Способ глубинного уплотнения грунта и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области строительства зданий и сооружений на слабых грунтовых основаниях и предназначено для уплотнения грунтов. Предлагаемый способ включает образование скважины в грунте, заполнение ее жидкой рабочей средой, опускание рабочего органа, перекрытие устья скважины. Перед каждым опусканием рабочего органа уровень заполнения скважины, глубину заполнения скважины рабочей средой осуществляют по установленным зависимостям. Для осуществления способа предложены варианты выполнения устройства. Заявленное изобретение обеспечивает глубинное уплотнение грунта, используя в качестве энергии силу гравитации. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений на просадочных грунтах, в частности к фундаментостроению, и может быть использовано при возведении свайных и столбчатых фундаментов на слабых грунтовых основаниях, а также для уплотнения насыпных грунтовых плотин.

Известен способ глубинного уплотнения грунта грунтовыми сваями, включающий пробивку скважин в грунте, с частичным послойным заполнением их малосжимаемыми материалами и последующим неоднократным уплотнением трамбующим рабочим органом до отказа (см., например, авт.свид. СССР №718541 от 05.09.78, E02D 3/04).

Недостатком этого способа является невозможность обеспечения равномерно-распределенного давления по вертикальным стенкам скважины в процессе уплотнения, поскольку основная часть усилия трамбования передается вертикально по глубине малосжимаемого материала на дно скважины.

Известен способ глубинного уплотнения грунта, включающий образование скважины, введение в нее полого упругого элемента, подачу в него рабочей среды и создание в ней гидравлического удара (см., например, авт.свид. СССР №654739 от 24.10.77, E02D 3/10).

Недостатком указанного способа является невозможность его осуществления одновременно по всей высоте скважины, поскольку уплотнение стенок происходит только в зоне расположения упругого элемента.

Постепенное ступенчатое уплотнение грунта в скважине, начиная с дневной поверхности к ее забою, требует большой многодельности и трудозатрат. Кроме того, эффективность гидравлического удара резко снижается при неплотном примыкании упругого элемента и трубы к стенкам скважины.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения, снижение трудоемкости технологии производства работ и повышение эффективности уплотнения грунта.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе, включающем образование скважины в грунте, заполнение ее жидкой рабочей средой, опускание рабочего органа, перекрытие устья скважины, перед каждым опусканием рабочего органа уровень заполнения скважины осуществляют согласно зависимости

Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой предпочтительно равно высоте разгона рабочего органа или его части - гравитационного толкателя-пригруза, м;

t - время опускания, с;

g - ускорение свободного падения, м/с²,

а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из зависимости

h - глубина заполнения скважины, м;

r₁ - радиус скважины, м;

r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м.

В варианте осуществления способа опорный фланец рабочего органа размещают в скважине в перекрытии устья скважины и производят сбрасывание гравитационного толкателя-пригруза на перекрытие с высоты, определяемой из зависимости (а)

Н - высота разгона части рабочего органа (пригруза);

t - время опускания, с;

g - ускорение свободного падения, м/с,

а глубину заполнения скважины h исходя из зависимости (б) полностью заполняют рабочей средой.

Максимальную плотность грунта получают в зависимости от массы рабочего органа согласно выражению

R - расчетное сопротивление грунта нормальному давлению, МПа;

m - масса рабочего органа, кг;

S - площадь устья скважины, м²;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Известно устройство для уплотнения бетонной смеси в полости скважины, содержащее пуансон с коническим наконечником и гравитационным толкателем, обсадной патрубок с опорным фланцем (см., например, авт.свид. СССР №968169 от 18.03.81, E02D 7/00).

Однако при использовании известного устройства повышение плотности грунта происходит преимущественно ниже острия наконечника в направлении дна скважины, при этом большая часть силы удара при сбрасывании рабочего органа передается на бетонную смесь также вниз коническими поясами, изготовление которых требует трудоемких операций.

