Струйно-вихревая геотехнология

В предыдущем разделе мы показали технические противоречия, имеющее место в одноэтапной струйной геотехнологии. В частности, указанные противоречия относятся к процессам струйного размыва и удаления размытого грунта. При достаточно интенсивном размыве грунта вращаемой высокоскоростной струей и высокой транспортирующей способности восходящего потока пульпы захватывающая способность этого восходящего потока часто является недостаточной. Это связано с тем, что размытый грунт оседает в размываемой полости где скорости восходящего потока невелики - вследствие большого сечения полости. Кроме того, головка монитора, расположенная на входе в нижнюю часть рабочей скважины из размытой полости, создает большое гидравлическое сопротивление этому потоку. Помимо этого, размывающая струя пересекает восходящий поток пульпы, что отрицательно влияет на ее компактность.

Имеются предложения по интенсификации удаления из полости размытого грунта путем включения в конструкцию монитора гидроэлеватора. Следует, однако, заметить, что гидроэлеватор является устройством с низким коэффициентом полезного действия, и требует много воды. Кроме того, гидроэлеватор также отличается слабой закатывающей способностью.

Вместе с тем, в самой струйной геотехнологии заложен источник гидравлической энергии, необходимой для интенсификации выноса грунта. Этим источником является высокая кинетическая энергия, часть которой может быть использована для указанной цели. Вспомним, что при использовании однокомпонентной технологии со сверхвысокими скоростями растворной струи часто происходит закупоривание скважины частицами размытого грунта и цемента. При этом в размываемой полости резко повышается давление, то есть кинетическая энергия струи переходит в энергию давления. Это негативное явление может быть полезно использовано, если вызывать его искусственно, с возможностью необходимого контроля.

Таким образом, если герметизировать технологическую скважину, через которую производится струйный мониторный размыв грунта, то в размываемой полости повысится гидростатическое давление, которое вызовет увеличение скорости восходящего потока пульпы - как в технологической скважине, так и на входе в нее из размытой полости. Это, в свою очередь, вызовет повышение консистенции потока пульпы, то есть увеличит объем выносимого грунта.

Герметизация технологической скважины достигается применением специального зонтичного устройства, монтируемого на подводящей трубе монитора, выше размывающих насадок. Указанное устройство, выполненное из эластичного материала и гибких стальных пластин, перед погружением монитора в технологическую скважину складывается и фиксируется в сложенном положении, а после начала работы монитора под действием давления одного из рабочих компонентов раскрывается с помощью специального клапана и герметизирует скважину.

Однако, даже при наличии избыточного гидростатического давления в размываемой полости, в зону повышенных скоростей перед входом в технологическую скважину будет вовлекаться размытый грунт лишь в пределах небольшого радиуса, который может быть меньше диаметра размываемой полости. Поэтому необходимо дополнительное воздействие, вызывающее концентрацию всего размываемого струей грунта. Такое воздействие может оказывать вихревой поток, искусственно создаваемый в размываемой полости.

Вихревые потоки, применяемые для улучшения грунтозабора в ных устройствах, были исследованы в Московской геологоразведочной академии на крупномасштабных стендах. На основе результатов этих исследований были созданы высокоэффективные гидротранспортные и грунтозаборные установки, успешно прошедшие испытания и работающие в разных странах, в том числе в Великобритании и в ЮАР.

Вихреобразующее грунтозаборное устройство было включено в конструкцию специального скважинного монитора.

Усовершенствованный струйный монитор, показанный на рис.6.20. помимо элементов, имеющихся в известных конструкциях (водяной и душной насадок, концентрично расположенных в корпусе, растворного патрубка или растворной насадки и подводящих труб), включает в себя также герметизирующее устройство в виде зонтообразной оболочки, раскрывающейся после погружения монитора в скважину, пульпоприемный патр пульпоподъемную трубу и вихреобразующее устройство.

Рис. 6.20. Струйный монитор для струйно-вихревой технологии
1 - технологическая скважина; 2- корпус головки монитора; 3- герметизирующее устройство зонтичного типа; 4 - пульпоподъемная труба; 5- размываемая полость; 6-растворный патрубок; 7- пульпоотводный лоток

Последнее создает закрученную вокруг пульпоприемного патрубка кольцевую струю, образующую кольцевой вихрь обладающий большой вовлекающей способностью.

Кольцевые вихри встречаются, например, в таком явлении, как дымовое кольцо, образующееся иногда при курении табачных изделий. Такое кольцо является стойким образованием - именно благодаря вихревому движению вокруг кольцевой оси. В данном вихреобразующем устройстве замкнутый вихрь образуется при определенных, расчетных параметрах закрученного потока

При работе вихреобразующего устройства в размываемой полости размытый струей оседающий грунт, вследствие поперечной циркуляции, иненсивно вовлекается в пульпоприемный патрубок в виде пульпы высокой консистенции (до 50% по объему).

С герметизацией размываемой полости движение восходящего по пульпы происходит в основном за счет повышенного гидростатического давления в размываемой полости. В данном случае, при использовании трехкомпонентной технологии, сжатый воздух здесь нужен лишь для создания стабильной искусственной воздушной среды в верхней части полости - в целях обеспечения работы струи в незатопленных условиях. Поэтому объём его подачи можно существенно сократить.

