СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛОНН, ВОЗВОДИМЫХ В ГРУНТЕ МЕТОДОМ СТРУЙНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

Изобретение относится к подземному строительству и предназначено для определения эффективных технологических параметров возведения грунтовых колонн методом струйной геотехнологии.

Известен способ определения параметров колонн, возводимых в грунте методом струйной геотехнологии, включающий устройство скважины на всю длину колонны с последующим размывом и частичным замещением грунта инъекционным рабочим раствором с постоянными расходом и давлением рабочего раствора через сопла гидромонитора, поднимаемого с постоянной скоростью подъема и вращения гидромонитора до образования колонны, и определение параметров колонны в соответствии со свойствами грунта путем измерений в опытных шурфах. Технологический процесс состоит из следующих операций: бурение лидерной скважины диаметром порядка ⌀100 мм до проектной отметки низа выполняемой колонны, нагнетание инъекционного раствора через насадки гидромонитора под давлением, расположенного внизу буровой колонны, с одновременным вращением и подъемом до проектной отметки верха выполняемой колонны. В результате происходи закрепление массива грунта с образованием цементогрунтового материала, имеющего значительно более высокие прочностные и противофильтрационные характеристики по сравнению с исходным грунтом. Возведенная таким образом колонна может иметь относительно большие различия в диаметре и прочности в зависимости от глубины, грунтовых условий и внешней нагрузки на грунт основания. Эта проблема является еще более острой, когда колонна из закрепленного массива грунта формируется на значительной глубине. Способ определения геометрических параметров выполняемых колонн заключается в реализации экспериментальных колонн с задаваемыми параметрами, а впоследствии верхнюю часть колонны откапывают для визуального определения их диаметра и отбора образцов для испытания на прочность /1/.

Недостатком известного способа является достаточно трудоемкий и затратный процесс, и он не позволяет достоверно определить диаметр колонны в ее заглубленной части.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения параметров колонн, возводимых в грунте методом струйной геотехнологии, путем формирования измерительной системы на глубину колонны из закрепленного грунта, включающий бурение скважины на всю длину колоны с последующим размывом и частичным замещением грунта инъекционным рабочим раствором с постоянными расходом и давлением рабочего раствора, скоростью подъема и вращения гидромонитора до формирования колонны и определение параметров колонны в соответствии со свойствами грунта. Способ заключается в формировании измерительной системы, образованной трубчатым элементом, длина которого по существу равна длине цементогрунтовой колонны. Трубчатый элемент оборудован множеством электродов эмиссии, предназначенных для измерения разности электрических потенциалов, связанных с источником электрической энергии и со средствами измерения электрического потенциала. Выполняют бурение эталонной скважины в грунте, размещают в ней измерительную систему, получают серию эталонных измерений. Просверливают в подлежащей тестированию колонне осевое отверстие, вводят измерительную систему в это осевое отверстие в колонне и осуществляют измерение электрического напряжения на разных глубинах. Обрабатывают полученные таким образом реальные замеры при помощи эталонных измерений и получают информацию на различных глубинах /2/.

При таком способе определения диаметра колонны требуется выполнение самой цементогрунтовой колонны, а после этого сверление отверстия в выполненной цементогрунтовой колонне, погружение в него аппаратуры и проведение измерений. Определение геомечрических характеристик цементогрунтовой колонны, выполненной по струйной геотехнологии, требует непосредственного ее формирования и потому является достаточно трудоемким и затратным процессом. В случае применения данных методик для назначения реальных эффективных параметров технологического процесса для выполнения работ по струйной геотехнологии необходимо реализовать на опытном участке последовательно несколько экспериментальных колонн. Затем после выполнения экспериментальных колонн можно произвести необходимые измерения, откопку или бурение с целью отбора пробы закрепленного массива и визуальной оценки полученных результатов и только после этого принять требуемые параметры технологического процесса, что при применении струйной геотехнологии в условиях плотной городской застройки невозможно.

Техническая задача заключается в упрощении способа, снижении затрат и повышении точности определения геометрических параметров цементогрунтовых колонн по всей глубине возведения колонны в зависимости от свойств грунта.

