УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ГРУНТА

Предлагаемая полезная модель относится к строительной технике и предназначено для формирования в грунте набивных свай, устройства свайных фундаментов, создания подпорных стенок, укрепления откосов, создания оснований под полы по грунту.
Известна разрядно-импульсная технология, заключающаяся в том, что скважина, заполненная цементным раствором, обрабатывается серией высоковольтных электрических разрядов. При этом возникает электрогидравлический эффект, в результате которого уплотняется окружающий грунт, первоначальный диаметр скважины может быть увеличен более чем в 2 раза, пористость грунта в зоне воздействия ударного импульса снижается.
Известно устройство для изготовления буронабивных свай, SU 774941 A1, В28В, опубл. 30.10.1980, содержащее полый корпус с закрепленным в его верхней части патрубком для подачи бетонной смеси и возбудитель колебаний в виде смонтированного в полости корпуса, по его центральной оси, электрода, соединенного коаксиальным кабелем с генератором импульсных токов. Такой разрядник позволяет создавать набивные сваи, но требует высоких затрат электрической энергии.
Известны устройства обработки породы импульсным высоковольтным разрядом электрического тока при бурении: RU 2358062 C1, E02D 5/36, опубл. 10.06.2009; RU 2075229 C1, E02D 7/00, опубл. 10.03.1997; RU 2075234 C1, E04G 21/08, опубл. 10.03.1997; RU 94030388 A1, E02D 5/36, опубл. 27.05.1996.
Эти устройства по своей конструкции не позволяют производить разрядно-импульсную обработку грунта при струйной цементации.
При этом, процесс изготовления свай по разрядно-импульсной технологии состоят из нескольких операций. «Технологическая последовательность операций при изготовлении свай состоит в: установке инвентарного кондуктора; бурении скважины и монтаже обсадной трубы; заполнении скважины мелкозернистой литой бетонной смесью; установке электродной системы в забой скважины и обработке пяты сваи; импульсной обработке ствола сваи по расчетному режиму с дополнением бетонной смеси; погружении арматур» (Реконструкция жилых зданий. Часть I. §6.2.4 С. 58. Усиление фундаментов буроинъекционными сваями с электроимпульсным уплотнением бетона и грунтов. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П. https://studfile.net/preview/5786785/page:58.).
Наиболее близким аналогом полезной модели, взятым в качестве прототипа, является устройство для струйной цементации, описанное в учебном пособии «Струйная геотехнология. Бройд И.И, - М.: Изд. Ассоциации строительных вузов, 2004 - С. 9 Рис. 1.1», содержащее смеситель, насос высокого давления, буровой станок, буровую штангу в виде полой металлической трубы, монитор, закрепленный на буровой штанге, причем корпус монитора выполнен в виде металлического полого цилиндра со струйной насадкой, закрепленной на корпусе и буровым наконечником, установленным на конце монитора (смеситель и насос высокого давления на рис. не показан).
Целью полезной модели является создание конструкции устройства для струйной цементации грунта для увеличения размера создаваемых подземных сооружений за счет импульсных высоковольтных разрядов электрического тока производимых одновременно с процессом струйной цементации.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для струйной цементации грунта содержащее смеситель, насос высокого давления, буровой станок, буровую штангу в виде полой металлической трубы, монитор, закрепленный на буровой штанге, причем корпус монитора выполнен в виде металлического полого цилиндра со струйной насадкой, закрепленной на корпусе и буровым наконечником, установленным на конце монитора, при этом устройство снабжено разрядником и генератором импульсного тока, причем разрядник состоит из центрального стержневого и кольцевого электрода, выполненных из тугоплавкого металла, и закрепленных на изоляционном ударопрочном уплотнителе с расстоянием между электродами от 10 до 40 мм, разрядник установлен в отверстие корпуса монитора, вырезанного на расстоянии 100-200 мм выше бурового наконечника, при этом кольцевой электрод разрядника внешней стороной прижат к внутренней поверхности выреза в корпусе монитора, а генератор импульсного тока установлен на площадке, закрепленной к верхней части буровой штанги, причем положительный выход генератора импульсного тока соединен с центральным электродом разрядника при помощи высоковольтного кабеля, введенного через муфту внутрь буровой штанги и пролегающий внутри буровой штанги и монитора до разрядника, отрицательный выход генератора импульсного тока соединен с корпусом буровой штанги, а питающее сетевое напряжение генератора импульсного тока подается через кольцевой токоприемник, контактные кольца которого закреплены на корпусе буровой штанги через изоляционную прокладку, а к щеткам токоприемника подводится питающее сетевое напряжение.
Между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Одним из существенных признаков является
конструкция разрядника, состоящая из двух электродов, изолированных друг от друга, дает возможность реализовать высоковольтный импульсный разряд;
расположение разрядника на корпусе монитора выше бурового наконечника дает возможность производить импульсные разряды в среде грунтоцементной пульпы;
расстояние R между электродами не должно превышать расстояния наибольшего пробивного напряжения применяемого генератора импульсного тока, что гарантирует разряд между электродами;
введение в устройство генератора импульсного тока дает возможность проводить импульсную обработку пульпы, а его расположение на площадке, закрепленной к верхней части буровой штанги дает возможность стационарно соединить кабелем положительный выход генератора и центральный электрод разрядника;
подача сетевого напряжения к генератору импульсного тока через токосъемники дает возможность подключить подвижный генератор импульсного тока к сетевому напряжению.
Совокупность существенных признаков устройства, а именно конструкция элементов, наличие связи между элементами, взаимное расположение элементов, параметры, материал из которого выполнены элементы, характеризуют заявленное решение как устройство для струйной цементации грунтов и достаточно для достижения поставленной цели.
