СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO COMPACT SOIL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Техническое решение относится к строительству, в частности к упрочнению оснований под фундаменты зданий и сооружений путем уплотнения грунта.
3
Известен способ уплотнения лессовых грунтов в основании зданий и сооружений по патенту РФ №2015247, кл. E02D 3/10, E02D 3/12, опубл. 30.06.1994 г. включающий нагнетание через инъектор лессовой пульпы под давлением до гидроразрыва грунта и замачивание его последующим нагнетанием цементно-песчаного раствора. Нагнетание пульпы осуществляют, постепенно наращивая давление до 3÷10 атм, со скоростью 2÷5 м/ч в течение времени, необходимого для образования трещины гидроразрыва в массиве. Затем скорость инъектирования пульпы уменьшают не менее чем в 2 раза для прекращения роста трещины гидроразрыва и замачивания зоны вокруг трещины. Нагнетание цементно-песчаного раствора ведут под давлением 3÷10 атм, уплотняя лессовый грунт в промоченной зоне до достижения пористости грунта 38÷40%.
Недостаток этого способа состоит в необходимости гидроразрыва грунта, в котором нагнетаемая жидкость движется по пути наименьшего сопротивления и стремится выйти на свободную поверхность. При этом если и возникает трещина, она имеет форму рукава с произвольной ориентацией. Поэтому осуществлять способ и оценивать результаты его реализации затруднительно, что обуславливает низкую эффективность способа.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ уплотнения грунта по патенту РФ №2119009, кл. E02D 3/12, опубл. 20.09.1998 г. Он включает погружение в грунт инъектора, подачу раствора под давлением, измерение и регистрацию давления раствора, образование зоны уплотненного грунта и последующие погружения инъектора с образованием примыкающих зон уплотненного грунта. Уплотнение дисперсного грунта производят путем нагнетания уплотняющего и проникающего раствора, обеспечивающего разрушение структуры грунта в зонах его ослабления, с предварительным уплотнением грунта по контуру зоны уплотнения.
Этот способ является сравнительно сложным из-за необходимости предварительного уплотнения грунта по контуру зоны уплотнения, измерения и регистрации давления раствора, обеспечения условий, исключающих прорыв раствора из зоны уплотнения на свободную поверхность. Кроме этого требуются значительные затраты энергии на прокачку растворов по каналам их подачи в зону уплотнения и соответствующая высоконапорная нагнетательная система. Все это обуславливает относительно низкую эффективность способа.
Известно устройство для образования направленных трещин в скважинах по патенту РФ №2182968, кл. E21C 37/12, опубл. 27.05. 2002 г., включающее трубу, выполненную с кольцевым упором на торце и продольными прорезями, и шток, размещенный в трубе с возможностью продольного перемещения. Труба заполнена неньютоновской жидкостью, а на ее торце со стороны кольцевого упора установлена тарельчатая пружина с вершиной, обращенной к штоку. В штоке выполнено поперечное отверстие, в котором установлен стержень, проходящий через продольные прорези.
Для работы этого устройства необходимо предварительное прохождение скважины. Оно предназначено для образования начальной трещины поперек скважины малым объемом неньютоновской жидкости, размещаемой в трубе. С увеличением объема неньютоновской жидкости существенно возрастает расход энергии на ее продавливание через трубу, так как в этом случае неньютоновская жидкость контактирует с трубой на большей площади и, следовательно, перемещается по ней с большим сопротивлением. Поэтому для уплотнения грунта оно малоэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является скважинное устройство для разрушения горных пород по патенту РФ №2307934, кл. E21C 37/12, E21B 43/26, E21F 7/00 опубл. 10.10. 2007 г., включающее рабочий орган, размещенный в шпуре, заполненном неньютоновской жидкостью, и средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки. Оно снабжено направляющей трубой, в которую с возможностью продольного перемещения вставлено средство приложения к рабочему органу периодической ударной нагрузки, выполненное в виде штанги. Рабочий орган выполнен в виде поршня, установленного соосно с направляющей трубой с возможностью контакта с торцом штанги.
Для работы этого устройства необходима скважина с прочными стенками, исключающими поворот рабочего органа в плоскостях, проходящих через ось скважины, обуславливающий его существенное отклонение от заданной траектории. Возможно также разрушение пройденной в грунте скважины из-за контакта с ее стенками стержня, выходящего нижним концом за пределы направляющей трубы. В устройстве отсутствует сцепление направляющей трубы с рабочим органом, что значительно усложняет извлечение последнего из скважины. Поэтому использование этого устройства для уплотнения грунта малоэффективно.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности способа за счет увеличения плотности грунта внедрением в него неньютоновской жидкости в режиме ударных нагрузок и в повышении эффективности устройства за счет исключения возможности разрушения скважины штангой и отклонения рабочего органа от заданной траектории.
