Устройство для инъектирования в грунт растворов

Изобретение относится к строительству и предназначено для усиления фундаментов различного назначения и формования набивных свай. Технический результат - повышение эффективности работы устройства. Устройство для инъектирования в грунт растворов содержит ударный узел - пневмопробойник и охватывающий его кожух, трубопровод с нагнетающим насосом, при этом его кожух жестко прикреплен к ударному узлу, а в передней части кожуха выполнено отверстие, в котором с возможностью осевого перемещения установлена пробка, при этом между пробкой и передней частью ударного узла образована полость, площадь которой в поперечном сечении равна или больше площади поперечного сечения трубопровода, расположенного между ударным узлом и кожухом. На кожухе закреплены вдоль его продольной оси выступающие в радиальном направлении элементы для образования полости в грунте, причем они выполнены с малой жесткостью с возможностью изгиба в радиальном направлении, с канавкой в месте их изгиба и с упором, контактирующим с кожухом в крайнем своем положении. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к строительству и предназначено для усиления фундаментов разного назначения, формования набивных свай путем инъектирования в грунт растворов.

В настоящее время в качестве инъектора для инъектирования раствора в грунт используется труба, которая погружается в грунт вручную или при помощи средств малой механизации (смотри, например, "Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика". Под общей ред. Е.А.Сорочана, - М.,-1985. С. 315-317).

Известны также самоходные устройства (пневмопробойники), используемые для формования набивных свай (смотри, например, Х.Б.Ткач, Ю.Б.Рейфисов. "Проходка вертикальных скважин пневмопробойниками." ж. Механизация строительства, 1981, №7). Однако их применение для инъектирования не обеспечивает достижение необходимого эффекта по разным причинам, анализ которых приведен.

Известно устройство для формования набивных свай с уширенной пятой (см. авт. свид. СССР №1270215, кл. E 02 D 5/44, Е 21 В 7/28, опубл. в БИ №42, 1986 г.), содержащее ударный механизм и расширитель, расположенный в его передней части. К расширителю жестко прикреплена труба с эластичной прокладкой, примыкающей к ее внутренней поверхности, и фланец, имеющий на конце каналы для выпуска сжатого воздуха, при этом ударный механизм размещен в полости трубы, соосно с ней и с возможностью вертикального перемещения. При подъеме устройства на некоторую высоту формовочный материал пропускается сквозь него, при этом устройство не извлекается из скважины. Стенка скважины, находящаяся над погруженным устройством, используется как магистраль для подачи формовочного материала, который является сыпучим, и подается вниз под действием силы гравитации.

При инъектированиии используются растворы, подаваемые под давлением. Стенки скважины в этом случае не могут быть использованы, так как они будут размываться и осыпаться, что исключает возможность использования рассматриваемого устройства для инъектирования растворов, при этом фильтрация раствора в грунт будет происходить на небольшую глубину, а для проникновения раствора по всей высоте скважины необходимо использовать достаточно мощные насосы. Еще одним недостатком, возникающим при использовании известного устройства для формования набивных свай с уширенной пятой для инъектирования, является то, что расширитель образует скважину сравнительно большого диаметра, которая заполняется инъектирующим раствором, что приводит к большому расходу последнего. В результате образуется ствол сваи после затвердения раствора, а окружающий грунт сравнительно мало по объему взаимодействует с инъектирующим раствором, т.е. фактически образуется свая.

Известно устройство для формования набивной сваи в грунте (смотри патент РФ №2153044, кл. E 02 D 5/44, опубл. в БИ №20, 2000 г.), содержащее рабочий орган, размещенный впереди цилиндрической трубы и ударный привод, размещенный в верхнем конце трубы, отверстие в рабочем органе, соединяющее наружную и внутреннюю поверхности рабочего органа, которое перекрывается штоком. Периферийная часть рабочего органа прикреплена к передней части трубы, а центральная - к штоку и выполнена подвижной. Шток выполнен с радиальными выступами, соответствующими размеру отверстий торца трубы, причем шток выполнен подвижным вокруг своей продольной оси, при этом труба имеет два упора, а шток имеет один упор, размещенный между упорами трубы, ограничивающими поворот штока относительно трубы.

Недостатками рассматриваемого устройства являются: а) невозможность проводить инъектирование под фундаментом, так как нельзя изогнуть устройство для образования криволинейной скважины и передать удар по криволинейному штоку; б) большие энергозатраты, связанные с расположением ударного привода на поверхности, в результате чего происходит затухание ударной волны при прохождении по трубе и на преодоление сил сцепления по длине трубы с грунтом.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, - повышение эффективности работы устройства.

