Процес зміцнення і гідроізолювання грунтів та пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до технологій ін'єкції (введення під тиском) ущільнюючих (тампонажних) розчинів речовин у грунти. Може бути використаним безпосередньо на місці проведення робіт у будівництві й у гірській справі для зупинки потоку грунтових вод, зміцнення фундаментів, укосів, тунелів і інших підземних виробок. Відомий спосіб (процес) французької фірми "Солетанш" манжетної ін'єкції тампонажного розчину в грунт містить в собі свердління із заданим інтервалом між собою свердловин на площі зміцнюємого масиву, армування свердловин обсадними трубами, закріплення простору між обсадною трубою та грунтом цементним (тампонажним) розчином, розміщення в обсадженій свердловині труби-ін'єктора з манжетами і подвійним тампоном, нагнічування в трубу-ін'єктор тампонажного розчину і підняття її на вищий горизонт грунту після закінчення ін'єктування нижчого горизонту. Свердління свердловин у грунті пов'язано з його розпушенням, що усувається армуванням свердловин і закріпленням затрубного простору методом цементації. З цієї причини цей спосіб досить трудомісткий. До недоліків способу відноситься також дія на горизонт грунту тільки статичним тиском тампонажного розчину і необхідність використання труби-ін'єктора складної конструкції, що може бути ушкоджена при ін'єкції сусідніх свердловин. [1] Також відомий спосіб (процес) зниження проникності гірських порід (грунту) містить в собі розкриття шару гірської породи глибокими свердловинами, розміщення в свердловині випромінювача силових (ударних) хвиль і відбивача хвиль, нагнічування у свердловину технологічного розчину, дію на шар тиском стовпа розчину в свердловині, збудження (генерування) ударних хвиль із заданою амплітудою напруги, передавання енергії цих хвиль по стовпу технологічного розчину (по хвилеводу), зміна за допомогою відбивача вектора напрямку дії ударних хвиль уздовж шару. Амплітуду напруги хвиль увесь час задають вищою за межу пружності кістяка гірської породи для руйнування останнього. Після руйнування кістяка гірської породи вона самоущільнюється і знижує свою прийманність (здатність до насичення технологічним розчином). Тому цей спосіб неефективний для ін'єктування тампонажних розчинів у породи (грунти) осадового типу. Недоліком цього способу є також наявність у ньому трудомісткої операції свердління свердловин, що вимагає наступної операції їх армування. [2] Найбільш близький за сукупністю суттєвих ознак до процесу, що заявлений, є спосіб (процес) зменшення проникності масиву гірської породи крізь свердловини, що містить в собі операції розкриття шару корисної копалини глубокими свердловинами, армування стовбура свердловини обсадною трубою, закріплення простору в гірській породі (грунті) уздовж всієї довжини обсадної труби розчином цементу, розміщення в порожнині обсадної труби колони труб (колони-ін'єктора) з відбивачем, нагнічування в порожнину труби-ін'єктора розчину бентонітових глин (тампонажного розчину-хвилеводу) під тиском, що дорівнює 1,1-1,5 пластового тиску, генерування над стовпом розчину з циклічно змінною частотою ударних хвиль, передавання енергії цих хвиль по стовпу розчина-хвилевода, змінення за допомогою контейнера-відбивача вектора напрямку дії ударних хвиль уздовж горизонтів шару. Цей процес, як і наведені вище процеси-аналоги, містить трудомісткі операції свердління й армування свердловин, що вимагає додаткової операції закріплення простору навколо обсадної труби на всій її довжині. [3] Найбільш близьким за сукупністю суттєвих ознак до пристрою, що заявлений, є пристрій для оброблення масиву гірської породи, який містить в собі генератор ударних хвиль, колону-ін'єктор з контейнером-відбивачем ударних хвиль і виконані по периметру бічної поверхні цього відбивача