МОНИТОР ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ

Полезная модель относится к строительной технике и предназначена для формирования в грунте подземных сооружений по технологии однокомпонентной струйной цементации в глинистых и суглинистых грунтах.
Струйная цементация грунтов основана на разрушении природной структуры грунта энергией высокоскоростной струи водоцементного раствора и перемешивании его с материалом грунта. После твердения раствора образуется новый материал - грунтоцемент, обладающий высокими прочностными и деформационными характеристиками.
При формировании подземных конструкций струйной цементацией низкие результаты дает их возведение в тонкодисперсных грунтах, а именно в связанных глинистых грунтах (ГОСТ25100-2011). «Так, например, в глинах диаметр колонн не превышает 0,6 м, … в песках достигает 1,0 м» (Струйная цементация грунтов. А.Г. Малинин. - Пермь: Престайм, 2007. - С. 12).
Известно «В глинистых грунтах, особенно пластичной или текучей консистенции, наблюдаемое снижение их прочности при вибрационных воздействиях или повторяющихся импульсах можно объяснить не только изменением их напряженного состояния, но и временным уменьшением характеристики их прочности. Предполагается, что при динамических воздействиях молекулы связанной воды и ионы диффузного слоя приходят в движение и временно теряют ориентацию и связь с твердыми частицами. Внешне создается впечатление, что грунт как бы увлажняется и, например, из пластичной переходит в текучую консистенцию. В результате этих явлений тиксотропии его характеристики прочности уменьшаются» (Сжимаемость и прочность грунтов при динамических воздействиях. https://injzashita.com/sjimaemost-i-prochnost-gruntov-pri-dinamicheskix-vozdeiestviyax.html). А так же «Быстродействующие и ударные нагрузки вызывают в грунтах волновые процессы, которыми и определяются уровень напряженного состояния и связанная с этим уровнем деформация. Нагрузки такого типа служат причиной тиксотропных превращений грунтов, в результате которых снижается предел их прочности и сопротивляемость внешним воздействиям» (Напряжения и деформации в грунтах при быстродействующих и ударных нагрузках. http://stroi-archive.ru/prochnost-dorog/46-napryazheniya-i-deformacii-v-gruntah-pri-bystrodeystvuyuschih-i-udarnyh-nagruzkah.html).
Известен способ генерирования волн давления в стволе нагнетательной скважины, RU 2670623 С9 Е21В 43/25 опубл. 24.10.2018, при котором устанавливают на конце насосно-компрессорной трубы гидродинамический генератор, прокачивают жидкость, через генератор и формируют волны давления в затрубном пространстве нагнетательной скважины. Техническим результатом является увеличение амплитуды колебаний давления в затрубном пространстве нагнетательной скважины. В качестве гидродинамического генератора применяют скважинный акустический излучатель в потоке жидкости, представляющий собой полое тело вращения и состоящий из: цилиндрической камеры с двумя плоскими крышками; осесимметричного сопла, выполненного в центре передней крышки и выходного отверстия с острой кромкой, выполненного соосно соплу в центре задней крышки; причем сопло включает сужающийся разгонный участок и цилиндрический выравнивающий участок, заканчивающийся плоским сопловым, срезом, ортогональным оси сопла, причем геометрия сужающегося разгонного участка плавно сопряжена с геометрией цилиндрического выравнивающего участка без излома контура сопла, а плоский сопловой срез расположен на внутренней стенке передней крышки.
Недостатком гидродинамического генератора является необходимость конструктивного изменения параметров генератора при изменении типа жидкости или ее физических параметров.
Известен гидродинамический генератор колебаний в потоке жидкости, SU 1450448 A1 Е21В 43/00 опубл. 20.08.2000, снабженный размещенной в корпусе втулкой с перепускными и осевым каналами, упругим элементом, установленным на валу съемным грузом и клапанами, закрепленными на валу с возможностью перекрытия окон, причем вал выполнен с лопастями и подвижно размещен в осевом канале втулки, а упругий элемент закреплен своими концами во втулке и на валу.
Недостатком генератора является конструкция с сообщающимися рабочими каналами через выходной коллектор и невозможность использовать перепад давления, создаваемый между заполненным и незаполненным рабочими каналами.
