СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРУНТОГЛИНИСТОЙ СВАИ
METHOD FOR PRODUCING A CLAY SOIL PILE

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
-11
-12
Задачей изобретения является создание долговечного элемента противофильтрационного экрана (грунтоглинистой сваи) с коэффициентом фильтрации в диапазоне 1х10-1х10 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.
-11
-12
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 - 1х10 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.