подовжні щілини-канали із шириною, що дорівнює або є кратною довжині ударної хвилі. Недоліком такого пристрою є його неефективність при ін'єктуванні грунтів осадового типу тампонажними розчинами, щільність яких вище 1,0. [4] Технічною задачею, на вирішення якої спрямований запропонований винахід, є удосконалення процесу зміцнення і гідроізолювання грунтів та пристрою для його здійснення шляхом спрощення операцій свердління у грунті свердловин і закріплення простору в грунті навколо колони-ін'єктора, створення умов для більш повного передавання енергії ударних хвиль, забезпечення оптимальних режимів процесу ін'єктування і параметрів пристрою для здійснення процесу, що забезпечує зниження трудомісткості процесу, збільшення дальності транспортування тампонажного розчину у грунт, запобігання гасінню і накладенню ударних хвиль, додаткове збільшення міцності ін'єктованого грунту, можливість ін'єктування грунтів осадового типу тампонажними розчинами, що мають щільність вище 1,0. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в процесі зміцнення і гідроізолювання грунтів, який містить в собі розміщення і переміщення колони-ін'єктора поперек горизонтів фунту, закріплення простору в грунті навколо колони-ін'єктора, нагнічування в порожнину колони-ін'єктора тампонажного розчину (хвилеводу), дію на горизонти грунту статичним тиском стовпа розчину в колоні-ін'єкторі, генерування над стовпом розчину (над хвилеводом) ударних хвиль, передавання енергії цих хвиль по стовпу розчину, змінення за допомогою контейнера-відбивача вектора напрямку дії ударних хвиль уздовж горизонтів фунту, запропоновано колониін'єктори забивати в грунт зміцнюємого масиву із заданим інтервалом поміж собою. Закріплення простору навколо колони-ін'єктора запропоновано здійснювати локально тільки в тій частині колони-ін'єктора, що розташована в непідлягаючому зміцненню грунту. Таке закріплення запропоновано здійснювати з поверхні фунту до глибини залягання верхнього горизонту зміцнюємого масиву заповненням простору зволоженою глиною при співвідношенні в ній Т:Р=10:1. Після заповнення простору запропоновано глину трамбувати в заповненому нею просторі. Ін'єкцію тампонажного розчину в горизонті грунту запропоновано здійснювати циклічно шляхом підняття колони-ін'єктора на вищий горизонт після втрати прийманності нижчим горизонтом. При цьому колону-ін'єктор за кожен цикл зміцнення шару горизонтів тампонажним розчином запропоновано піднімати на висоту, що дорівнює двом довжинам ударної хвилі. Кожен зміцнюваний горизонт грунту запропоновано спочатку навантажувати амплітудою напруги в ударній хвилі рівною 0,1-0,3 межі міцності кістяка грунту, а після втрати прийманності горизонтом запропоновано його навантажувати амплітудою напруги більшою, ніж межа міцності кістяка грунту. Поставлена технічна задача вирішується також тим, що в пристрої для здійснення процеса зміцнення і гідроізолювання грунтів, який містить в собі генератор ударних хвиль і колону-ін'єктор з контейнером-відбивачем ударних хвиль, у якому по периметру бічної стінки виконані канали, що сполучують порожнину ін'єктора з грунтом, запропоновано канали у відбивачу виконати висотою, що дорівнює 0,5 довжини ударної хвилі і шириною, що дорівнює 0,1 довжини цієї хвилі. У цьому ж пристрої запропоновано внутрішній діаметр колони-ін'єктора виконувати кратним довжині ударної хвилі. Запропонована операція забивання колон-ін'єкторів із заданим інтервалом на визначеній площі масиву грунту (замість відомого почергового розміщення однієї колони-ін'єктора всередині обсадних труб усіх свердловин, просвердлених на всю глибину залягання підлягаючого ін'єктуванню грунту) сприяє ущільненню грунта навколо колони-ін'єктора при його забиванні. Таким чином виключається можливість значного розпушення грунту уздовж колони-ін'єктора