Известно устройство для освоения и обработки скважины, RU 2065921 C1 Е21В 28/00 опубл. 27.08.1996, состоящее из корпуса с горизонтальным отверстием, в котором размещена ось. На оси с возможностью вращения размещен кулачок для периодического перекрытия тангенциального подводящего канала в горизонтальное отверстие и выходного из него осевого канала корпуса. Горизонтальное отверстие с боков перекрыто кольцами с конусными сужениями. Концы оси пропущены через отверстия колец с зазором и закреплены с наружной стороны в дисках, установленных впотай горизонтального отверстия. В дисках выполнены секторные окна.
Недостатком устройства является небольшая амплитуда колебаний вследствие невысокой эффективности преобразования кинетической энергии струи в энергию колебательного движения среды из-за большого гидравлического сопротивления устройства.
В качестве прототипа принят монитор для Jet-1, http://https://rosprombur.ru/monitor-jet-1-o89-mm.html,, содержащий корпус, в виде цилиндрической трубы с резьбой на одном конце для соединения с буровой штангой и резьбой на другом конце для соединения с буровым наконечником, и струйную форсунку. Струйный монитор является устройством обеспечивающим струеформирование и перемешивание водоцементного раствора с грунтом при струйной цементации.
Целью полезной модели является создание конструкции монитора для увеличения размеров размыва при струйной цементации тонкодисперсного грунта.
Поставленная цель достигается тем, что монитор для струйной цементации тонкодисперсных грунтов, содержащий корпус в виде цилиндрической трубы с резьбой на одном конце для соединения с буровой штангой и с резьбой на другом конце для соединения с буровым наконечником, и струйную форсунку, а так же монитор снабжен струйным резонатором, представляющим собой цилиндрическую камеру, образованную двумя отрезками цилиндрических труб: внешней трубой и внутренней трубой, соединенных между собой при помощи резьбового соединения, при этом внешняя труба содержит резьбу на внутренней поверхности, а внутренняя труба имеет резьбу на внешней и внутренней поверхности, свободные концы труб закрыты круглыми плоскими торцевыми крышками, установленными перпендикулярно оси камеры резонатора, причем вход водоцементного раствора в резонатор производится через струйную форсунку, закрепленную в центре крышки, установленной на внутренней трубе, а выход производится через отверстие, вырезанное в крышке внешней трубы, причем конец внешней трубы с крышкой закреплен в вырезе корпуса монитора выше резьбы монитора для соединения его с буровым наконечником, а так же внутри внутренней трубы при помощи установочного кольца с резьбой и стоек закреплено кольцо резонатора, изготовленного из твердосплавного материала с отверстием имеющим острую кромку, обращенную к входу резонатора, причем положение внутренней трубы и установочного кольца фиксируются при помощи стопорных колец с резьбой.
Между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Одним из существенных признаков является:
- введение в монитор струйного резонатора - устройства преобразующего часть кинетической энергии водоцементной струи в волны давления этой струи;
- конструкция струйного резонатора дает возможность, без изменения конструкции, регулировать частоту и амплитуду волн давления при изменении параметров раствора;
- изготовление кольца резонатора из твердосплавного материала гарантирует длительность эксплуатации резонатора;
- применение стопорных колец фиксируют параметры конструкции резонатора и придают жесткость конструкции струйного резонатора.
Совокупность существенных признаков, а именно конструкция элементов, наличие связи между элементами, взаимное расположение элементов, параметры, материал из которого выполнены элементы, характеризуют заявленное решение как монитор для струйной цементации тонкодисперсных грунтов и достаточно для достижения поставленной цели.
Сущность полезной модели заключается в том, что предлагаемая конструкция монитора снабжена струйным резонатором, который генерирует колебания давления струи водоцементного раствора и воздействуя на тонкодисперсный грунт увеличивает размеры его размыва.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид монитора в разрезе, на фиг. 2 разрез А-А.
