УПОР БУРОВОЙ УСТАНОВКИ, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ПРИ УКРЕПЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области строительства, в том числе транспортного, дорожного и гидротехнического, и может быть использована для укрепления земляных сооружений различного назначения, в том числе насыпей земляного полотна, дамб, откосов земляных сооружений, предназначенных для строительства на них различных сооружений и т.п. объектов, возводимых на слабых, в том числе болотистых грунтах. Полезная модель направлена на основные ситуации использования труб в скважинах, когда часто наблюдается наличие водных масс в грунте при погружении в скважины (весна, лето, осень и зима с несильными морозами), и при таких температурах, когда лишь иногда образуется «ледяная пробка» (зимой), и то не сразу.
Задачу снижения трудо- и материалозатрат, сокращение сроков производства работ, повышения надежности укрепления и долговечности укрепляемых конструкций при обеспечении возможности выполнения работ по укреплению земляных сооружений с откосами любой крутизны и в условиях строительства или укрепления земляных сооружений, расположенных на слабом, в том числе, болотистом основании, а также уменьшения величины упругих колебаний земляного сооружения до заданного нормативного значения решает СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ по патенту RU 2114957, опубл.: 10.07.1998.
Решение выбрано за прототип.
Способ по прототипу включает бурение с использованием обсадных труб скважин вдоль сооружения с прорезкой его тела, подстилающего слоя торфа и заглублением в минеральное дно. Затем в скважины последовательно опускают рабочий электрод, который подключают к электроимпульсной установке, заполняют скважины твердеющим материалом и производят электрические разряды в уровне нижней части скважины и по мере его подъема до образования вдоль рядов скважин противофильтрационных стенок из образующихся примыкающих вплотную друг к другу или секущихся свай. Устройство для укрепления включает подвижную платформу, состоящую из четырех соединенных гибкой связью секций, и опор в виде двух рядов труб, расположенных вдоль сооружения в пробуренных скважинах. Трубы наиболее удаленного от продольной оси сооружения ряда образуют поддерживающие элементы опор, а трубы другого ряда образуют обсадные элементы для производства работ по укреплению. На первой по ходу секции платформы размещен буровой станок, на двух следующих - электроимпульсная установка и тяговые лебедки для перемещения платформы, а на последней секции - поворотный кран для извлечения труб из скважин.
При всех достоинствах решения по прототипу в части снижения трудо- и материалозатрат, сокращения сроков производства работ и повышение качества укрепления и долговечности сооружения, оно обладает рядом недостатков.
В частности, по ходу производства работ секции платформы, где размещен буровой станок и поворотный кран для извлечения из скважин труб, образующих поддерживающие и обсадные элементы опор, сами трубы являются инвентарными и после извлечения из скважин эти трубы посылают на первую секцию платформы для повторного использования.
Однако процесс извлечения труб краном сопряжен с рядом неудобств. Требуется обхват труб и в процессе подъема из вязкого и глинистого грунта они выскальзывают из обхвата. Решением проблемы извлечения труб явилось бы их удержание крюком крана посредством некоего приспособления на трубе, но подобных решений в прототипе не описано. Однако, даже при наличии некоего крюка, он создавал бы неудобство при транспортировке труб и при их погружении в заранее пробуренное отверстие. Кроме того, процесс погружения труб в заранее пробуренное отверстие чреват рядом проблем при наличии близко расположенных к поверхности грунтовых водах. В частности, при бурении отверстия при низких отрицательных температурах бур проникает до уровня грунтовых вод, где вода не мерзлая. Однако, после погружения труб в отверстия, холод быстро проникает в них и вода замерзает, формируя ледовые массы внутри трубы, которые приводят к их замерзанию изнутри трубы и в процессе извлечения трубы из грунта ее приходится поднимать вместе с этими водными массами. Попутно вокруг трубы внутри отверстия, куда она заглублена, также происходит замерзание вод. В результате, подъем (извлечение) труб становится в условиях отрицательных температур задачей очень сложной.
Помимо этого, решение по прототипу создано исключительно для выполнения работ в заболоченных грунтах, где заглубление производят в подстилающий слой торфа. Фактически же при укреплении земляных сооружений в зонах автодорог и железных дорог процентная доля заболоченных грунтов не доминирующая. Встречаются также задачи укрепления насыпей дорог в зонах грунтов вечной мерзлоты, тундры, сплошных и мерзлых песков, и других.