і, як наслідок, знижується можливість видавлювання (просування уздовж колони-ін'єктора) тампонажного розчину на поверхню. Одночасно спрощується й здешевлюється сама операція розміщення колони-ін'єктора в масиві грунта. Запропоноване локальне закріплення з поверхні грунту простору навколо колони-ін'єктора до глибини залягання верхнього горизонту зміцнюваного масиву (закріплення простору в тій частині колони-ін'єктора, що розташована в непідлягаючому зміцненню грунту), знижує трудомісткість і матеріалоємність процесу. Запропоноване використання зволоженої глини (замість цементуючих розчинів) для такого закріплення простору здешевлює процес і запобігає руйнуванню утвореної в закріпленому просторі глиняної пробки при витяганні (вилученні) колони-ін'єктора з грунту. Попереднє зволоження глини до співвідношення в ній Т:Р=10:1 забезпечує її необхідну в'язкість. Наступне трамбування глини забезпечує її зневоднювання в заповненому просторі і її необхідну щільність. Здійснення циклічної (почергової) ін'єкції тампонажним розчином грунта шляхом підняття колони-ін'єктора на вищий горизонт після втрати прийманості (здатності насичуватись тампонажним розчином) нижчим горизонтом дає можливість контролювати з поверхні витрату тампонажного розчину. Відсутність витрати вказує на втрату грунтом прийманності і сигналізує про закінчення (зміну режиму) циклу ін'єктування. Підняття колони-ін'єктора за кожен цикл на висоту, що дорівнює двом довжинам ударної хвилі, забезпечує необхідний ореол заповнення тампонажним розчином зони (частини) горизонту, що ін'єктується. Навантаження кожної зони горизонту, що ін'єктується, спочатку амплітудою напруги в ударній хвилі рівною 0,1-0,3 межі міцності кістяка грунту забезпечує заповнення природних пор і розколин у грунті без руйнування його кістяка. Наступне навантаження попередньо заін'єктованого горизонту амплітудою напруги в ударній хвилі більшою, ніж межа міцності кістяка грунту, забезпечує руйнування кістяка. В результаті руйнування кістяка відбувається додаткове змішування грунта з тампонажним розчином, а як наслідок - різке ущільнення заін'єктованого грунту. Виконанням у контейнері-відбивачі каналів (щілин) з висотою, що дорівнює 0,5 довжини ударної хвилі і шириною, що дорівнює 0,1 довжини цієї хвилі, запобігається гасіння і накладення ударних хвиль. Таким чином забезпечуються умови для оптимального масопереносу в грунт тампонажного розчину з щільністю вище 1,0. Виконання внутрішнього діаметру колони-ін'єктора кратним довжині ударної хвилі запобігає утворенню поперечних хвиль у колоні-ін'єкторі. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якій зображено один з можливих варіантів спрощеної технологічної схеми здійснення способу, накладеної на поперечний розріз частини масиву грунту і суміщеної зі спрощеним зображенням пристрою для зміцнення і гідроізолювання грунтів. Заявлений процес зміцнення і гідроізолювання (ін'єктування) грунтів та пристрій для його здійснення виконується (працює) таким чином. З поверхні 1 на обраній площі масиву грунта 2 осадового типу (дрібнозернистого піщаника) робили сітку свердловин з інтервалом 4 метри між ними. Діаметр цих свердловин вибирали більшим за товщину колони-ін'єктора 3. Свердловини виконували шнеком на глибину 4 метри. Ця глибина на ілюстрації позначена як "Н1" і відповідає глибині початку залягання (глибині верхнього горизонту) підлягаючого ін'єктуванню грунту. Замість виконання таких свердловин робили, як варіант, механічне розпушення шнеком грунту на таку ж саму глибину. Після виконання свердловин або попереднього розпушення грунту в підготовлені в такий спосіб місця забивали пневмоударником колони-ін'єктори 3 на глибину 12 метрів. Ця глибина позначена як "H2" і відповідає глибині залягання нижнього горизонту грунту, що підлягав