способ усиления водонасыщенных грунтов

Формула изобретения

Способ усиления водонасыщеных грунтов, включающий бурение скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания и введение под давлением в грунт крепящего раствора с образованием в грунте плоскости разрыва, отличающийся тем, что бурение скважины и выполнение продольного концентратора напряжений в пределах зоны нагнетания производят под давлением крепящего раствора с плотностью, исключающей оплывание стенки скважины и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжения, причем в качестве крепящего раствора используют вспененный цементо-грунтовый раствор, а нарезку концентратора осуществляют в скважине, заполненной вышеуказанным раствором, путем продольного поступательного перемещения устройства, включающего трубу, наконечник и вращающийся резец, при этом наконечник выполнен в виде центрального стержня с кольцевым центрирующим элементом, закрепленным с помощью ребер на центральном стержне и имеющим боковую прорезь для выдвижения резца, а также свободные полости для прохождения крепящего раствора при поступательном движении устройства в скважине.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к технологии и оборудованию для усиления слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов в основании зданий и сооружений, а также может быть использовано при создании лабиринтных завес с целью снижения антропогенной деградации геологической среды в местах захоронения отходов и направлено на снижение стоимости, энергоемкости и повышение качества работ.

Известен способ закрепления грунтов, включающий бурение скважины, нарезание на ее стенке продольного концентратора напряжений специальным устройством, запирание рабочей части скважины, образование вертикальной плоскости разрыва, с последующим инъецированием закрепляющего раствора (Фатеев Н.Т., Карякин В.Ф. «Инъекционное закрепление грунтов с использованием направленных гидроразрывов». Тезисы докладов Х Всесоюзного научно-технического совещания по закреплению и уплотнению грунтов. - М.: Стройиздат, 1983 - 176 с.).

Недостатком известного способа является невозможность использования его при укреплении слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтов в связи с оплыванием стенки скважины, а также некачественная нарезка концентратора напряжений по всей длине скважины и ненадежное запирание ее верхней части, что приводит к выбиванию раствора и удорожанию работ.

Известно устройство для направленного нагнетания в грунт крепящих растворов, включающее центральную трубу с выпускным отверстием, сообщающиеся верхнюю и нижнюю эластичные камеры, полый корпус с расположенной в нем трубчатой направляющей, по которой перемещается поршень, и контактирующий с поршнем выдвижной резец (авт. свид. № 1636518 «Устройство для направленного нагнетания крепящих реагентов в грунт», 1991).

При работе таким устройством выдвинутый и неподвижно закрепленный на нем резец в слабых водонасыщенных грунтах создает некачественный оплывающий надрез на стенке скважины, устройство имеет сложную конструкцию, исключена возможность убирания резца при извлечении инъектора, возможен переток тампонажного раствора в зону инъецирования, что приводит к снижению качества работ и их удорожанию.

Известен способ закрепления лессовых просадочных грунтов, включающий образование скважины, выполнение в ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания, введение под давлением в грунт крепителя с образованием в грунте плоскости разрыва и инъектор для его осуществления, который имеет трубу, наконечник и резец треугольной в сечении формы высотой 0,33 диаметра наконечника (авт. свид. № 1444473 «Способ закрепления лессовых просадочных грунтов и инъектор для закрепления лессовых просадочных грунтов», 1988).

Недостатком известного решения является создание концентратора напряжений треугольной формы по всей длине скважины, оплывание его в пластичных и водонасыщенных грунтах, возможность «задиров» при попадании включений, некачественное запирание зоны инъецирования за счет вибрации при погружении запорной части, необходимость изготовления большого количества металлических элементов, сложность погружения и извлечения инъектора на большую глубину, жесткое закрепление резца на наконечнике, что делает нечетким, создаваемый концентратор при попадании на твердые включения.

Известен способ усиления водонасыщенных грунтов основания фундаментов путем возведения буроинъекционных свай с исключением оплывания стенок скважины. Способ включает бурение скважины с обеспечением устойчивости ее оплывающих стенок путем установки обсадных труб либо применением глинистого бентонитового раствора в качестве промывочной жидкости при бурении шарошечным долотом (см. «Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из буроинъекционных свай». НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, Москва, 1982 г., п.п.3.2 в), г), стр.10).