Поставленная задача решается таким образом, что в способе определения диаметра колонн, возводимых в грунте методом струйной геотехнологии, включающем устройство скважины на всю длину колоны с последующим размывом с частичным замещением грунта инъекционным рабочим раствором с постоянными расходом и давлением рабочего раствора и скоростью подъема гидромонитора до образования колонны и определение диаметра колонны в соответствии со свойствами грунта, согласно изобретению, в процессе устройства скважины производят отбор образца грунта грунтоотборником с гильзой длиной, кратной диаметру колонны, после чего гильзу с образцом грунта устанавливают в горизонтальном положении и под прямым углом одним концом жестко соединяют с цилиндрическим кондуктором, диаметр полости которого соответствует диаметру скважины, а другой конец закрывают крышкой, оснащенной измерительной системой, затем в полости кондуктора соосно гильзе с образцом грунта размещают гидромонитор и под постоянным давлением рабочим раствором осуществляют размыв грунта образца, после этого по времени размыва грунта образца определяют скорость подъема гидромонитора по формуле , где V - скорость подъема гидромонитора, d_г - диаметр гильзы грунтоотборника, t - время размыва образца грунта, и определяют радиус приведенного сечения колонны по формуле R=L+d_k/2, где R - радиус приведенного сечения колонны, L - длина гильзы грунтоотборника, d_k - диаметр цилиндрического кондуктора, после этого задают значения технологических параметров для формирования колонны с заданными параметрами.

Кроме того, в процессе размыва грунта образца со стороны крышки гильзы грунтоотборника может быть создано давление, соответствующее боковому давлению грунта. При этом размыв грунта производят цементным раствором. При этом в процессе размыва грунта из кондуктора могут производить отбор цементогрунтовой смеси для формования образцов-кубов для определения прочности образцов на сжатие.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что в процессе устройства скважины грунтоотборником с гильзой длиной, кратной диаметру колонны, производят отбор образца грунта, гильзу с образцом грунта устанавливают в горизонтальное положение и под прямым углом одним концом жестко соединяют с цилиндрическим кондуктором, диаметр полости которого соответствует диаметру скважины, а другой конец закрывают крышкой, оснащенной измерительной системой, затем в полости кондуктора соосно гильзе с образцом грунта размещают гидромонитор и под постоянным давлением рабочим раствором осуществляют размыв грунта образца, после этого по времени размыва грунта образца определяют скорость подъема гидромонитора по формуле и определяют радиус приведенного сечения колонны по формуле R=L+d_k/2, после этого задают значения технологических параметров для формирования колонны с заданными параметрами.

Предлагаемый лабораторный или полевой метод определения геометрических параметров колонн, выполняемых по струйной геотехнологии, заключается в измерении времени размыва образцов грунта и, в случае если инъекционный рабочий раствор является цементным, отборе полученной цементогрунтовой смеси для дальнейшей оценки прочностных и деформационных свойств, водопроницаемости и др. параметров закрепленного грунтового массива по принятой струйной геотехнологии. При этом эффективные параметры технологического процесса определяются непосредственно с грунтами, взятыми на строительной площадке на проектной глубине при давлении, равном бытовому в зоне расположения конкретной цементогрунтовой колонны.

При производстве работ по струйной геотехнологии основными факторами, влияющими на конечный результат закрепления, являются физико-механические характеристики грунта, давление на глубине предполагаемого закрепления и параметры технологического процесса. Основными параметрами технологического процесса являются следующие:

1) давление размывающей жидкости;

2) расход размывающей жидкости;

3) диаметр и количество форсунок в мониторе;

4) скорость вращения монитора;

5) состав размывающей жидкости (вода/цемент/бентонит);

6) скорость подъема монитора.

Первые четыре параметра являются постоянными для комплекта технологического оборудования, а пятый назначается из условия получения требуемых прочностных и деформационных характеристик закрепленного массива грунта. Последний параметр определяется в зависимости от требуемых геометрических размеров (диаметра приведенного сечения) колонны закрепленного грунта. Чем меньше скорость подъема монитора, тем больше диаметр колонны. Прочностные характеристики закрепленного массива грунта также увеличиваются при уменьшении скорости подъема монитора.

Следовательно, задавая первые четыре параметра постоянными для данного инженерно-геологического элемента и изменяя последние два, можно получить требуемые геометрические параметры и прочность цементогрунтовой колонны. При этом минимизировать расход инъекционного рабочего раствора вяжущего возможно при увеличении скорости подъема гидромонитора. Скорость подъема гидромонитора является отношением высоты подъема гидромонитора H ко времени t.

Технический результат заключается в упрощении технологии возведения цементогрунтовых колонн с заданными параметрами, повышении точности определения параметров колонны, расширении технологических возможностей проведения испытаний как в полевых, так и в лабораторных условиях и снижении затрат.