Задача решается тем, что в способе уплотнения грунта, включающем нагнетание уплотняющего вещества, обеспечивающего разрушение структуры грунта, согласно техническому решению уплотнение грунта осуществляют созданием в нем тел заданных размеров, форм и свойств из неньютоновской жидкости, не изменяющей под нагрузкой соотношение составляющих ее компонентов и сохраняющей приданную ей форму при отсутствии внешних воздействий, которую нагнетают вдавливанием в грунт ударными нагрузками, прикладываемыми к ее поверхности, при этом уплотнение грунта осуществляют его вытеснением внешней поверхностью создаваемых тел из занимаемых ими пространств.
Такое техническое решение позволяет использованием известных принципов ударного воздействия на неньютоновскую жидкость внедрять ее в грунт в неограниченном объеме и на глубину, достаточную для возведения фундаментов практически под любые здания и сооружения. При этом неньютоновской жидкости можно придавать различные свойства (гидроизоляционные, прочностные, обеспечивающие отвердение и расширение при отвердении и т.д.) и форму (эллипсоидную, дисковую, цилиндрическую), обуславливающие особенности и качество возводимых фундаментов. В неньютоновской жидкости благодаря тому, что она сохраняет приданную форму, можно создавать различные полости, например проходить скважины. Это позволяет заполнением создаваемых полостей и последующим вытеснением из них неньютоновской жидкости придавать нужную форму уплотняемым участкам и обеспечивать их заданное распределение в уплотняемой зоне. Нагнетание неньютоновской жидкости вдавливанием в грунт ударными нагрузками, прикладываемыми к поверхности, позволяет внедрять ее в зону уплотнения без создания высоконапорных нагнетательных установок и без затраты большой энергии на прокачку неньютоновской жидкости (например, пластилина) через каналы ее подвода к уплотняемому участку. Особенность неньютоновской жидкости состоит также в том, что она передает ударную нагрузку на сравнительно малую область, что обеспечивает возможность селективно воздействовать на отдельные участки и тем самым облегчать управление процессом изменения плотности грунта в уплотняемой зоне в целом. Очевидно, что внедрение в уплотняемую зону неньютоновской жидкости увеличивает плотность грунта. В результате повышается эффективность способа.
Целесообразно неньютоновскую жидкость вдавливать в грунт вытеснением ее из предварительно пройденной скважины ударными нагрузками от падающей штанги, взаимодействующей с неньютоновской жидкостью через рабочий орган. Это позволяет уплотнять грунт практически на любой глубине и максимально использовать оборудование, учитывающее особенности неньютоновской жидкости. В отличие от бойков в известных ударных машинах падающая штанга может обладать большой массой, исчисляемой сотнями и даже тысячами килограммов. Поэтому, обладая большой инерцией, падающая штанга взаимодействует с неньютоновской жидкостью относительно долго, растягивая тем самым длительность ударного импульса. При этом неньютоновская жидкость проявляет эффект гидравлического усиления, когда сила на ее контакте со штангой передается вмещающей среде многократно увеличенной, что улучшает результат воздействия на грунт. Кроме этого повышается коэффициент полезного действия оборудования и экологическая безопасность, так как уменьшается доля энергии, преобразующейся в упругую волну. В результате повышается эффективность способа.
Задача решается также тем, что устройство для уплотнения грунта, включающее рабочий орган и средство приложения к нему ударной нагрузки, состоящее из направляющей трубы, в которую с возможностью продольного перемещения по ней и контакта с рабочим органом вставлена штанга, согласно техническому решению рабочий орган выполнен в виде стержня с конусным заострением на конце и вставлен в указанную направляющую трубу с возможностью ограниченного продольного перемещения по ней, при этом конусное заострение стержня выступает из направляющей трубы, а на рабочем органе установлен узел, исключающий его выпадение из направляющей трубы.
Такое техническое решение обеспечивает радиальное раздвижение среды, в которой перемещается рабочий орган, облегчая прохождение скважины в грунте или в неньютоновской жидкости. При этом ударные нагрузки от штанги воздействуют только на рабочий орган, что снижает динамические нагрузки на другие части устройства и уменьшает его инерционность. Рабочий орган движется по заданной траектории, ибо находится в направляющей трубе и не может поворачиваться в плоскостях, проходящих через его ось, и извлекается из скважины после ее прохождения. Штанга не выходит за пределы направляющей трубы и поэтому, не имея возможность вступать в контакт со стенками скважины, не разрушает скважину. Таким образом, повышается эффективность устройства.
Целесообразно устройство снабдить кольцом, надетым на рабочий орган, с внешним диаметром большим диаметра трубы. За счет этого диаметр пройденной скважины оказывается большим диаметра направляющей трубы и поэтому она вместе с рабочим органом входит и извлекается из скважины беспрепятственно, что также повышает эффективность работы устройства.