Сущность полезной модели заключается в том, что предлагаемая конструкция разрядника, его место установки и место установки генератора импульсного тока дает возможность производить одновременно ударную обработку грунтоцементной пульпы при струйной цементации грунта.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (смеситель, насос высокого давления, буровой станок на чертеже не показан), где на фиг. 1 показана буровая штанга и разрез монитора.
На фиг. 1 показана буровая штанга 1 в виде полой металлической трубы, на которой закреплен монитор 2, выполненный в виде металлического полого цилиндра с буровым наконечником 3 на конце, и струйной насадкой 4, закрепленной на корпусе монитора. Выше бурового наконечника 3, на расстоянии Z=100-200 мм, в круглом отверстии корпуса монитора 2, установлен разрядник 5, состоящий из центрального стержневого электрода 6 и кольцевого электрода 7, выполненных из тугоплавкого металла, например, из сплава вольфрама с рением ВР-27ВП, ВР-27ЗВП ТУ 48-19-190-82. Тугоплавкий металл электродов 6 и 7 обеспечивают повышенную их стойкость при электрическом разряде. Электроды 6 и 7 закреплены на уплотнителе 8, изготовленном из ударопрочного полистирола по ГОСТ 28250 - 89. Устройство для струйной цементации грунта снабжено генератором 9 импульсного тока, являющимся источником питания импульсного тока, установленного на площадке 10, закрепленной к верхней части буровой штанги 1. При этом расстояние R от 10 до 40 между электродами 6 и 7 не должно превышать расстояния наибольшего пробивного напряжения применяемого генератора 9 импульсного тока. В качестве генератора 9 могут применяться генераторы серии ГИТ http://trakonta.com/git_a.html или генератор, выполненный по патенту RU 2014730 C1 H03K 3/53 опубл. 15.06.1994. Положительный выход генератора 9 соединен с центральным электродом 6 разрядника 5 при помощи высоковольтного кабеля 11, введенного через муфту 12 внутрь буровой штанги 1 и пролегающий внутри буровой штанги 1 и монитора 2 до разрядника 5. В качестве высоковольтного кабеля 11 может применяться высоковольтный кабель марки КВИ, АКПВМ и др. по http://trakonta.com/cab_a.html, муфта 12 может быть изготовлена согласно патента RU 2003791 C1 Е21В 47/00 опубл. 30.11.1993. Питающее сетевое напряжение генератора 9 импульсного тока подается через кольцевой токоприемник 14, контактные кольца 15 которого через изоляционную прокладку 16 закреплены на корпусе буровой штанги 1, а к щеткам 17 токоприемника 14 подводится питающее сетевое напряжение. В качестве токоприемника 14 могут применяться кольцевые токоприемники ТКК ТУ 16-90 ИРАК685121.019 ТУ.
Устройство работает следующим образом.
Струйная цементация позволяет укрепить практически все виды грунтов созданием грунтоцементных свай. Перед началом работ по изготовлению свай производят, с целью определение оптимальных параметров технологического процесса, опытное укрепление грунта как для струйной цементации (СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011 п. 5.1.1.4), так и для разрядно-импульсной обработки (СВАИ-РИТ TP 50-180-06 п. 1.4.1).
-4
-5
8
9
4
5
На первом этапе струйной цементации производится бурение скважины буровым станком с использованием буровой штанги 1, в нижней части которой расположен монитор 2 с буровым наконечником 3, до глубины, соответствующей проектной отметки. Второй этап включает в себя изготовление водоцементного раствора в смесителе и подачу его в внутрь штанги 1 под давлением насосом высокого давления. Одновременно производится подъем буровой штанги 1 с вращением ее вокруг своей оси и на генератор 9 импульсного тока подается сетевое напряжение. Посредством сопла 4, высокое давление водоцементного раствора, развиваемое насосом, преобразуется в кинетическую энергию струи. Струя водоцементного раствора разрушает грунт и одновременно перемешивает водоцементный раствор и грунт, превращая их в грунтоцементную пульпу. Генератор 9 импульсного тока вырабатывает электрический импульс, отрицательный полюс которого через корпус буровой штанги и корпус монитора поступает на кольцевой электрод 7 разрядника 5, а положительный полюс импульса по кабелю 11 подается на центральный электрод 6 разрядника 5. Происходит электрический разряд между электродами 6 и 7 по грунтоцементной пульпе окружающей монитор 2. В результате импульсного электрического пробоя возникает ударная волна, фронт которой распространяется в грунтоцементной пульпе со сверхзвуковой скоростью. «В результате пробоя за 10…10 секунды в канал разряда поступает основная часть запасенной энергии, которая выделяется быстрее, чем передается жидкости, окружающей канал разряда. Давление в канале разряда в этот момент может достигать 10…10 Па, а температура 10…10°К». (Разрядно-импульсные технологии и аппараты. https://www.to-inform.ru/index.php/arkhiv/item/razryadno-impulsnie-tehnologii). Ударная волна, возникающая при электрическом разряде, обрушивает стенки скважены, созданной в процессе струйной цементации, и уплотняет их, за счет чего увеличивается диаметр создаваемой сваи. После затвердевания, на месте скважины образуется колонна из грунтоцементна, которая обладает высокими характеристиками прочности и стойкостью к деформации.
Предлагаемая конструкция устройства для струйной цементации грунта увеличивает размеры и повышает несущую способность создаваемых подземных сооружений. При этом конструкция устройства дает возможность производить одновременно ударную обработку грунтоцементной пульпы при струйной цементации грунта.