Это достигается за счет того, что устройство для инъектирования в грунт растворов, содержащее ударный узел - пневмопробойник, кожух, охватывающий ударный узел, согласно предлагаемому изобретению снабжено трубопроводом с нагнетающим насосом, размещенным на поверхности, кожух жестко прикреплен к ударному узлу, при этом в передней части кожуха выполнено отверстие, в котором с возможностью осевого перемещения установлена пробка, при этом между пробкой и передней частью ударного узла образована сообщающаяся с трубопроводом полость, площадь которой в поперечном сечении по крайней мере равна или больше площади поперечного сечения трубопровода. Такое выполнение конструкции устройства позволяет осуществить инъектирование в грунт закрепляющегося раствора при обеспечении самоходности устройства, что, в конечном счете, упростит технологию процесса инъектирования и повысит производительность за счет сокращения ручного труда.

Целесообразно на внешней поверхности передней части кожуха закреплять выступающие в радиальном направлении элементы для образования полости в грунте. Такое конструктивное выполнение устройства повышает эффективность проникновения инъекционного раствора в грунт.

Целесообразно также выступающие в радиальном направлении элементы выполнять с малой жесткостью и возможностью изгиба в радиальном направлении за счет упругости. Такое выполнение конструкции обеспечивает уменьшение сопротивления при проходке скважины при извлечении устройства и создает достаточную полость (прорезь), используемую в дальнейшем при инъектировании раствора в грунт.

Целесообразно выступающие в радиальном направлении элементы выполнять с переменной жесткостью. Такое выполнение конструкции устройства повышает его эффективность, так как выступающий в радиальном направлении элемент может развернуться на больший угол, а следовательно, радиальные полости в грунте образуются большего размера.

Целесообразно выступающие в радиальном направлении элементы выполнять с канавкой в месте их изгиба. Такое выполнение конструкции обеспечивает переменную жесткость этим элементам и изгиб в заданном месте.

Целесообразно выступающие в радиальном направлении элементы прикреплять к кожуху шарнирно. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает образование полости для гидроразрыва большего размера, не уменьшая долговечность конструкции.

Целесообразно выступающие в радиальном направлении элементы выполнять с упором, контактирующим с кожухом в крайнем своем положении. Такое выполнение устройства обеспечивает надежную установку выступающих в радиальном направлении элементов при прорезании полостей в грунте.

На представленных чертежах иллюстрируются: фиг.1 - устройство в продольном сечении; фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; фиг.3 - вид по стрелке Б фиг.1; фиг.4 - устройство с поворотными выступающими в радиальном направлении элементами; фиг.5 - вид по стрелке С фиг.4; фиг.6 - скважина в поперечном сечении с полостями; фиг.7 - процесс инъектирования в грунт раствора.

Предлагаемое устройство для инъектирования растворов в грунт состоит из ударного узла 1, в качестве которого может быть использован широко известный в строительстве пневмопробойник, применяемый для проходки скважин различного назначения в грунте. На ударный узел 1 жестко монтируется кожух 2, который может быть гладким по внешней поверхности или с выступающими в радиальном направлении элементами 3. Кожух 2 прикреплен к ударному узлу 1 посредством втулки 4 и вкладыша, приваренного к кожуху 2. Между ударным узлом 1, кожухом 2 и вкладышами 5 смонтирован трубопровод 6 с насосом (на чертеже не показан), размещенным на поверхности. В передней части кожуха 2 выполнено отверстие 7, в котором размещена пробка 8 с возможностью осевого перемещения. Ударный узел 1 закреплен в кожухе 2 с образованием полости 9, площадь поперечного сечения которой, по крайней мере, равна или больше площади проходного сечения трубопровода 6.

Выступающие в радиальном направлении элементы 3 закреплены на внешней поверхности передней части кожуха 2 и могут изгибаться за счет упругости (малой жесткости). Элементы 3 шарнирно закреплены на кожухе 2, а для большей податливости в месте изгиба в каждом из них выполнена канавка 10 (фиг.1). Элементы 3 имеют также упоры 11, в крайнем своем положении контактирующие с кожухом 2. Позициями 12, 13, 14, 15 обозначены соответственно скважина, полости, образованные элементами 3, грунт и полость между устройством и поверхностью инъектируемого раствора. Позицией 16 показана гайка для крепления ударного узла 1 к кожуху 2, исключающая их рассоединение при движении устройства вверх.

Принцип работы устройства

Устройство для инъектирования с поверхности запускают в грунт. Под действием ударного импульса, создаваемого узлом 1, устройство внедряется в грунт. Двигаясь в грунте, оно образует скважину 12, диаметр которой равен диаметру кожуха 2. Скважина 12 может иметь в поперечном сечении круг или круг с полостями 13 (фиг.6). В последнем случае полости 13 образуются за счет выступающих в радиальном направлении элементов 3. При проходке скважины 12 элементы 3 могут быть утоплены (фиг.4) относительно кожуха 2 и в этом случае, при движении устройства вниз, образуется скважина круглого диаметра (при извлечении устройства элементы 3 раскрываются и образуются полости). В случае, если элементы 3 не утоплены (фиг.1), пробивается скважина 12 с полостями 13, но грунт оказывает большее сопротивление движению устройства. В первом случае усилия сопротивления со стороны грунта меньше, так как скважина 12 образуется без полостей 13, а при образовании полостей 13 не тратится энергия на образование скважины 12.

