УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЛУБИННОГО УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА

Полезная модель относится к строительству, в частности к устройствам для введения закрепляющих материалов и их перемешивания с грунтом с образованием столбчатых конструкций.
Известно устройство для глубинного укрепления грунта, включающее полый поворотный корпус с соединительной муфтой, закрепленные на корпусе забурник, по крайней мере, две режущие лопасти с соплами и каналами для подачи вяжущего материала, и перемешивающие лопасти, выполненные в виде вертикально установленных на верхней грани, с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, на осях, под углом к продольной оси каждой режущей лопасти ряда лопаток, и установленные на верхних гранях устройства упоры, ограничивающие угол поворота этих лопаток на 30°-75° к ее продольной оси (Патент РФ №2357042 RU E02D 3/12. 2009. - №15).
Данное техническое решение имеет более простую конструкцию и позволяет повысить качество укрепления главным образом однородных грунтов, относительно легко поддающихся механическому разрушению и перемешиванию во влажном состоянии посредством лопаток, выполненных вышеуказанным образом.
Недостаток данного устройства для глубинного укрепления грунта заключается в низкой эффективности перемешивания неоднородных грунтов с вяжущим, при наличии в грунтах комковатых глинистых включений, из-за наличия у каналов сопел обычного цилиндрического профиля с обычным коническим входом(воронка), не обеспечивающего необходимой кинетической энергии струи из-за невысоких скоростей истечения вяжущего материала из каналов сопел.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для глубинного укрепления грунта, включающее полый поворотный корпус с соединительной муфтой, закрепленные на корпусе забурник, по крайней мере, две режущие лопасти с соплами и каналами с коноидальным профилем для подачи вяжущего материала, и перемешивающие лопасти, выполненные в виде вертикально установленных на верхней грани, с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, на осях, под углом к продольной оси каждой режущей лопасти ряда лопаток, и установленные на верхних гранях упоры, ограничивающие угол поворота этих лопаток на 30°-75° к ее продольной оси (Патент РФ №95686 RU E02D 3/12. 2010. - №19).
Данное техническое решение, за счет наличия каналов именно коноидального профиля, позволяет повысить скорость истечения вяжущего из сопел и кинетическую энергию струи и тем самым обеспечить ударное воздействие последней по комковатым глинистым включениям в слабых грунтах, что в конечном итоге повышает эффективность перемешивания неоднородных грунтов с вяжущим.
Недостаток данного устройства для глубинного укрепления грунта заключается в низкой эффективности перемешивания тяжелых глинистых грунтов с вяжущим, из-за наличия у коноидальных каналов сопел постоянного угла наклона(атаки) к забою, рассчитанного на форсированные режимы бурения обычно слабых и неоднородных грунтов, где режущие лопасти устройства относительно легко разрушают забой. При бурении же тяжелых однородных глинистых грунтов рабочие нагрузки на режущих лопастях данного устройства резко возрастают и частоту вращения (а следовательно и скорость проходки) вынужденно уменьшают, и так как высоконапорные струи вяжущего материала направлены под постоянным углом наклона(атаки) к забою они не способствуют облегчению резания тяжелых глинистых грунтов и производительность глубинного укрепления грунта в данных условиях существенно снижается.
Полезная модель направлена на повышение производительности глубинного укрепления грунта на тяжелых глинистых грунтах за счет того, что в устройстве для глубинного укрепления грунта, включающем полый поворотный корпус с соединительной муфтой, закрепленные на корпусе забурник, по крайней мере, две режущие лопасти с соплами, каналами коноидального профиля с клапанами для подачи вяжущего материала, и перемешивающие лопасти, выполненные в виде вертикально установленных на верхней грани, с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, на осях, под углом к продольной оси каждой режущей лопасти ряда лопаток, и установленные на верхних гранях упоры, ограничивающие угол поворота этих лопаток на 30°-75° к ее продольной оси, сопла с каналами коноидального профиля выполнены шарообразными и закреплены с возможностью изменения угла наклона каналов к поверхности забоя. При этом шарообразные сопла размещены в шарообразных гнездах, установленных на режущих лопастях, и закреплены посредством гаек, а на рабочих поверхностях клапанов выполнены впадины, конгруэнтные шарообразным соплам.
На фиг.1 изображено устройство для глубинного укрепления грунта, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.1, с вариантом установки лопаток при вращении по стрелке В; на фиг.4 - то же, с вариантом установки лопаток при вращении по стрелке Г.