Недостатком известного способа является необходимость приготовления и использования специального раствора из бентонитовой глины, организации технологии по сбору и повторному использованию бурового раствора, отсутствие указаний по назначению плотности бентонитового раствора при разной глубине бурения в разных по свойствам грунтах, что приводит к снижению качества, повышению трудоемкости, длительности работ, а также к их усложнению и удорожанию.

Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению (прототип) является способ, включающий образование скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания и введение под давлением в грунт крепящего раствора с образованием в грунте плоскости разрыва, выполнение продольного концентратора напряжений производят выдвижением, вдавливанием и последующим прокатыванием в пределах зоны нагнетания выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, соединенного с фиксатором стопорным элементом, а запирание верхней части скважины осуществляют заполнением быстротвердеющим материалом зазора между стенкой скважины и устройством для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины (см. патент на изобретение № 2260092 «Способ усиления грунтов и устройство для его осуществления». Бюллетень изобретений, № 25, 2005 г.).

Недостатком известного способа является некачественная нарезка концентратора напряжений и его оплывание при работе в слабых водонасыщенных и структурно-неустойчивых грунтах, невозможность устройства концентратора в жидкой среде и растворах и ввиду этого возможность выполнения операции по введению под давлением в грунт крепителя с образованием плоскости разрыва только при установке и поэтапном извлечении обсадных труб.

Задачей изобретения является исключение оплывания стенки скважины и обеспечение возможности нарезки концентратора напряжений, а техническим результатом - снижение стоимости, энергоемкости и повышение качества работ.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе, включающем образование скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания и введение под давлением в грунт крепящего раствора с образованием в грунте плоскости разрыва, бурение скважины и выполнение продольного концентратора напряжений в пределах зоны нагнетания производят под давлением крепящего раствора с плотностью, исключающей оплывание стенки скважины и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжения, а нарезку концентратора осуществляют в скважине, заполненной вышеуказанным раствором, путем продольного поступательного перемещения устройства с вращающимся резцом.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, включающего трубу, наконечник и вращающийся резец, наконечник которого выполнен с кольцевым центрирующим элементом, закрепленным с помощью ребер на центральном стержне и имеющим боковую прорезь для выдвижения резца, а также свободные полости для прохождения крепящего раствора при поступательном движении устройства в скважине.

Сущность изобретения поясняется чертежами, изображенными на фиг.1÷6.

На фиг.1 показан продольный разрез скважины 8 при ее бурении под давлением крепящего раствора с плотностью, исключающей оплывание стенки скважины и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжения; на фиг.2 - продольный разрез скважины и устройство по п.2 формулы, опущенное в крепящий раствор в сложенном состоянии на проектную отметку; на фиг.3 - то же и устройство по п.2 формулы с выдвинутым вращающимся резцом 3 в момент нарезки концентратора на стенке скважины, заполненной вышеуказанным раствором; на фиг.4 - сечение А-А; на фиг.5 - сечение Б-Б; на фиг.6 - сечение В-В.

Предлагаемый способ усиления грунтов осуществляется с помощью устройства по п.2 формулы (см. фиг.2÷6), которое включает трубу 1, наконечник в виде центрального стержня 2, вращающийся резец 3, размещенный в проточке стержня 2, выполненный в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы и соединенный с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки. Наконечник в виде центрального стержня 2 выполнен с кольцевым центрирующим элементом 4, закрепленным с помощью ребер 5 на центральном стержне и имеющим боковую прорезь 6 для выдвижения вращающегося резца 3, а также свободные полости 7 для прохождения крепящего раствора при поступательном движении устройства в скважине 8.

Устройство по п.2 формулы нарезает на стенке скважины 8, заполненной раствором, концентратор напряжений 9. При введении под давлением в массив грунта 10 крепящего раствора образуется вертикальная плоскость разрыва 11 с армоэлементом 12.

Для исключения выбивания крепителя запирание верхней части скважины осуществляют заполнением быстротвердеющим материалом (например, гипсом) зазора между стенкой скважины и устройством для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой (см. патент на изобретение № 2260092).

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала производят бурение скважины 8 и выполнение продольного концентратора напряжений 9 в пределах зоны нагнетания под давлением крепящего раствора (например, вспененного цементогрунтового раствора) с плотностью, исключающей оплывание стенки скважины и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжения 9, путем продольного поступательного перемещения устройства с вращающимся резцом 3. Расход компонентов и параметры вспененных цементогрунтовых растворов, а также особенности их приготовления приведены в ТСН 50-306-2005 «Основания и фундаменты повышенной несущей способности», г.Ростов-на-Дону, 2006 г.