Кроме того, после заполнения скважины бетонной смесью и сбросом пуансона для повторения цикла требуется очистка как внутренней поверхности обсадного патрубка, так и поверхности самого пуансона из-за попадания фракций бетонной смеси на соприкасающиеся поверхности.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем цилиндрический рабочий орган, выполненный в виде пуансона с коническим наконечником, гравитационного толкателя и опорного фланца, выполняющего роль заглушки устья скважины, длина пуансона выполнена согласно зависимости

Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой предпочтительно равно высоте разгона рабочего органа или его части - гравитационного толкателя-пригруза, м;

t - время опускания, с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из вышеприведенной зависимости,

где h - глубина заполнения скважины, м,

r₁ - радиус скважины, м;

r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м,

а опорный фланец, служащий заглушкой, выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трех диаметров скважины, причем плита размещена в верхней части пуансона на расстоянии, равном Lм от нижнего его конца, и в рабочем состоянии жестко и герметично прикреплена к нему с возможностью замены на плиту большего диаметра.

Возможно раздельное размещение плиты-заглушки и гравитационного толкателя перед опусканием рабочего органа. С этой целью в устройстве рабочий орган выполнен в виде пуансона с коническим наконечником, гравитационного толкателя и опорного фланца, выполняющего роль заглушки устья скважины, при этом длина пуансона выполнена согласно зависимости

Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой, м;

t - время опускания, с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из вышеприведенной зависимости,

где h - глубина заполнения скважины, м,

r₁ - радиус скважины, м;

r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м,

а опорный фланец, служащий заглушкой, выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трех диаметров скважины, при этом перед опусканием рабочего органа пуансон отделен от опорного фланца, последний размещен в устье скважины и служит направляющим приспособлением при падении пуансона с толкателем.

В варианте выполнения устройства поставленная цель достигается тем, что при выполнении рабочего органа в виде пуансона с конусообразной полостью и с ограничителем хода он размещен в устье скважины совместно с опорным фланцем с возможностью скольжения в нем, пуансон отделен от гравитационного толкателя, а опорный фланец выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трех диаметров скважины, при этом высоту разгона гравитационного толкателя-пригруза устанавливают из зависимости

где

Н - высота разгона гравитационного толкателя-пригруза, м;

t - время опускания, с;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Такие способы и устройства позволяют простыми средствами и с большой эффективностью получать в грунтах пониженной плотности требуемое уплотнение грунта на заданном расстоянии от скважины. Эффект развиваемых усилий в заполнителе скважины от гидравлического удара несравненно выше, чем динамический, по достигаемому результату и затратам времени.

Кроме того, в варианте выполнения устройства наряду с гидравлическим ударом возникает эффект кумуляции, который превосходит по развиваемой мощности усилие от гидравлического удара в 7 раз.

Способ и устройство для осуществления этого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез рабочего органа перед сбрасыванием в скважину; на фиг.2 - его продольный разрез в момент мгновенного перекрытия зазора в устье скважины, на фиг.3 - вариант выполнения способа и устройства.

Технология осуществления описываемого способа заключается в следующем.

Предварительно образованную скважину 1 заполняют жидкой рабочей средой 2 (например, первоначально можно начинать с воды и заканчивать жидким твердеющим цементно-песчаным раствором с пластифицирующими добавками).

Объем рабочей среды 2 (фиг.1) рассчитывают по предлагаемому способу таким образом, чтобы после полного погружения цилиндрического рабочего органа 3 с коническим наконечником 4 и пригрузом 5 (гравитационный толкатель) до момента перекрытия устья скважины плитой-заглушкой 6 уровень вытесняемой части жидкого материала 2 достиг заглушки 6 (фиг.2). Кромки 7 заглушки 6 предусматривают защиту от выдавливания грунта 8, а ее диаметр должен быть у устья скважины не менее трех диаметров скважины 1. При необходимости после нескольких циклов сбрасывания рабочего органа 3 заглушку 6 меняют на подобную большего диаметра.

В варианте осуществления способа на устье скважины устанавливают опорный фланец 6, который служит направляющим приспособлением для рабочего органа 3 и пригруза 5.