Устройство для глубинного укрепления грунта 1 включает полый поворотный корпус 2, по которому подается вяжущий материал, соединительную муфту 3 для присоединения устройства 1 к штанге буросмесительной машины (не показана), забурник 4, режущие лопасти 5 и перемешивающие лопатки 6. Забурник 4 состоит из пластин 7, к которым прикреплены болтами 8 ножи 9 и обечайка 10 верхняя кромка 11 которой установлена под режущей кромкой 12 режущей лопасти 5. Режущие лопасти 5 имеют центральные каналы 13, соединенные с внутренней полостью 14 полого поворотного корпуса 2, и каналами коноидального профиля 15 шарообразных сопел 16, закрываемых клапанами 17.
При этом шарообразные сопла 16 установлены в шарообразных гнездах 18, выполненных на режущих лопастях 5, и закреплены посредством гаек 19 с возможностью изменения угла наклона каналов 15 к поверхности забоя, а на рабочих поверхностях клапанов 17 выполнены впадины 20,конгруэнтные шарообразным соплам 16. Клапаны 17 содержат корпус 21, установленный на осях 22 в проушинах 23 и 24. На верхних гранях 25 режущих лопастей 5 закреплены на осях 26, например, шайбой 27 и шплинтом 28, перемешивающие лопатки 6, которые имеют возможность поворачиваться между упорами 29 и 30 на угол 30°-75° к оси режущей лопасти 5. Причем оси 26 на одной режущей лопасти 5 установлены ближе к периферии, и перемешивающие лопатки 6 направлены к полому поворотному корпусу 2, а на другой режущей лопасти 5 - ближе к полому поворотному корпусу 2, а перемешивающие лопатки 6 направлены к периферии.
Устройство работает следующим образом. Перед началом бурения в зависимости от вида закрепляемого грунта (по проекту) в устройстве 1 отворачиваются гайки 19 и шарообразные сопла 16 поворачиваются(при помощи штыревого воротка, не показан) своими коноидальными каналами 15 на необходимый угол к поверхности забоя и затем вновь закрепляются посредством гаек 19. При этом в случае бурения слабых грунтов угол наклона коноидальных каналов 15 к поверхности забоя увеличивают, что способствует увеличению диаметра закрепляемого грунта при хорошей скорости проходки. А при бурении тяжелых глинистых грунтов угол наклона коноидальных каналов 15 наоборот уменьшают (ближе к продольной оси), что позволяет использовать эффект гидроразмыва призабойной зоны высоконапорной струей и повысить скорость проходки тяжелых грунтов. После выставки сопел 16 на соответствующие углы устройство 1 с помощью муфты 3 закрепляется на буровой полой штанге буросмесительной машины известной конструкции (штанга не показана) и ему придается вращение в направлении стрелки Г (фиг.4) и вертикальное перемещение в направлении стрелки Б (фиг.1). В момент касания режущих лопастей 5 укрепляемого грунта по полой штанге (штанга не показана) в полость 14 устройства 1 подается вяжущий материал, например водоцементная суспензия, которая по центральным каналам 13 через коноидальные каналы 15 шарообразных сопел 16 с большой скоростью вводится в грунт, последний, смоченный вяжущим и взрыхленный энергией струи, интенсивно измельчается и разрыхляется ножами 9 забурника 4 и режущей кромкой 12 режущих лопастей 5 и перемешивается перемешивающими лопатками 6, смещаясь то к периферии (показано стрелками Д на фиг.4), под действием перемешивающих лопаток 6 одной режущей лопасти 5, то к полому поворотному корпусу 2 (показано стрелками З на фиг.4) под действием перемешивающих лопаток 6 другой режущей лопасти 5. Перемещение грунта по глубине его обработки обеспечивается в плоскости верхней грани режущей лопасти 5, что позволяет хорошо перемешивать смесь грунта с вяжущим. При достижении заданной глубины укрепления грунта прекращается подача вяжущего материала, устройству 1 придается обратное перемещение вверх и обратное вращение в направлении стрелки В (фиг.3). При этом грунт продолжает измельчаться режущими лопастями 5 и перемешиваться перемешивающими лопатками 6, легко перемещаемыми по поверхности верхних граней 22 режущих лопастей 5. Режущие лопасти 5 нижними поверхностями производят уплотнение смеси грунта с вяжущим. Смесь прижимает корпуса 21 клапанов 17 рабочими поверхностями с впадинами 20 к шарообразным соплам 16, что предохраняет их от забивания грунтом, а ножи 9 забурника 4 и обечайка 10 способствуют созданию равнопрочной зоны укрепления насыпного грунта при подъеме из скважины предлагаемого технического устройства.
Выполнение сопел с каналами коноидального профиля шарообразными и их закрепление с возможностью изменения угла наклона каналов к поверхности забоя позволяет направлять высоконапорные струи вяжущего в зону резания, способствовать гидроразмыву грунта и тем самым облегчить работу режущих лопастей устройства без снижения скорости проходки и, в целом, способствует повышению производительности глубинного укрепления грунта на тяжелых глинистых грунтах.