Плотность крепящего раствора, исключающая оплывание стенки скважины и обеспечивающая устойчивость и форму концентратора напряжения, может определяться с учетом свойств закрепляемого водонасыщенного грунта по формуле

где µ₀ - коэффициент общей относительной поперечной деформации для водонасыщенных связных грунтов (0,35-0,45);

_гр - плотность водонасыщенного связного грунта, равная 1,9-2,0 г/м³.

Величина требуемой плотности крепящего раствора при разных значениях коэффициента общей относительной поперечной деформации для водонасыщенных связных грунтов, определенная по формуле (1), дана в таблице 1.

Таблица 1
Суглинки и глины	Мягкопластичные	Пластичные	Текучепластичные	Текучие
µ0	0,350	0,375	0,400	0,425	0,450
р, т/м3	1,10	1,20	1,33	1,48	1,64

Устройство по п.2 опускается в заполненную раствором скважину 8 до начала зоны нагнетания. Затем при помощи стопорного элемента в виде скобы и вилки резец 3, размещенный в проточке наконечника 2 и выполненный в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, выдвигается через прорезь 6 кольцевого центрирующего элемента 4, закрепленного с помощью ребер 5 на центральном стержне наконечника 2, вдавливается в стенку скважины и крепится к трубе 1 фиксатором. На боковой поверхности скважины путем прокатывания вращающегося резца 3 в пределах зоны нагнетания выполняют надрез чечевичной формы, который является концентратором напряжений 9. При поступательном движении устройства по п.2 крепящий раствор (например, вспененный цементогрунтовый раствор) проходит через свободные полости 7 кольцевого центрирующего элемента 4.

После завершения нарезки концентратора напряжений 9 фиксатор отсоединяется от трубы 1 и с помощью стопорного элемента в виде скобы и вилки резец 3 опускают в исходное положение и размещают в проточке наконечника 2, а затем извлекают устройство из скважины. При этом крепящий раствор проходит через свободные полости 7 кольцевого центрирующего элемента 4, не препятствуя извлечению устройства.

На следующем этапе для исключения выбивания крепителя осуществляют запирание верхней части скважины заполнением быстротвердеющим материалом зазора между стенкой скважины 8 и устройством для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой.

Крепитель через отверстия перфорированной трубы из эластичного материала вводится под давлением в рабочую часть скважины и на участке концентратора напряжений 9 образует плоскость разрыва 11, при подаче в которую крепителя происходит формирование армирующего элемента 12 и укрепление окружающего массива грунта 10. После завершения армирования и сброса давления устройство извлекается из скважины.

В качестве примера конкретного выполнения способа и применения устройства для его осуществления рассмотрим порядок операций при стабилизации неравномерных осадок слабых водонасыщенных грунтов в основания жилого дома в г.Ростове-на-Дону.

В основании фундаментов залегали водонасыщенные суглинки текучепластичной консистенции с _гр=1,98 г/м³, µ=0,42, мощностью 4,0 м ниже подошвы фундамента, подстилаемые глинами. Нижняя отметка подошвы фундамента находилась на глубине 2,0 м от поверхности земли. Армирование выполнялось в виде системы вертикальных плоских элементов из цементогрунта по всей площади плитного фундамента здания. При этом расстояние между плоскостями разрыва было принято 1,0 м, а размеры элементов составили: высота 4,0 м, длина 1,6 м, а толщина 0,05 м.

На участке работ использовали устройство по п.2 формулы, которое имело наконечник, выполненный с кольцевым центрирующим элементом, закрепленным с помощью ребер на центральном стержне и имеющий боковую прорезь для выдвижения резца, а также свободные полости для прохождения вспененного цементогрунтового раствора при поступательном движении устройства в скважине 70 мм.

Наконечник был снабжен резцом в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы 66 мм, который имел толщину средней части 16 мм при угле заточки 35°. В выдвинутом состоянии резец выступал за контур наконечника на 20 мм. Резец в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы был установлен на планках в проточку, выполненную в наконечнике, и соединялся с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки. Конструкция наконечника, выполненного с кольцевым центрирующим элементом, закрепленным с помощью ребер на центральном стержне и имеющим боковую прорезь для выдвижения резца, а также свободные полости для прохождения крепящего раствора, при поступательном движении устройства обеспечивала свободное погружение устройства в скважину, выдвижение, вдавливание и прокатывание вращающегося резца с выполнением продольного концентратора напряжений на стенке скважины, заполненной вспененным цементогрунтовым раствором, а также последующее его извлечение на последнем этапе.