Устранение указанных проблем реализуется в решении по патенту RU 165963 U, опубл.: 10.11.2016., и принятому за прототип. В нем описан упор буровой установки, функцией которой является укрепление земляного сооружения, выполненный в виде трубы и с возможностью использования его в качестве поддерживающего элемента буровой установки, причем в трубе выполнено удерживающее отверстие и водосливные отверстия, которые выполнены в той части трубы, которая находится ниже уровня ее заглубления в скважину.
Технической проблемой прототипа является недостаточно эффективный процесс слива воды из водосливных отверстий, если не конкретизировать их форму и расположение. Например, при расположении центров отверстий вдоль одной линии может возникнуть ситуации, при которой при опускании трубы в скважину труба будет очень плотно касаться стенки скважины именно в тех местах, где выполнены водосливные отверстия. Тогда отверстия могут забиться грунтом.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа при сохранении результата ускорения процесса погружения труб в скважину и их последующего извлечения.
Техническим результатом полезной модели является снижение вероятности забивания водосливных отверстий при погружении труб в скважину.
Указанная задача и технический результат обеспечиваются за счет того, что заявлен упор буровой установки, функцией которой является укрепление земляного сооружения, выполненный в виде трубы и с возможностью использования его в качестве поддерживающего элемента буровой установки, причем в трубе выполнено удерживающее отверстие и водосливные отверстия, которые выполнены в той части трубы, которая находится ниже уровня ее заглубления в скважину, отличающийся тем, что водосливные отверстия выполнены диаметром, достаточным для возможности просунуть через любое из них цилиндрический стержень диаметром 12 мм, причем водосливные отверстия расположены относительно друг друга так, что любые три водосливных отверстия, находящиеся на разном расстоянии от конца трубы, выполнены в трубе таким образом, что центры этих отверстий не лежат на одной прямой линии.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показано устройство полезной модели в виде поддерживающей трубы.
На Фиг. 2 показан пример работы поддерживающей трубы.
На Фиг. 3 показан поперечный разрез установки передвижного механизированного комплекса на примере в сечении среза грунта и ж/д полотна.
На чертежах: 1 - опора в виде трубы, 2 - удерживающий трос, 3 - крюк или иной зацеп лебедки, 4 - отверстие для фиксации крюка на краю трубы, 5 - водосливное отверстие в трубе, 6 - скважина, 7 - уровень грунтовых вод, 8 - уровень погружения трубы в скважину, 9 - платформа, 10 - буровой станок, 11 - ж/д путь, 12 - ось скважины.
Осуществление полезной модели
Процесс укрепления земляного сооружения возведенного или возводимого на болотах, слабых, подвижных и зыбких грунтах, осуществляют путем бурения вдоль сооружения скважин 6 (см. Фиг. 3), рядами с наружных сторон путей 11 или дороги, расположенных на сооружении. Скважины 6 прорезают тело земляного сооружения, подстилающий его слой торфа, песка, или иного слабого основания и заглублены в подстилающее его слой прочного грунта.
Далее в скважину опускают бетоновод до забоя скважины, заполняют скважины твердеющим электропроводным материалом, в качестве твердеющего электропроводного материала используют, например, мелкозернистый бетон (пескобетон).
Затем в скважину опускают рабочий электрод, который подключают к электроимпульсной установке, и производят заданное число электрических разрядов при расположении электрода в нижней части скважины и по мере его подъема до образования вдоль рядов скважин противофильтрационных стенок из образующихся примыкающих вплотную друг к другу или секущихся свайных рядов.
Установка для укрепления земляного сооружения содержит подвижную несущую металлическую платформу, выполненную из нескольких секций (на чертежах показана только секция бурового станка), соединенных гибкой связью. Платформа 9 установлена на опоры 1, которые выполнены в виде двух рядов труб, расположенных вдоль сооружения.
Трубы 1 образуют поддерживающие элементы опоры, из которых при необходимости трубы, расположенные в наименее удаленном от продольной оси сооружения ряду, могут быть использованы для производства работ по укреплению земляного сооружения и именно в этом ряду скважин 6 образуют примыкающие вплотную друг к другу или секущиеся сваи.
Трубы 1 являются инвентарными и после извлечения из скважин эти трубы посылают на первую секцию платформы для повторного использования.
В каждой из поддерживающих труб 1, на которые опирают буровую установку 10, выполняют (см. Фиг. 1) удерживающее 4 и водосливные отверстия 5, при этом за удерживающее отверстие 4 цепляют с помощью троса 2 крюк 3 лебедки дополнительного бурового станка 10 буровой установки и используют для извлечения и погружения труб 1 из скважин 6 или внутрь их, соответственно.