ін'єктуванню. Колониін'єктори 3 забивали в грунт 2 тим їхнім кінцем, на якому був закріплений контейнер-відбивач 4. В останньому були виконані по периметру канали (щілини) висотою 90мм (на ілюстрації висота позначена як "h") і шириною 18мм (ширина позначена як "b"). Ці конструктивні розміри були обрані з умови, щоб h=0,5 довжини ударної хвилі, а Ь=0,1 довжини ударної хвилі. Внутрішні діаметри колони-ін'єктора 3 і контейнера-відбивача 4 були виконані рівними 75мм, що відповідало їхньої кратності, рівної 0,42, до довжини ударної хвилі. Після забивання колонін'єкторів 3 робили локальне закріплення простору 5 у грунті навколо колони-ін'єктора 3. Закріплення робили порціонним заповненням простору 5 попередньо зволоженою глиною, у якій співвідношення Т:Р=10:1. Після закладення кожної порції глини у простір 5 її ущільнювали трамбовкою 6 пневмоударника бурової установки. Очищення порожнини колони-ін'єктора 3 від часток грунту, що потрапили в неї при забиванні, робили промиванням або ерліфтом. Після цього порожнину колони-ін'єктора 3 сполучали з магістралями 7 та 8 нагнітання тампонажного розчину. На цих магістралях були встановлені вентилі 9 та 10. Над порожниною колониін'єктора 3 розташовували генератор ударних хвиль, що складався з ударного механізму 11 і корпуса 12, у якому був розміщений з можливістю робити осьове переміщення випромінювач 13 ударних хвиль 14. Корпус 12 був приєднаний до колони-ін'єктора 3 герметично. Після встановлення генератора ударних хвиль по магістралях 7 та 8 у порожнину колони-ін'єктора 3 нагнічували тампонажний розчин 15. Як тампонажний розчин 15 використовували рідке скло (PC) з модулем 2,6-3,3 і щільністю 1,35-1,45. Приготування тампонажного розчину 15 здійснювали на поверхні змішуванням PC із хлористим кальцієм (коагулятором). Розчин 15 нагнічували під статичним тиском, що дорівнював 1,1-1,5 пластового тиску (0,5-1,0МПа). Після нагнічування розчину 15 включали ударний механізм 11, що наносив 2000 ударів/хвилину по хвостовику випромінювача 13. Механізм 11 і випромінювач 13 генерували ударні хвилі (силові хвилі стиску-розтягання) 14 довжиною 180мм і імпульси тиску, що по стовпу розчину 15 (по хвилеводу) передавалися донизу, заломлювалися в контейнері-відбивачі 4 і діяли на нижній горизонт грунту, що ін'єктувався. Після контрольованої з поверхні втрати прийманості (здатності насичуватись тампонажним розчином 15) оброблюваної зони (шару) грунту 2 колону-ін'єктор 3 піднімали догори на висоту 360мм, що дорівнювала двом довжинам ударної хвилі 14. Висоту такого підйому задавали з метою заповнювання оброблюваної зони розчином 15 у радіусі 2 метрів навколо колони-ін'єктора 3. Такий ореол заповнення забезпечував кут охоплення (на ілюстрації позначений як ”a”) кругового сектора, що дорівнював 20°. Далі цикли повторювали. За кожний цикл колону-ін'єктор піднімали на висоту 360мм і ін'єктували грунт 2 до межі його верхнього горизонту, розташованої на глибині, що дорівнювала Н2-Н1 . У кожному циклі починали ін'єктування навантаженням амплітудою напруги в ударній хвилі 14 рівною 50МПа (рівною 0,1-0,3 межі міцності кістяка грунту), а закінчували навантаженням амплітудою напруги рівною 150МПа (більшою за межу міцності кістяка грунту). Внаслідок такого навантаження спочатку відбувалося утомлене знещільнення грунту і хвильове транспортування (забивання) розчину 15 у розколини і пори грунту 2, а потім - руйнування кістяка грунту і додаткове змішування піщанику з PC. Після закінчення ін'єктування всіх горизонтів грунту 2 за допомогою першої колони-ін'єктора 3, яку вилучали повністю з грунту, починали почергове ін'єктування іншої частини масиву грунту за допомогою вже забитих у грунт інших колон-ін'єкторів. Ін'єктування решти масиву здійснювали аналогічно тому, як ін'єктувався грунт за допомогою першої колони-ін'єктора.