На фиг. 1 показан разрез монитора, корпус 1 которого выполненный в виде металлического полого цилиндра с резьбой 2 и 3 на концах корпуса 1 для соединения с буровой штангой и буровым наконечником (на чертеже не показаны). Монитор снабжен струйным резонатором 4, представляющим собой цилиндрическую камеру, образованную двумя отрезками цилиндрических труб: внешней трубой 5 и внутренней трубой 6, причем на внешней трубе 5 нарезана резьба на внутренней поверхности, а на внутренней трубе 6 нарезана резьба на внешней и внутренней поверхности. Камера резонатора 4 образована резьбовым соединением трубы 5 и трубы 6. Свободные концы труб 5 и 6 закрыты круглыми плоскими торцевыми крышками 7 и 8, установленными перпендикулярно оси камеры резонатора 4. По центру крышки 8 внутренней трубы 6 закреплена струйная форсунка 9, через сопло которой водоцементный раствор поступает в струйный резонатор 4. В крышке 7 вырезано отверстие для выхода водоцементного раствора из резонатора 4. Выше резьбы 3 монитора для соединения его с буровым наконечником, в вырезе корпуса 1, закреплен конец внешней трубы 5 с крышкой 7. Внутри трубы 6 при помощи установочного кольца 10 с резьбой, (фиг. 2) и стойками 11 закреплено кольцо 12 резонатора из твердосплавного материала с отверстием имеющим острую кромку, обращенную к выходу форсунки 9. Расстояние F определяет вылет струи водоцементного раствора из сопла струйная форсунки 9 и задает частоту ударных волн. Расстояние Н, от крышки 7 резонатора 4 до кольца 10 определяет объем камеры резонатора 4, отвечающий за усиление ударных волн. Труба 6 и кольцо 10 фиксируются в резонаторе 4 при помощи стопорных колец с резьбой 14 и 15.
В предлагаемой конструкции монитора заложена возможность настраивать частоту генерации первичных колебаний давления на острой входной кромке кольца 12, за счет перемещения кольца 10 вдоль оси струи по резьбе трубы 6. При этом расстояние между крышками 7 и 8 за счет перемещения трубы 6 по резьбе трубы 5 можно изменять в широком интервале независимо от перемещения кольца 12 внутри трубы 6. Это позволяет изменять объем камеры между крышками 7 и 8 также в широком интервале для согласования частоты собственных колебаний камеры с частотой первичных колебаний давления на острой кромке кольца 12.
Монитор работает следующим образом.
Для струйной цементации грунтов рекомендуется использовать водоцементные растворы с водоцементным отношением 0,8-1,2 (СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве. М.: - Изд. БСТ-2011 - п. 5.6.10). То есть при различных значениях водоцементного отношения плотность раствора различна и при применении струйного резонатора в мониторе будут меняться параметры ударных волн, поэтому предварительно необходимо произвести отработку струйного резонатора, а именно определить расстояние F, определяющее частоту ударных волн, и расстояние Н, выбрав максимальное силу колебательных давлений ударных волн для каждого значения водоцементного отношения раствора.
Перед проведением процесса струйной цементации производят перестройку конструкции резонатора для заданного по проекту водоцементного отношения раствора, перемещая кольцо 10 по внутренней резьбе трубы 6 устанавливают требуемое расстояние F и фиксируют расстояние стопорным кольцом 14, а так же перемещая трубу 6 по внутренней резьбе трубы 5 устанавливают расстояние Н и фиксируют расстояние стопорным кольцом 15.
При подъеме буровой штанги начинается процесс струйной цементации и в камеру монитора, под высоким давлением, подается водоцементный раствор, который в струйной форсунке 9 формируется в струю круглой формы. Струя раствора, протекая сквозь отверстие кольца 12 задевает своей возмущенной периферией острую кромку кольца 12 и генерирует первичные локальные колебания давления в области кольца 12, которые передаются струе раствора. Проходя сквозь отверстие кольца 12 ударные волны усиливаются в камере между кольцом 10 и заглушкой 7. Струйный резонатор 4 создает колебания давления в протекающей через него водоцементный раствор, распространяя свое воздействие на струю раствора, обрабатывающую грунт, в результате чего снижается предел прочности тонкодисперсных грунтов и уменьшается их сопротивляемость внешним воздействиям, а именно напору водоцементной струи.
«Динамические воздействия особенно сильно проявляются при деформациях сдвига, что объясняется облегчением условий взаимного смещения частиц. Этим также объясняется снижение прочности грунтов при вибрационных воздействиях. Это приводит к накоплению пластических деформаций сдвига и, в конце концов, к разрушению грунта» (Механические свойства грунтов при динамических воздействиях. http://stroi-archive.ru/mehanika-gruntov/539-mehanicheskie-svoystva-gruntov-pri-dinamicheskih-vozdeystviyah.html).
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности размыва тонкодисперсных грунтов за счет придания струе раствора колебаний волн давления. Предварительные исследования показали увеличение размеров возведенных конструкций струйной цементацией в тонко дисперсных грунтах в 1,3-1,8 раз.