Перемещение платформы производят по роликам с ригелями с помощью лебедки. Ускорение процесса погружения труб в скважину 6 и их последующее извлечение достигается за счет упрощения процесса извлечения и погружения труб 1, являющихся поддерживающими элементами опор; посредством использования отверстий 4 трубу легко извлекают из скважины и погружают в скважину, а за счет наличия водосливных отверстий 5 вода не застаивается внутри труб, когда при морозе верхний слой воды замерзает, образуя ледовую пробку, что позволяет в процессе извлечения трубы из грунта поднимать трубу без водных масс, которые вытекают через отверстия 5.
Следует понимать, что ледовая пробка не является цельной, поскольку не формируется и не заполняет собой все внутреннее пространство трубы. По этой причине совершенно не важно, где расположены отверстия: вышеуказанной «ледовой пробки» или ниже, поскольку лед после бурения разламывается на куски, а куски льда свободно пропускают воду при хаотичном расположении относительно друг друга.
Когда при морозе верхний слой воды замерзает, образуя ледовую пробку, это не означает, что данная пробка - это полное препятствие для протока воды вниз. Вода легко проникает через пробку. Но если бы не было водосливных отверстий 5, через которые могла бы выходить вода, то вода действительно застаивалась бы до уровня «ледовой пробки», т.к. в основании отверстия трубы часто возникают уплотнения масс грунта, которые действительно препятствуют протоку воды, но именно через них и основное отверстие трубы. А благодаря отверстиям 5 отток происходит.
При этом никакой зоны пониженного давления под этой «ледовой пробкой» нет, поскольку в процессе извлечения трубы из скважины эти действия сопряжены с сильнейшими вибрациями при резком рывке с помощью лебедки трубы от занимаемого ей положения. При таких рывках куски льда перемешиваются относительно друг друга, стремясь сохранить первоначальное положение, и никакого сплошного препятствия для воздуха «пробка» образовать не может. И, поскольку есть отверстия 5, то вода стекает из них вниз в состоянии погруженной трубы. Остаются только куски льда, расположенные хаотично. Поэтому, «ледовая пробка» из льда не может формироваться цельной (сплошной). Между кусками льда остаются прорехи, через которые легко проникает воздух.
При работах летом никакого мороза нет, а в основании отверстия трубы часто возникают уплотнения масс грунта, которые препятствуют протоку воды через них. А благодаря отверстиям 5 отток происходит. А при работах при очень низких отрицательных температурах воды в грунте вообще может не быть и вытекать будет нечему. Полезная модель направлена на основные ситуации использования труб в скважинах, когда часто наблюдается наличие водных масс в грунте при погружении в скважины (весна, лето, осень и зима с несильными морозами), и при таких температурах, когда лишь иногда образуется «ледяная пробка» (зимой), и то не сразу.
Чтобы устранить проблемы, которые есть в прототипе, новым дополнением в полезной модели явились следующие особенности:
- водосливные отверстия выполнены диаметром, достаточным для возможности просунуть через любое из них цилиндрический стержень диаметром 12 мм;
- водосливные отверстия расположены относительно друг друга так, что любые три водосливных отверстия, находящиеся на разном расстоянии от конца трубы, выполнены в трубе таким образом, что центры этих отверстий не лежат на одной прямой линии. Благодаря тому, что водосливные отверстия выполнены диаметром, достаточным для возможности просунуть через любое из них цилиндрический стержень диаметром 12 мм, удается снизить вероятность забивания водосливных отверстий при погружении труб в скважину. Это достигается тем, что ранее вытащенные из скважины трубы с отверстиями 5 в процессе опускания в новую скважину быстро прочищаются рабочим цилиндрическим стержнем диаметром 12 мм, в качестве которого может использоваться обрезок арматуры, которых много в строительстве. Самая востребованная в строительстве арматура - 12 мм. Связано это с тем, что «Арматура 12» - это металлопрокатное изделие, имеющее форму стального прута диаметром 12 мм. Продукция изготавливается из стали различных марок, в зависимости от требований и способа применения. Наиболее востребована арматура из низколегированной конструкционной стали, легко поддающейся дуговой сварке.