В варианте осуществления способа и устройства (фиг.3) скважину 1 полностью заполняют жидкой рабочей средой 2. Устье скважины заглушают пуансоном 9 с конической полостью 10 и с ограничителем хода 11. Пуансон 9 имеет возможность перемещения в опорном фланце-плите 6, имеющей кромки 7, до момента соприкосновения ограничителя хода 11 с заглушкой 6. Гравитационный толкатель 5 поднимают и сбрасывают с высоты, определяемой из зависимости (е).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Скважину 1, предварительно приготовленную известными способами, заполняют жидкой рабочей средой 2 до уровня, определяемого по предлагаемым зависимостям (а) и (б).

Затем рабочий орган 3 для смачивания рабочей средой 2 опускают в скважину 1 рывками для срыва пузырьков воздуха с поверхности рабочего органа и поверхности скважины. Тем самым представляется возможным получить эффект гидравлического удара, предотвратить кавитационную эрозию материала рабочего органа 3 и снизить силу трения при погружении.

С определенной высоты, которую устанавливают не менее величины, определяемой согласно зависимости (а), сбрасывают в скважину 1 рабочий орган 3, длину которого назначают из зависимости (г).

Падение рабочего органа 3 происходит до момента перекрытия плитой-заглушкой 6 устья скважины 1.

После этого все операции повторяют, причем после каждого подъема рабочего органа 3 на первоначальную высоту определяют размер вновь образовавшегося диаметра скважины 1 и уровень ее заполнения. При необходимости доливают рабочей средой 2 до уровня согласно зависимостям (а) и (б) и меняют заглушку 6 на плиту большего диаметра.

В варианте осуществления способа и устройства (фиг.3) скважину 1 полностью заполняют рабочей средой 2. Устье скважины заглушают пуансоном 9 с конической полостью 10, скользящим в опорном фланце 6 и имеющим ограничитель хода 11. Гравитационный толкатель 5 сбрасывают на пуансон 9 с высоты Н согласно зависимости (е). В этом случае гидравлический удар возникает в неподвижной жидкой среде 2 и дополнительно благодаря конической полости 10 возникает эффект кумуляции. После каждого сбрасывания определяют диаметр скважины 1, количество рабочей среды 2, при необходимости, доливают, меняют фланец 6 на больший диаметр и цикл повторяют.

Технология производства работ предполагает проведение первоначальных опытных работ по нескольким скважинам в различных местах участка, уплотнение грунтов с целью определения длины рабочего органа 3, веса пригруза 5, количества опусканий, смены заглушек 6 и рабочей среды 2 до момента получения требуемого расчетного сопротивления грунта согласно зависимости (в).

Имея результаты этих работ, можно их использовать для всего данного участка, не производя определений параметров величин по каждой скважине.

Описываемый способ позволяет упростить не только технологию уплотнения слабонесущих грунтов, но и технологию возведения свайных фундаментов на подобных грунтах.

Эффективность применения данного способа выражается в том, что при использовании серийного подъемного оборудования и существующих несложных конструкций представляется возможным с помощью явления гидравлического удара, усиленного действием кумулятивного эффекта, развивать в заполненной жидкостью скважине давление 100-200 атм в зависимости от веса гравитационного пригруза, высоты сбрасывания и от грунтовых условий.

Этот способ по эффекту приближается к воздействию на грунты заряда взрывчатого вещества ВВ, что позволяет использовать его непосредственно вблизи существующих зданий и сооружений без неблагоприятных для них последствий и без оформления и согласования работ в случае применения опасных ВВ.

Следует особо добавить, что если при гидравлическом ударе используется в жидкой рабочей среде эффект ее упругой деформации, скорость распространения которой равна 1,5 км/с, то в варианте выполнения устройства для осуществления описываемого способа с конической полостью в рабочем органе дополнительно возникает эффект кумуляции со скоростью распространения возмущений в жидкой среде 10 км/с.

При технико-экономическом сравнении заявляемого предлагаемого изобретения с существующими выбран базовый объект - способ повышения несущей способности слабых оснований путем уплотнения в скважинах малосжимаемого материала трамбованием. Этот способ является наиболее распространенным, описан в авт.свид. СССР №718541 и рекомендован нормативным документом "Руководство по проектированию оснований и сооружений", М.: Стройиздат, 1977, с.267-270.