Способ позволяет подбирать все шесть технологических параметров: давление размывающей жидкости, расход размывающей жидкости, диаметр и количество форсунок в гидромониторе, скорость вращения гидромонитора, состав размывающей жидкости, скорость подъема гидромонитора, и выявить их оптимальное соотношение, добиваясь наименьших потерь инъекционного рабочего раствора, и получить при этом проектные геометрические, прочностные, деформационные и фильтрационные характеристики закрепляемого грунтового массива в колонне.

Способ поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема отбора образца грунта; фиг.2 - схема размыва образца грунта.

Способ осуществляют следующим образом.

Способ представляет собой имитацию гидравлического разрушения грунтового массива при формировании колонны из закрепленного грунта по струйной геотехнологии путем выделения из колонны единичного элемента высотой H и радиусом R на заданной глубине h.

Производят отбор пробы грунта на глубине h, соответствующей отметке выполняемого впоследствии участка колонны из закрепленного грунтового массива. Отбор грунта производят грунтоотборником 1 с цилиндрической гильзой 2, переходником 3 для монтажа на буровую штангу буровой установки и ножевой частью 4 путем задавливания грунтоотборника 1 в грунтовый массив. Диаметр гильзы 2 грунтоотборника 1 сопоставим с диаметром скважины. Затем осуществляют демонтаж грунтоотборника 1 с выделением из него гильзы 2, заполненной образцом грунта, и подготовку ее для проведения испытания. Гильзу 2 с образном грунта устанавливают в цилиндрический кондуктор 5 в горизонтальном положении и под прямым углом одним концом жестко соединяют с цилиндрическим кондуктором 5. Диаметр полости кондуктора соответствует диаметру скважины. Другой конец гильзы закрывают крышкой 6, оснащенной измерительной системой 7 для регистрации данных, имеющей в своем составе датчик давления грунта. После чего в кондуктор 5 погружают гидромонитор 8 таким образом, чтобы имеющиеся в нем форсунки были расположены соосно с гильзой 2 с образцом грунта. Затем производят обжатие образца грунта с давлением, равным бытовому боковому давлению на глубине h, путем создания давления в кондукторе 5 с одной стороны и прижатия датчика в составе системы 7 регистрации данных с другой. Давление в кондукторе 5 создается за счет инъекционного рабочего раствора. Впоследствии давление в кондукторе 5 с внутренним диаметром d_k устанавливается равным гидростатическому давлению от столба пульпы высотой h в виде смеси инъекционного рабочего раствора с грунтом и производятся испытания, заключающиеся в гидравлическом разрушении (размыве) образца грунта в гильзе 2 длиной L струей инъекционного рабочего раствора, выходящей из форсунок гидромонитора 8 при его вращении с постоянной скоростью. Требуемый заданный радиус колонны, получаемой по струйной геотехнологии, при этом будет равен R=L+d_k/2. На протяжении проведения всего испытания производится фиксация возникающих в образце грунта давлений фиксируемых датчиком в составе системы 7 регистрации данных во времени t. Время t стабилизации напряжений в образце грунта будет свидетельствовать о размыве грунта в полости длиной, равной длине L гильзы 2. Так как гильза 2 выполнена цилиндрической, то из условия равенства площади сечения образца грунта и площади сечения единичного сектора при размыве грунта высота подъема H гидромонитора 8 равна:

где d_г - внутренний диаметр гильзы грунтоотборника, м.

Определив время t и высоту подъема гидромонитора 8 на одном шаге H по формуле:

V=H/t,

определяется необходимая эффективная скорость подъема гидромонитора для получения требуемого радиуса колонны из закрепленного грунта.

Контроль прочности закрепленного массива грунта осуществлялся путем отбора проб в скважинах и шурфах после устройства экспериментальных колонн по струйной геотехнологии. Поскольку предлагаемый способ моделирует условия закрепления конкретного единичного элемента грунта на глубине h при заданных технологических параметрах, то остающаяся смесь 9 грунта и инъекционного рабочего раствора в кондукторе 5 будет соответствовать составу смеси в формируемой колонне. В том случае если инъекционный раствор является цементным раствором, производят отбор грунтоцементной смеси 9 из кондуктора 5 через имеющийся в нем кран 10 непосредственно в форму 11 для изготовления образца грунта для испытания на прочность.

Источники информации

1. Геотехнические проблемы мегаполисов. Труды международной конференции по геотехнике том 5, НИИОСП и ПИ «Геореконструкция», Москва, 7-10 июня 2010, с.1809-1812.

2. Патент РФ №2248019, кл. G01V 3/22, G01B 7/12, публ. 10.03.2005 (прототип).