Работы выполнялись следующим образом. На первом этапе была пробурена скважина 70 мм и глубиной 6,0 м буровой установкой УКБ 12/25. Скважина бурилась под давлением вспененного цементогрунтового раствора с плотностью _p=1,98×0,42/1-0,42=1,43 г/см³ , исключающей оплывание стенки скважины и обеспечивающей устойчивость и форму концентратора напряжения, то есть с использованием рабочего крепящего раствора. Введение низких концентраций ПАВ в используемый раствор позволило повысить технологические свойства цементогрунтовых суспензий за счет достижения высокой подвижности и тиксотропности составов, снижения седиментации и их расслоения в течение 3,5-4,0 часов.

Затем в скважину, заполненную раствором, погружалось устройство по п.2 формулы. При этом раствор свободно проходил через полости 7 кольцевого центрирующего элемента 4. На глубине 2,0 м при помощи стопорного элемента в виде скобы и вилки из прорези наконечника был выдвинут резец в виде вдавливаемого, вращающегося диска в форме чечевицы и вдавлен в стенку скважины. Положение резца было закреплено путем его соединения с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки.

При дальнейшем погружении устройства до глубины 6,0 м на стенке скважины путем прокатывания резца в виде вращающегося диска выполнялся концентратор напряжения в форме чечевицы глубиной 20 мм. При поступательном движении устройства вспененный цементогрунтовый раствор проходил через свободные полости 7 кольцевого центрирующего элемента 4 и обеспечивал устойчивое положение стенки скважины и концентратор напряжения в форме чечевицы глубиной 20 мм. После нарезки концентратора диск убирался в паз наконечника, и устройство извлекалось из скважины.

Затем в скважину с нарезанным концентратором напряжения опускалось устройство в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой, а пространство между скважиной, трубой и манжетой заполнялось быстротвердеющим материалом (гипсом), после схватывания которого через перфорированную часть трубы вводился под давлением крепитель (вспененный цементогрунтовый раствор) объемом 350 л согласно патенту на изобретение № 2122068.

Нагнетание велось с интенсивностью подъема давления 0,4 МПа в минуту. При достижении давления 0,5 МПа было замечено резкое падение давления, что свидетельствовало об образовании плоскости разрыва. Дальнейшее нагнетание велось с меньшим давлением, не превышающим 0,5 МПа. После подачи в скважину всего объема раствора и сброса давления устройство в виде перфорированной трубы извлекалось из скважины. Срез зоны упрочнения на глубине 3 м от поверхности земли показал наличие вертикальной плоскости разрыва, заполненной цементогрунтовым камнем, толщина которого составила 50-60 мм.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа и устройства для его осуществления подтверждается технико-экономическим расчетом. Стоимость уплотнения и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу и известному (прототип) приведена в таблице 2.

Таблица 2
№ пп.	Наименование показателей	Ед. изм.	Величина показателя
Прототип	Предлагаемый способ
1.	Сметная стоимость укрепления и армирования 1 м3 грунта в ценах 2001 г. В том числе:	руб.	137,60	101,62
	-бурение скважины под вспененным цементогрунтовым раствором	руб.	-	7,82
	-бурение скважины с установкой и извлечением обсадной трубы	руб.	43,8	-
	-погружение и извлечение устройства с нарезкой концентратора	руб.	3,9	3,9
	-установка и извлечение устройства для нагнетания раствора с заполнением алебастром зазора между стенкой скважины и устройством	руб.	3,0	3,0
	-приготовление и нагнетание вспененного цементогрунтового раствора	руб.	86,9	86,9
Примечание: Показатели в таблице даны без учета стоимости материалов.

Как видно из таблицы, сметная стоимость укрепления и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу на 26% меньше, чем по известному способу (прототип).

Таким образом, предлагаемый способ усиления водонасыщенных грунтов и устройство для его осуществления позволяют обеспечить техническую возможность нарезки концентратора напряжений на стенке скважины, исключить ее оплывание, снизить стоимость и энергоемкость работ, а также повысить их качество.