Струйно-турбинная геотехнология

Одно- и двухкомпонентная одноэтапные технологии, будучи наиболее эффективным видом струйной геотехнологии с точки зрения получения максимальных плотности и прочности грунтобетона, являются весьма расточительными - вследствие большого непроизводительного перерасхода твердеющего раствора. Что касается трехкомпонентной одноэтапной технологии, то, будучи наиболее эффективной с точки трения получения наибольшего диаметра конструкции, она имеет наименьшую эффективность по прочности грунтобетонного материала, что связано с вовлечением в него большого количества воды при перемешивании раствора.

Общий недостаток всех указанных одноэтапных технологий заключается в том, что значения параметров струйного размыва (частота вращения и скорость подъема монитора), соответствующие оптимальным условиям для размыва грунта, не являются оптимальными для перемешивания грунта с раствором. Поэтому важное преимущество обычной струйной геотехнологии: синхронное осуществление обоих указанных процессов, что обеспечивает высокую производительность, одновременно является и недостатком.
Одним из возможных выходов является применение двухэтапных технологий (как это показано в предыдущем разделе), когда на первом этапе производится размыв грунта при оптимальных для этого процесса значениях параметров, а на втором этапе - перемешивание грунта с раствором также при оптимальных значениях параметров именно для этого процесса. Одновременно двухэтапная технология позволяет исключить или значительно уменьшить непроизводительные потери раствора, что особенно важно в российских условиях.

Вообще говоря, процесс перемешивания разрыхленного грунта вращаемой радиальной струей раствора не является оптимальным. Он принят именно вследствие возможности синхронизации его с процессом размыва. Растворная струя, как рабочий орган для перемешивания малоэффективна. Она очень узка (по крайней мере, в своей начальной части), то есть захватывает одновременно малый объем перемешиваемого грунта. Кроме того, указанный малый объем грунта подвергается перемешиванию при небольшом общем числе оборотов (проходов) на каждом шаге подъема перемешивающего устройства (струи) - обычно от 1 до 4 оборотов. Для сравнения - в смесителе лопастной конструкции или в турбинном смесителе, развивающими сотни оборотов в минуту, интенсивность перемешивания существенно выше.

Известны и широко применяются буросмесительные устройства, которые с помощью лопастей большого диаметра одновременно производят бурение грунта и перемешивание его с раствором. Однако для привода таких устройств требуются очень большие крутящие моменты и, сооветственно, большие мощности и громоздкие трансмиссии. Поэтому и механизмы, применяемые для буросмесительной технологии, весьма громоздки, энергоемки и дороги.

Однако, если использовать принцип турбинного перемешивания в сочетании со струйным размывом грунта, то в этом случае не требуется выходить за габариты и мощности оборудования, применяемого для струйной геотехнлогии. Одна и та же струйная установка (например, буровой станок) может последовательно или одновременно обеспечить струйный размыв грунта его эффективное механическое перемешивание с твердеющим раствором.

Практически это осуществляется следующим образом. В рабочую скважину опускается струйный монитор (одно- или двухкомпонентный), и призводится струйный размыв грунта водяной струей при вращении монитора с одновременным его подъемом. Если применяется двухэтапная технология, то на втором этапе в разрыхленный грунт погружается труба малого диаметра) укрепленными на ее нижнем кольце турбинкой (или лопастным устройством малого диаметра) и вертикальной насадкой (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Закрепление разрыхленного грунта по двухэтапной струйно-турбинной геотехнологии
1 - струйная установка (буровой станок); 2- размытая полость в грунте; 3- буровая иианга; 4-турбинка (лопастное устройство); 5-твердеющий раствор; 6-готовая грунтобетонная колонна

При погружении этого устройства в разрыхленный грунт через насадку на ее нижнем конце подают воду, а трубу медленно вращают. Перемешивание грунта начинается с нижней части размытой полости. Трубу вращают с нарастающей частотой - от минимальной до максимальной час вращения турбинки (300...400 и более мин-1). Одновременно через трубу подается раствор под небольшим давлением, и производится медленный подъем вращаемой трубы. При этом происходит весьма интенсивное перемешивание грунта с раствором - так же, как это происходит в турбиносмесителе. После завершения подъема вращаемой трубы образуется грунтобетонная колонна с высокой степенью однородности материала.