Технические преимущества описываемого способа по сравнению с базовым объектом состоят в следующем:

- в увеличении зоны уплотнения за счет использования физических явлений, развивающих в жидкой среде большие усилия, и, как следствие,

- при завершающем цикле работ в более глубоком инъектировании твердеющего материала заполнителя скважины в грунт.

Указанные преимущества позволяют использовать заявляемый способ при глубинном уплотнении грунта насыпных плотин с целью ликвидации фильтрационных потоков в теле насыпи.

Экономическая эффективность выражается:

- в применении и использовании серийных материалов и оборудования;

- в снижении энергетических затрат;

- в снижении трудоемкости производства работ из-за уменьшения количества скважин на единицу площади участка.

1. Способ глубинного уплотнения грунта, включающий образование скважины в грунте, заполнение ее жидкой рабочей средой, опускание рабочего органа, перекрытие устья скважины, отличающийся тем, что перед каждым опусканием рабочего органа уровень заполнения скважины осуществляют согласно зависимости

где Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой, предпочтительно равно высоте разгона рабочего органа или его части - гравитационного толкателя-пригруза, м;
t - время опускания, с;
g - ускорение свободного падения, м/с²,
а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из зависимости

где h - глубина заполнения скважины, м;
r₁ - радиус скважины, м;
r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорный фланец рабочего органа размещают в скважине в перекрытии устья скважины и производят сбрасывание гравитационного толкателя-пригруза на перекрытие с высоты, определяемой из зависимости (а)

где Н - высота разгона части рабочего органа (пригруза);
t - время опускания, с;
g - ускорение свободного падения, м/с²,
а глубину заполнения скважины h, исходя из зависимости (б), полностью заполняют рабочей средой.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что максимальную плотность грунта получают в зависимости от массы рабочего органа согласно выражению

где R - расчетное сопротивление грунта нормальному давлению, МПа;
m - масса рабочего органа, кг;
S - площадь устья скважины, м²;
g - ускорение свободного падения, м/с².

4. Устройство для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что рабочий орган выполнен в виде пуансона с коническим наконечником, гравитационного толкателя и опорного фланца, выполняющего роль заглушки устья скважины, при этом длина пуансона выполнена согласно зависимости
L=Н+h,
где
Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой, предпочтительно равно высоте разгона рабочего органа или его части - гравитационного толкателя-пригруза, м;
t - время опускания, с;
g - ускорение свободного падения, м/с²,
а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из
зависимости (б), где
h - глубина заполнения скважины, м;
r₁ - радиус скважины, м;
r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м.
а опорный фланец выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трем диаметрам скважины, причем плита размещена в верхней части пуансона на расстоянии, равном L_М от нижнего его конца, и в рабочем состоянии жестко и герметично прикреплена к нему с возможностью замены на плиту большего диаметра.

5. Устройство для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что рабочий орган выполнен в виде пуансона с коническим наконечником, гравитационного толкателя и опорного фланца, выполняющего роль заглушки устья скважины, при этом длина пуансона выполнена согласно зависимости
L=H+h,
где
где Н - расстояние от поверхности земли до уровня заполнения скважины рабочей средой, м;
t - время опускания, с;
g - ускорение свободного падения, м/с²,
а глубину заполнения скважины рабочей средой устанавливают из зависимости (б),
где h - глубина заполнения скважины, м;
r₁ - радиус скважины, м;
r₂ - радиус поперечного сечения рабочего органа, м,
а опорный фланец выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трем диаметрам скважины, при этом перед опусканием рабочего органа пуансон отделен от опорного фланца, последний размещен в устье скважины и служит направляющим приспособлением при падении пуансона с толкателем.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что при выполнении рабочего органа в виде пуансона с конусообразной полостью и ограничителем хода он размещен в устье скважины совместно с опорным фланцем с возможностью скольжения в нем, пуансон отделен от гравитационного толкателя, а опорный фланец выполнен в виде круглой плиты с направленной вниз заостренной кромкой по внешнему периметру плиты, диаметр которой равен не менее трем диаметрам скважины, при этом высоту разгона гравитационного толкателя-пригруза устанавливают из зависимости

где Н - высота разгона гравитационного толкателя, м;
t - время опускания, с;
g - ускорение свободного падения, м/с².