Основное назначение арматуры 12 - укрепление железобетонных изделий, создание каркасов и стальных конструкций, на которые предполагается усиленная нагрузка. Арматура 12 мм применяется в строительстве очень широко. Но она, прежде всего, является основным материалом для закладки фундамента. Для этих целей рекомендуется арматура строительная стержневая горячекатаная с рифлением. Наличие косых рифлений обеспечивает оптимальное сцепление с бетоном, что, в свою очередь, позволяет создавать максимально прочные и долговечные железобетонные конструкции. Когда арматура 12 мм размещается поперечно, она эффективно борется с появлением косых и поперечных трещин, сколов, снижает нагрузку на всю конструкцию. Кроме того, она сцепляет сжатый бетон, то есть не просто придает прочность железобетону, но защищает его от любых серьезных деформаций.
Арматура 12 обладает массой достоинств, объясняющих ее использование на строительных объектах:
- высокая прочность;
- пластичность;
- малая подверженность коррозии;
- невосприимчивость к термическим, химическим и механическим нагрузкам;
- возможность сваривания;
- высокая прочность сварных соединений, сравнимая с прочностью самого металла;
- высокое качество арматуры 12 позволяет использовать ее в армировании обычных и ответственных зданий, предварительно напряженных железобетонных конструкций.
Вот почему целесообразно использовать именно такой диаметр отверстий 5, через которые свободно проходит стержень арматуры 12 мм.
При этом рабочий одной рукой корректирует центрировку трубы 1, опускаемой в скважину 6, а другой с помощью стержня арматуры быстро чистит отверстия проталкивая стержень через каждое частично забитое отверстие 5.
В результате, для частично затянутых грунтом и грязью отверстий 5 при извлечении труб из скважин, удается снизить вероятность полного забивания водосливных отверстий 5 при погружении труб 1 в скважину 6.
Выполнение отверстий меньшего диаметра не рационально, поскольку тогда нужно искать инструмент специального диаметра для прочистки и они легче забиваются грязью. А отверстия большего, чем 12 мм диаметра, легко протыкаются обрезком арматуры диаметра 12 мм и меньше забиваются.
А когда водосливные отверстия расположены относительно друг друга так, что любые три водосливных отверстия, находящиеся на разном расстоянии от конца трубы, выполнены в трубе таким образом, что центры этих отверстий не лежат на одной прямой линии, это позволяет устранить ситуацию с забиванием всех водосливных отверстий при опускании трубы в скважину, если труба будет очень плотно касаться стенки скважины именно в тех местах, где выполнены водосливные отверстия. Поскольку касание происходит, как правило в одном месте при небольших отклонениях оси трубы 1 от центра оси 12 скважины 6, то если все отверстия выполнены вдоль трубы по одной прямой линии, и этим местом будет происходить касание, то все отверстия могут забиться грунтом. Поэтому, если выполнять отверстия хаотично так, что для любых трех из них никогда их центры не располагаются на одной прямой линии, то все отверстия 5 никогда не забьются и вода будет вытекать из трубы при погружении в скважину.
Данный процесс можно видеть на примере Фиг. 2.
Из примера видно, что водосливные отверстия 5, которые выполнены в той части трубы 1, которая находится ниже уровня 8 ее заглубления в скважину 6, способствуют тому, что все отверстия 5 погружены внутрь скважины 6 и выполняют свои функции водослива. Уровень погружения 8 известен по глубине скважины. Соответственно, отверстия выполняют в трубе 1 до уровня 8, чтобы не тратить ресурсы и время на выполнение лишних отверстий, которые не будут нести эффективно функцию водослива (погружаться в скважину). Но, несмотря на это, даже если выполнить отверстия выше уровня 8 погружения в скважину 6, если скважина полностью заполнена грунтовыми водами, то столб воды в трубе при полном погружении будет выше уровня 8 скважины 6. Тогда, даже те отверстия, которые выполнены выше уровня 8 скважины 6, тоже будут нести функцию водослива.
Основная функция водослива отверстий 5 заключается в следующем.
Когда труба 1 после полного погружения касается дна скважины 6, слои грунта и грязи забивают конец трубы 1 и препятствуют вытеканию через него воды. Эту функцию стока воды начинают выполнять отверстия 5. В результате, если использовать в качестве упора трубу без отверстий, то уровень столба воды внутри нее после погружения будет выше, чем уровень грунтовых вод 7. Если при этом сильный мороз, то вода в трубе замерзает, образуя сплошную пробку, и при извлечении трубы из скважины, ее надо будет поднимать вместе с массами льда и воды. А благодаря заявленной полезной модели вода сливается через отверстия 5 и не успевает формировать сплошную ледовую пробку. При этом вода грунтовых вод контактирует с водой внутри трубы через отверстия, что не позволяет замерзать воде внутри трубы.