Целесообразно кольцо намагнитить. Это позволяет без использования дополнительных деталей удерживать кольцо в нужном положении при подаче устройства в скважину, что упрощает конструкцию устройства и поэтому делает его более эффективным.
Сущность технического решения поясняется примером реализации способа, конкретным исполнением устройства и чертежом, на котором показана схема способа уплотнения грунта и устройство для его осуществления, продольный разрез.
Способ уплотнения грунта реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
В зоне уплотнения грунта на свободной поверхности устанавливают устройство, включающее рабочий орган и средство приложения к нему ударной нагрузки. Рабочий орган выполнен в виде стержня 1 с конусным заострением 2 (далее - конус 2) на конце, вставленного в направляющую трубу 3 (далее - труба 3) с возможностью ограниченного продольного перемещения по ней. Конус 2 выступает из трубы 3. Средство приложения ударной нагрузки к рабочему органу состоит из трубы 3, в которую с возможностью продольного перемещения по ней и контакта с рабочим органом вставлена штанга 4. На рабочем органе установлены узел, исключающий его выпадение из трубы 3, включающий стержень 5, сквозное поперечного отверстия в стержне 1 (на чертеже не обозначено) и продольные прорези 6 на конце трубы 3. При этом стержень 5 вставлен в поперечное отверстие в стержне 1, а его концы введены в продольные прорези 6. На рабочий орган надето кольцо 7 с внешним диаметром большим диаметра трубы 3. Кольцо 7 может быть намагничено. Штангу 4 поднимают и отпускают, от чего она под действием собственного веса разгоняется и ударяется в торец стержня 1, который воздействует на кольцо 7 и вместе с ним внедряется в грунт, образуя начальную скважину 8. Штангу 4 поднимают и отпускают многократно, пока скважина 8 не окажется пройденной до нужной глубины. Диаметр скважины 8 оказывается примерно равным внешнему диаметру кольца 7. Поэтому труба 3, имея меньший диаметр, чем у кольца 7, опускается в скважину 8 под действием собственного веса беспрепятственно. После прохождения скважины 8 до нужной глубины из нее извлекают трубу 3 со штангой 4 и рабочим органом. Кольцо 7 используют как расходный материал и оставляют на дне скважины 8. Затем скважину 8 заполняют неньютоновской жидкостью 9 до заданного уровня, вводят в нее устройство с другим кольцом 7 и многоразовым подъемом и отпусканием штанги 4 вытесняют неньютоновскую жидкость 9 в грунт, вновь образуя скважину 8, но уже в неньютоновской жидкости 9. Количество вновь образуемых скважин 8 с последующим вытеснением из них неньютоновской жидкости 9 доводят до проектного значения.
Техническое решение является одной из реализаций закономерностей, установленных в ходе исследований взаимодействия уплотняющихся грунтов и неньютоновской жидкости 9, представляющей собой пластичное вещество типа пластилина. Такая неньютоновская жидкость 9 по отношению к уплотняющемуся грунту проявляет свойство твердого тела, которое при увеличении размеров вытесняет грунт из занимаемого им пространства. При этом форма указанного пространства определяется в основном характером внедрения неньютоновской жидкости 9 и слабо зависит от свойств грунта и состояния грунтового массива. Это позволяет разрабатывать и реализовывать технологии возведения фундаментов практически на любой глубине без вскрышных работ, в частности без рытья котлованов.
В качестве неньютоновской жидкости 9 предполагается использовать пластичное вещество, которое вне зависимости от величины внешнего воздействия передает давление и относительно легко изменяют свою форму. Такая неньютоновская жидкость 9 в отличие от цементно-песчаных водных растворов, используемых, например, для создания набивных свай, под нагрузкой не изменяет соотношение составляющих ее компонентов и поэтому практически сохраняет используемые в способе особенности. Для придания неньютоновской 9 жидкости требуемых свойств и ее удешевления в нее можно вводить различные наполнители, например песок, щебень, гравий и т.д. Соотношение компонентов неньютоновской жидкости 9 выбирают таким, чтобы она во время ее внедрения в грунт была пластичной и не изменяла придаваемой ей формы без внешнего воздействия. В качестве связующего частицы наполнителя можно использовать отвердевающие смолы с добавлением в них пластификаторов. Такие неньютоновские жидкости 9 после отвердения становятся эластичными и существенно повышают устойчивость уплотняемых грунтов к динамическим воздействиям, например землетрясениям. Вместе с этим в ряде случаев экономически целесообразно неньютоновские жидкости 9 приготавливать с использованием традиционных песчано-цементных растворов, в которые вводят различные добавки для придания им указанных свойств. В качества добавок предполагается использовать известь, глину и отработанные смазочные материалы.