ГИДРОМОНИТОРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

Полезная модель относится к строительству и может быть использована при укреплении грунтов способом струйной цементации при строительстве, реконструкции и ремонте зданий и сооружений различного назначения.
Цементный раствор поступает в гидромониторную насадку под высоким давлением. В насадке из цементного раствора формируется высоконапорная струя, которая производит размыв грунта стенок скважины и перемешивание грунта с материалом струи. Размытая скважина заполняется грунтоцементом, который при твердении образует тело подземной конструкции.
Сообщение струе пульсирующего или кавитационного режима позволяет повысить эффективность динамического воздействия напорной струи цементного раствора на грунт.
Известны гидромониторные насадки SU 1453921 A1 Е21С 45/00 опубл. 07.03.1989 и RU 2139641 C1 Е21С 45/02 опубл. 27.09.1999, которые снабжены механическими устройствами для прерывания струи жидкости, за счет чего вырабатывается пульсирующий режим струи жидкости.
Недостатком гидромониторных насадок является низкая частота пульсации струи жидкости из-за применения в насадках механических устройств.
Известно изобретение объединяющее группу изобретений « Способ бурения, бурильная машина, буровая головка и оборудование низа бурильной колонны для бурения с помощью импульсов электрического разряда» RU 2393319 С2 опубл. 16.06.2005, в котором приведена конструкция буровой головки с электродами, подвижными относительно друг друга, чтобы обеспечить физический контакт с забоем скважины для всех электродов при любом рельефе забоя.
Недостатками буровой головки является сложность ее конструкции, оснащение ее специальными механическими или гидравлическими системами для обеспечения контакта электродов с грунтом.
02
Известен способ получения высоких и сверхвысоких давлений SU 105011 58а,1; 12g,2; 59а,6 опубл. 1957 БИ №41. Особенностью способа является возникновение ударных давлений внутри любой жидкости, возникающих при протекании в ней токового импульсного разряда.
Известно устройство для ввода и вывода кабеля из колонны бурильных труб RU 2003791 Е21В 47/00 опубл. 30.11.1993, включающее переходник, образующий в резьбовом соединении с бурильной трубой канал для прохода кабеля и с фиксатором для кабеля.
Наиболее близким по технической сущности и выбранного за прототип принята гидромониторная насадка, состоящая из кольцевого корпуса с запрессованным в него вкладышем с отверстием, формирующим струю цементного раствора, а на выходе насадки установлено сопло Вентури ( Прогрессивные конструкции и технологии производства форсунок для струйных мониторов., С. 7, рис. 4. Вакутин А.П. и др., ООО «Специальная строительная техника», http://www.cct-drill.ru/assets/files/articles/2011_MiT_03_Tehnologiya_proizrvodstva_forsunok.pdf.).
Недостатком гидромониторной насадки является малый размыв малопроницаемых глинистых грунтов (супесь, суглинок, глина). При возведении подземных колонн по однокомпонентной технологии (Jet 1) «в глинах диаметр колонн не превышает 0,6 м» (Струйная цементация грунтов: монография. А.Г. Малинин - Пермь: Пресстайм 2007. - С. 12).
Целью полезной модели является создание конструкции гидромониторной насадки для струйной цементации повышенного разрушающего воздействия струи цементного раствора на грунт.
Поставленная цель достигается тем, что гидромониторная насадка для струйной цементации, содержащая кольцевой корпус с запрессованным в него вкладышем с отверстием для формирования струи цементного раствора, а так же сопло Вентури, при этом сопло Вентури установлено на корпусе насадки при помощи резьбового соединения, сопло изготовлено из ударопрочного пластика, в стенки сопла диаметрально противоположно установлены два электрода из тугоплавкого металла с выходом торцов электродов внутрь сопла заподлицо с внутренней поверхностью сопла.
Полезная модель поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен разрез гидромониторной насадки струйного монитора и схема, поясняющая работу насадки.
Гидромониторная насадка состоит из кольцевого корпуса 1. Внутрь корпуса 1 запрессован вкладыш 2 с отверстием 3 для формирования струи цементного раствора, подводимого к отверстию 3 по нагнетательному шлангу 4, и сопла 5 Вентури. Сопло 5 установлено на корпус 1 насадки при помощи резьбового соединения. Сопло 5 выполнено из ударопрочного пластика, например, АБС ГОСТ 28250 - 89. В корпусе сопла 5 диаметрально противоположно закреплены цилиндрические электроды 6 и 7, выполненные из тугоплавкого металла, например вольфрама, что снижает электрическую эрозию электродов 6 и 7. Выход торцов электродов 6 и 7 внутрь сопла 5 заподлицо с внутренней поверхностью сопла 5 не создают сопротивления движению струи цементного раствора.
Гидромониторная насадка закреплена в корпусе монитора 8, который установлен в нижней части буровой штанги 9 сразу за буровым долотом 10. В верхней части буровой штанги 9, ниже вертлюга 11, установлен токосъемник 12 и высоковольтный токосъемник 13.