При наличии воздушной полости, отжимающей жидкость, интенсивное вращение жидкой массы (под действием вихреобразующего устройства) влияет на медленно вращаемую размывающую струю. Повышенное давление в размываемой полости незначительно снижает действующий напор струи. Более того, интенсивность снижения динамического давления в струе, при работе ее в воздушной среде, существенно уменьшается за счет исключения возможности вовлечения струей жидкой среды.

Вследствие повышения грунтозахватывающей способности, можно интенсифицировать процесс размыва грунта, то есть можно поднимать монитор с большей скоростью.
При необходимости монитор позволяет удалять практически весь размываемый грунт по пульпоподъемной трубе или по скважине (если пульпо-подъемная труба отсутствует). Удаление по скважине производится при сливе пульпы размытого грунта на поверхность грунта. Удаление через пульпоподъемную трубу может применяться, когда пульпа подается, например, в лоток, смонтированный выше поверхности земли, на транспорт, в бункер или в грязевый насос.

Это обстоятельство открывает большие дополнительные возможности. Одна из таких возможностей - это выдача всего размытого грунта на поверхность, обезвоживание его с помощью батареи гидроциклонов малого диаметpa, перемешивание с твердеющим раствором в смесителе и подача растворо-грунтовой смеси через монитор в размываемую полость, причем все указанные операции производятся синхронно со струйным размывом грунта. Аналогичная схема использовалась в Японии, в описанной в разделе 6.1.5 pаботе. Однако, как мы указывали, такая схема требует применения oчень сложного комплекта технологического оборудования.

Другой возможностью использования описанного усовершенстновованного монитора является осуществление полного замещения грунта. Если основание представлено, например, илами или другими слабыми грунтами закрепление которых не позволяет получать конструкции с требуемой несущей способностью, то размытый струей грунт может быть полностью удален (со складированием в специальной траншее, гидроотвале или с вывозом), а размываемая полость будет синхронно заполняться твердеющим раствором, например, песчаноцементным, или мелкофракционным бетоном. В последних случаях потребуется применение бетононасоса или штукатурной станции - для подачи замещающего материала. Таким обратом, появляется возможность сооружения в слабых грунтах конструкции , большой несущей способностью.

Полное замещение естественного грунта может производиться и друг грунтом, например, песком. В результате можно получить песчаные сваи, песчаные дрены или дренажные завесы из пересекающихся песчаных дрен для беструбчатого дренажа. Для этого вместо твердеющего раствора в размываемую полость подается песчаная пульпа высокой консистенции.

Для приготовления песчаной пульпы высокой консистенции может быть использована вихревая гидротранспортная установка. На рис. 6.21 показана схема сооружения песчаной колонны, с замещением естественного грунта, и конструкция вихревой гидротранспортной установки МГРА.

Рис. 6.21. Замещение естественного грунта песком с помощью струйной геотехнологии
1 - технологическая скважина; 2- корпус головки монитора; 3- герметизирующее устройство зонтичного типа; 4- пульпоприемный патрубок; 5- растворный патрубок; 6-водопоподъемная труба; 7- вертлюг; 8-напорная вода; 9- сжатый воздух; 10- песчаная пульпа высокой консистенции; 11 - пульпа размытого грунта; 12- водяная струя в искусственном воздушном потоке; 13- кольцевой вихревой поток; 14- размываемая полость; 15- вихревая гидротранспортная установка; 16-тороидальная камера; 17- приёмный бункер; 18- слив избыточной воды; 19 - вихреобразующее устройство; 20- напорная вода от водяного насоса; 21 - пульпоотводный лоток; 22- клапан регулирования давления; 23 - готовая песчаная колонна

Конструкция указанной установки включает две или более камеры (рисунке они имеют тороидальную форму), с системой клапанов, подводящих напорных труб. В нижней части камеры находится вихреобразующсе устройство. Камеры поочередно заполняются транспортируемым материалом, например, песком. После заполнения камеры срабатывает запорный клапан, в  вихреобразующее устройство подается напорная вода от водяного насоса, в камере создается замкнутый кольцевой вихрь, который вовлекает заполнящий камеру песок, и песчаная пульпа под давлением поступает черрез приёмный патрубок в напорный трубопровод, из которого она по гибкому рукауву поступает в скважинный монитор. После срабатывания объема одной камеры производится переключение на другую камеру, а освободившаяся камере вновь заполняется песком.

Возможно также применение данной технологии для мелиорации грунтов, когда полного замещения естественных грунтов не производят, но в случае, если естественный грунт имеет состав, не обеспечивающий требуемой несущей способности, осуществляют, с помощью описанного выше усовершенствованного монитора и вихревой гидротранспортной установки, его частичное замещение песком, при перемешивании этого песка с оставшимся естественным грунтом. В результате получают основание с улучшенными характеристиками грунтов.

Описанная технология получила название «струйно-вихревой».

Вихревая гидротранспортная установка может использоваться и  в сочетании с обычным монитором, для сооружения плоских конструкций. Это позволяет сооружать радиальные беструбчатые дренажи.