Поскольку раствор подается не в виде струи, то есть его подачу можно неограниченно регулировать, перерасхода раствора в данном случае не происходит. По мере подъема вращаемой трубы, вода, заполняющая верхнюю часть размытой полости, вытесняется вместе с некоторым количеством избыточного разрыхленного грунта - вследствие давления более тяжелой растворо-грунтовой смеси. Для тех случаев, когда грунтобетонная колонна сооружается не до поверхности земли (например, при усилении фундаментов существующих зданий и сооружений), диаметр турбинки должен быть не больше диаметра рабочей скважины. Или же - наоборот: диаметр рабочей скважины должен быть не меньше диаметра турбинки.

Такая технология может быть и одноэтапной. В этом случае монитор выполняется с кольцевым сечением, по центру которого, то есть cоосно с монитором, проходит не связанная с ним растворная труба с укрепленной на ее нижнем конце турбинкой (рис. 6.19).

Рис 6.19. Одноэтапная струйно-турбинная технология
1-технологическая скважина; 2-струйная установка; 3-струйный монитор кольцевого сечения; 4 - растворная труба, вращаемая с высокой частотой;5-турбинка (лопастное устройство); 6 - двухкомпонентный вертлюг; 7 - напорная вода, 8 - сжатый воздух 9 однокомпонентный вертлюг; 10 - твердеющий раствор; 11 — размывающая струя;12 - редуктор для высокочастотного вращателя; 13- изливающаяся пульпа размытого грунта- 14 - грунтово-растворная смесь; 15 - готовая грунтобетонная колонна

Монитор и растворная труба вращаются с разными скоростями, для чего необходимо использовать вращатель с дополнительным редуктором. Такой вращатель является нестандартным оборудованием, и требуется его специальное конструирование. Таким образом, размыв грунта производится медленно вращаемым монитором, а перемешивание грунта с раствором - турбинкой с высокой частотой вращения. В этом случае происходит перемешивание взвешенного в воде грунта. Поэтому полученный грунтобетон будет иметь несколько меньшие плотность и прочность в сравнении с двухэтанной технологией. Одноэтапная технология может оказаться необходимой, например, при закреплении слабых грунтов, когда временная устойчивость стеной размываемой полости не обеспечивается.

Описанную технологию мы назовем «струйно-турбинной».

Осуществление струйно-турбинной технологии не требует сложного оборудования (в случае двухэтапного варианта). Здесь могут быть использован монитор для обычной струйной геотехнологии и простая турбинка.

Существенным преимуществом струйно-турбинной технологии (помимо указанных выше преимуществ) можно считать отсутствие необходимости пропускать с большими скоростями высокоабразивный цементный раствор через струйную насадку, поскольку специальное защитное покрытие внутренней части растворных струйных насадок дорого, и оно может быть разрушено вместе с насадкой при забивке ее твердым включением. Забивка струйных растворных насадок - одна из трудноразрешимых проблем струйной геотехнологии, особенно при использовании сверхскоростных струй насадок очень маленького диаметра.

Недостатком струйно-турбинной геотехнологии является то обстоятельство, что часть размытого водяной струей грунта, оседающая в водной среде, имеет высокую пористость (порядка 0,38...0,39) и представляет собой водонасыщенную массу, которая при механическом перемешивании с твердеющим раствором соответственно превращается в смесь с высоким со высоким  содержанием воды. В результате прочность получаемого таким образом грунтобетона оказывается ниже, чем при использовании одноэтапных одно- и двухкомпонентной технологий. Если производится закрепление сухого ни маловлажного естественного грунта, то разница в прочности материале) может быть весьма существенной. Если же производится закрепление и этой технологии водонасыщенного естественного грунта, то указанная pазница будет невелика.

Однако следует отметить, что в российских условиях, в средней полосе и в северных районах уровни подземных вод обычно располагаются довольно высоко. Поэтому большинство подземных конструкций, выполняемых с помощью струйной геотехнологии, располагаются в водонасыщенных грунтах. Кроме того, струйная геотехнология используется не только для сооружения несущих конструкций, но и для других целей, например, для противофильтрационных сооружений или просто - для стабилизации грунтов. В указанных случаях прочность грунтобетонных конструкций не является определяющим фактором. Радикальным способом  исключения разжижения грунторастворной смеси при использовании струйно-турбинной геотехнологии является применение коллоидных растворов.