восходящим способом (от более короткого инъектора к более длинному или наоборот).
Количество рядов устанавливаемых инъекторов не должно быть менее 2-х. Инъекторы в рядах размещаются в шахматном порядке.
Укрепление грунтов выполняют под пригрузом, создаваемым вышележащими естественными грунтами, телом сооружения или специальной плитой. Вес, деформационные свойства, несущая способность и водопроницаемость пригрузочного слоя должны обеспечивать проведение цементации при проектном давлении раствора без нарушения сплошности пригрузочного слоя и без утечки цементного раствора на поверхность или в пригрузочный слой. Цементацию ведут под рабочим давлением от 5-15 атм.
Порядок и условия проведения цементационных работ для создания противофильтрационного экрана различен в зависимости от свойств грунтов, поставленных задач. Например, нагнетание растворов в трещиноватых скальных и закарстованных грунтах, где задачей является понижение коэффициента фильтрации для снижения риска замачивания растворимых грунтов, и которое приводит к распространению карстообразующего процесса, нагнетание инъекционного раствора производят в одну зону, сразу на всю глубину цементации. Величина зоны устанавливается проектом.
Нагнетание инъекционного раствора через остальные инъекторы при устройстве 3-х рядовых и сплошных экранов и через все проектные инъекторы при устройстве 2-х рядовых экранов ведутся постепенным сближением, начиная с максимальных расстояний между инъекторами, при которых гидравлическая связь между ними при нагнетании раствора практически отсутствует. В случае усложнения с нагнетанием проектного количества растворов инъекционный раствор подают в зону цементации через каждый инъектор поэтапно, создавая в зоне цементации послойное грунто-цементное соединение. После введения 1\3 проектного количества растворов скважину промывают и заливают глино-бентонитовым раствором, перекрывают шаровым краном, устанавливаемым на каждый инъектор. Отстаивают в таком положении сутки, после чего возобновляют работы по вводу через данную скважину в грунт оставшегося количества раствора. В результате образуется грунтоцементный армированный массив 3.
По окончании цементационных работ надземную часть инъектора срезают и заливают цементной пробкой.
Полезная модель поясняется таблицами 1-3, в которых показаны примеры применения заявляемого технического решения на конкретных объектах (3 объекта).
Таблица 1.
№ объекта
Вид грунтов в месте производства работ, особенности
Цель работ
Состав растворов, использованные добавки
1
Грунты сильноводопроницаемы, открытые карстовые полости, мергель, аргилит, песчаник, карстово-суффозионный процесс
Понижение фильтрационных свойств грунтов в основании свайных фундаментов с целью локализации карстового процесса
Цемент, вода, глинобентонит, песок мелкой фракции.
2
Насыпные грунты, суглинки, текучепластичные глины.
Понижение фильтрационных свойств грунтов для предотвращения подтапливания котлована под новое строительство.
Цемент, вода, глинобентонит, натриевое жидкое стекло
3
Насыпные грунты составляющей которых являются глины, песок крупной фракции
Понижение фильтрационных свойств грунтов в теле ограждающей водоем дамбы
Цемент, вода, глинобентонит, калийное жидкое стекло
Таблица 2.
Характеристики фильтрационных свойств грунтов до устройства противофильтрационного экрана
№ объекта
Модуль деформации, Mna
удельное сцепление, Mna
коэффициент фильтрации, мсутк.
коэффициент пористости
угол внутреннего трения, град.
природная влажность, д,ед.
число пластичности, д,ед.
показатели текучести, д,ед.
плотн с/см3
1
15
0,024
0,55
0,78-0,087
19
1,8
2
9
0,03
0,08
18
1,89
3
13
0,03
0,1
16
0,17
0,01
1,9
Таблица 3.
№ объекта
Физико-механические свойства грунтов после устройства противофильтрационного экрана
модуль деформации, Мпа
удельное сцепление, Мпа
коэффициент фильтрации, мсутк.
коэффициент пористости
угол внутреннего трения, град.
плотность, г/см3
1
25
0,038
0,008
22
2,2
2
20
0,06
0,01
24
2,25
3
22
0,05
0,001
21
2,3
В результате применения полезной модели в обрабатываемом грунте создается армированный техногенный массив с низкими фильтрационными свойствами и увеличенной несущей способностью. Созданный техногенный массив состоит из природных грунтов, вкраплений цементного камня, других введенных в грунт компонентов и неизвлекаемых стальных инъекторов, являющихся вертикальным элементом армирования техногенного массива. Техногенный массив наравне с высокой несущей способностью имеет фактически водонепроницаемую структуру. Противофильтрационный экран заменяет дорогостоящие противофильтрационные сооружения, выполняемые другими способами. Свойства грунтов изменяются в соответствии с таблицей 3.
Производство работ по устройству противофильтрационного экрана является экологически чистым, оборудование для производства работ не осуществляет вредных выбросов в атмосферу, так как работает от электрических блоков питания. Производство является почти безотходным.
Сооружение противофильтрационного экрана возможно практически на всех видах грунтов: скальных и полу скальных в основании зданий и сооружений, в том числе в откосах котлованов, закарстованных, несвязных (песок, гравий, галечник), насыпных и просадочных.
Таким образом, применение полезной модели позволяет повысить эффективность и расширить область применения противофильтрационного экрана, упростить и удешевить работы по его созданию.