При пробивании скважины 12 пробка 8 под действием силы сопротивления со стороны грунта удерживается в отверстии 7 кожуха 2.

Когда устройство достигнет требуемой глубины, за счет реверсирования хода оно поднимается на некоторую высоту. Пробка 8 при этом под действием силы тяжести остается на дне скважины 12. Затем подается по трубопроводу 6 инъектирующий раствор в полость скважины 12, размещенной между пробкой 8, находящейся на ее дне, и устройством 4. Так как инъектирующий раствор подается под давлением, то он проникает в окружающий грунт 14. Полости 13, являясь концентраторами напряжений, создают плоскости скольжения, которые способствуют более глубокому проникновению инъектирующего раствора в грунт 14, так как уменьшаются усилия сопротивления со стороны грунта. Кроме того, полости 13 обеспечивают направленное проникновение инъектирующего раствора в окружающий грунт 14. Это особенно важно при упрочнении, например, фундаментов сооружений, когда инъектирующий раствор необходимо нагнетать под подошву фундамента, а не вне его пределов.

Кожух 2 устройства своей поверхностью контактирует с грунтом 14, что предопределяет возникновение сил трения. В результате чего устройство служит, как бы пробкой, препятствующей движению инъектирующего раствора вверх и обеспечивающей поддержание давления в нем.

Следующим этапом устройство вновь поднимают на некоторую высоту, образуя полость 15 между поверхностью инъектирующего раствора и устройством. Вновь нагнетают инъектирующий раствор в образованную полость 15 и через нее в грунт на уровне нахождения полости. Таким образом, процесс инъектирования раствора в грунт последовательно повторяют, дискретно поднимая устройство на некоторую высоту и нагнетая инъектирующий раствор послойно на уровне нахождения вновь образованной полости.

Полость 9 является аккумулятором подаваемого инъекционного раствора, сглаживающим местные гидравлические напряжения. При подъеме устройства пробка 8 остается на дне скважины 12, поэтому полость 9 остается автоматически между отверстием 7 кожуха 2 и ударным узлом 1.

После нагнетания инъектирующего раствора в полость 15 скважины 12 включают устройство на работу в режиме прямого хода. В этом случае, двигаясь вперед, оно будет воздействовать создаваемым им же ударным импульсом на инъектирующий раствор и тем самым способствуя более глубокому его проникновению в грунт. После проведения этой операции осуществляют подъем устройства вверх и затем подают очередную порцию инъектирующего раствора в образованную полость 15. В дальнейшем эти операции повторяют.

Применение предлагаемого устройства для инъектирования раствора в грунт позволяет исключить вспомогательные операции по направлению трубопровода при проходке скважины на требуемую глубину, так как можно использовать шланг в качестве трубопровода требуемой длины. Кроме того, процесс инъектироваиия становиться практически непрерывным, так как нет необходимости извлекать из скважины 12 устройство, потому что появляется возможность пропуска инъектирующего раствора через устройство. Еще одним преимуществом предлагаемого устройства является повышение эффективности нагнетания инъектирующего раствора в грунт, так как скважина в верхней части всегда закупорена устройством, что исключает снижение давления в инъектирующем растворе.

1. Устройство для инъектирования в грунт растворов, содержащее ударный узел – пневмопробойник и охватывающий его кожух, отличающееся тем, что оно снабжено трубопроводом с нагнетающим насосом, при этом кожух жестко прикреплен к ударному узлу, а в его передней части выполнено отверстие, в котором установлена оставляемая на дне скважины пробка, при этом между пробкой и передней частью ударного узла образована полость, площадь которой в поперечном сечении равна или больше площади поперечного сечения трубопровода, расположенного между ударным узлом и кожухом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внешней поверхности передней части кожуха закреплены выступающие в радиальном направлении элементы для образования полости в грунте, при этом элементы размещены вдоль продольной оси корпуса.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выступающие в радиальном направлении элементы выполнены с малой жесткостью с возможностью изгиба в радиальном направлении.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выступающие в радиальном направлении элементы выполнены с переменной жесткостью.

5. Устройство по любому из пп.3 и 4, отличающееся тем, что выступающие в радиальном направлении элементы выполнены с канавкой в месте их изгиба.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выступающие в радиальном направлении элементы прикреплены к кожуху шарнирно.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выступающие в радиальном направлении элементы выполнены с упором, контактирующим с кожухом в крайнем своем положении.