Электрод 7 соединен с корпусом 8 монитора, а электрод 6 высоковольтным проводом 14 (может применяться провод ТУ 16 - 505.594 -74 ) соединен через токосъемник 13 с одним выходом регулируемого высоковольтного импульсного генератора 15 (см. Высоковольтные генераторы мощных импульсов, http://trakonta.com/git_a.html). Другой выход генератора 15 через токосъемник 12 соединен с корпусом буровой штанги 9. Провод 14 вводится в внутрь монитора 8 и выводится у токосъемника 13 через герметизирующие втулки 16 (согласно RU 2003791).
Гидромониторная насадка работает следующим образом.
После достижения долотом 10 проектной глубины, в процессе обратного хода буровой штанги 9, по шлангу 4 под высоким давлением подают цементный раствор. Цементный раствор поступает в отверстие 3 вкладыша 2 гидромониторной насадки. В отверстии 3 происходит формирование струи цементного раствора и преобразование потенциальной энергии цементного раствора, нагнетаемого под высоким давлением, в кинетическую энергию струи цементного раствора. Сопло 5 Вентури защищает сформировавшуюся струю цементного раствора от побочного влияния грунта на струю и увеличивает кинетическую энергию струи. При включении генератора 15 импульс высокого напряжения поступает по высоковольтному проводу 14 и корпусу буровой штанги на электроды 6 и 7. Происходит разряд электрического импульса между электродами 6 и 7, который вызывает разрыв струи цементного раствора и возникает гидроудар. Давление гидроудара придает струе цементного раствора повышенное разрушающее воздействие струи на грунт. При высоких частотах электрических импульсов генератора 15 создаются условия возникновения кавитации струи, которая так же придает струе цементного раствора повышенное разрушающее воздействие на грунт.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Конструкция гидромониторной насадки позволяет пропускать разряды импульсного тока непосредственно через струю цементного раствора. Разряды образуют пульсацию струи, а при больших частотах разрядов образуют кавитацию струи, что увеличивает разрушающую мощность цементной струи, которая в свою очередь приводит к увеличению поперечного сечения возводимой подземной конструкции.
Во первых - применение в конструкции насадки сопла Вентури увеличивает кинетическую энергию струи цементного раствора. При исследовании абразивоструйных сопел отмечено: «В настоящее время преимущественно используются сопла с расширяющимся к выходу каналом (форма трубы Вентури). Это позволяет увеличить скорость частиц в 1,5-1,8 раза, что соответствует увеличению, в 2-3 раза кинетической энергии частиц» (Абразивоструйное сопло. Материал из Википедии - свободной энциклопедии). Также применение сопла Вентури в конструкции предлагаемой насадки осуществляет фокусирующее и направляющее воздействие энергии гидроудара на обрабатываемую грунтовую поверхность. При этом сопло Вентури защищает формирование струи цементного раствора на начальном участке траектории струи от воздействия грунта.
Во вторых - результатом электрического импульсного разряда является электрогидравлический удар с «локальным давлением выше ста тысяч атмосфер (Русская наука. Эффект Юткина. http://www.kramola. info/video/protivostoianie/msskaja-nauka-jeffekt-jutkina).
В третьих - при кавитации, «Возникающее на этой стадии давление, по оценкам ученых, может достигать более 300 тысяч атмосфер. Неудивительно, что нет материалов, способных устоять перед кавитацией электрической искрой».(Электрогидроударная буровая установка - КВ. Авторы доклада А.А.Насыров и др., Тезисы доклада на XI Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле". Апрель 2013 год.)
Изготовление сопла Вентури из ударопрочного пластика увеличивает срок эксплуатации сопла, а так же является диэлектриком для электрического тока. Изготовление электродов из тугоплавкого металла уменьшает их электрокорозию, а диаметральная их установка гарантирует прохождение электрического импульса через струю цементного раствора. Установка электродов с выходом торцов электродов внутрь сопла заподлицо с внутренней поверхностью сопла не создает помехи для истечении струи цементного раствора из отверстия вкладыша. Установка сопла Вентури на корпусе насадки при помощи резьбового соединения дает возможность менять не только сопло на корпусе насадки, но и всю насадку.
Полезная модель позволяет повысить эффективность динамического воздействия напорной струи цементного раствора на грунт путем сообщения струе пульсационного режима за счет управления частотой и мощностью электрических импульсов в широком диапазоне.
При этом изменяя частоту и мощность разрядных импульсов, можно добиться максимального разрушающего воздействия струи цементного раствора на данный тип грунта.
При создании поля свай в тяжелых глинах однокомпонентной цементацией была опробована предлагаемая гидромониторная насадка. Замеры диаметров свай показали, что диаметров свай, создаваемых монитором со стандартной насадкой составил 0, 45 м, а с предлагаемой гидромониторной насадкой - 0,8 м, что на 80% больше.