СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO REINFORCE SOIL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к строительству, к способам укрепления грунтов под фундаменты, а также к способам формирования свай.
Уровень техники
Известен способ укрепления грунта, включающий образование скважины, разрыхление грунта стенок этой скважины и создание на этот грунт укрепляющего воздействия пульсирующими толкателями (см. авторское свидетельство на изобретение СССР №708010, 30.09.77, кл. Е02D 3/046).
В этом способе укрепляющее воздействие создается только на грунт, который разрыхляется со стенок скважины. После утрамбовки этого грунта получается определенная степень укрепления, которую увеличить больше нельзя. Поэтому данный способ не позволяет получить требуемой степени укрепления грунта под фундаменты для современного строительства.
Наиболее близким техническим решением из известных к предлагаемому изобретению является способ укрепления грунта, включающий образование скважины, размещение в ней гибкой тонкостенной оболочки, подачу уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и оболочки и создание на уплотняющее вещество укрепляющего воздействия (см. патент на изобретение Российской Федерации №2407858 МПК E02D 3/12, 01.10.2008).
По этому способу оболочку выполняют растягивающейся, а для укрепляющего воздействия на уплотняющее вещество создают давление гидравлической среды внутри оболочки, которая расширяется по форме окружности и укрепляет грунт. Затем выполняют сброс давления, в образовавшийся зазор дополнительно подают уплотняющее вещество и цикл создания давления, его сброса и подачи уплотняющего вещества повторяют.
Рабочий цикл рассматриваемого способа определяется суммой времени последовательных операций расширения и сжатия растягивающейся герметичной оболочки и подачи уплотняющего вещества, что снижает производительность укрепления грунта.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения
Задачей заявляемого изобретения является повышение производительности укрепления грунта.
Эта задача решается тем, что в способе укрепления грунта, включающем образование скважины, размещение в ней гибкой тонкостенной оболочки, подачу уплотняющего вещества в зазор между стенками скважины и оболочки и создание на уплотняющее вещество укрепляющего воздействия, для создания укрепляющего воздействия гибкую тонкостенную оболочку в поперечном сечении деформируют в форму овала, создают по малой оси овала между стенками скважины и оболочки дополнительный зазор, подают в этот зазор дополнительную порцию уплотняющего вещества и перемещают волну деформации в окружном направлении.
За счет того, что гибкую тонкостенную оболочку в поперечном сечении деформируют в форму овала и перемещают волну деформации в окружном направлении, по большой оси овала этой оболочки происходит укрепление уплотняющего вещества и грунта, а по малой оси овала в это же время происходит дополнительная подача уплотняющего вещества. Именно за счет одновременности укрепления и подачи уплотняющего вещества сокращается время рабочего цикла и повышается производительность укреплении грунта.
Гибкую тонкостенную оболочку можно выполнить в виде гибкой тонкостенной трубы с открытым нижним концом.
Гибкую тонкостенную трубу целесообразно деформировать в поперечном сечении в форму двухвершинного овала.
Гибкую тонкостенную трубу можно деформировать в поперечном сечении в форму трехвершинного овала.
Размеры наибольших частиц уплотняющего вещества можно определить по зависимости:
S=(0,4…1,5)Δr,
где S - размеры наибольших частиц уплотняющего вещества, Δr - радиальная деформация стенки гибкой тонкостенной трубы.
После укрепления грунта в стволе скважины на нижнем горизонте зону деформации тонкостенной трубы можно поднять на новый верхний горизонт, где также выполнить укрепление грунта.
Одновременно с созданием укрепляющего воздействия в окружном направлении, зону деформации трубы можно поднимать вдоль ее оси.
Известно устройство для укрепления грунта, содержащее установленный в скважине механизм для создания радиального давления на стенки скважины (см. авторское свидетельство на изобретение СССР №708010, 30.09.77 кл. Е02D 3/046).
В этом устройстве механизм для создания радиального давления выполнен в виде пульсирующих толкателей. Толкатели пропущены через размещенные в окнах корпуса направляющие втулки и эластичные уплотнения. Укрепляемый грунт может проникать через эластичные уплотнения и изнашивать направляющие втулки и толкатели, что снижает долговечность рассматриваемого устройства.
Наиболее близким техническим решением из известных к предлагаемому изобретению является устройство для укрепления грунта, содержащее гибкую тонкостенную оболочку, установленную в скважине с зазором, уплотняющее вещество, размещенное в зазоре между стенками скважины и оболочки, и механизм для создания радиального давления на внутреннюю поверхность оболочки (см. патент на изобретение Российской Федерации №2407858 МПК E02D 3/12, 01.10.2008).
Оболочка в этом устройстве выполнена растягивающейся, а укрепление грунта происходит за счет расширения и сжатия оболочки, которая в сечении имеет окружность. После сжатия оболочки в образовавшийся зазор дополнительно подают уплотняющее вещество.
Рабочий цикл рассматриваемого устройства определяется суммой времени последовательных операций расширения и сжатия растягивающейся герметичной оболочки и подачи уплотняющего вещества, что снижает производительность укрепления грунта.
Задачей заявляемого изобретения является повышение производительности укрепления грунта.
Эта задача решается тем, что в устройстве для укрепления грунта, содержащем гибкую тонкостенную оболочку, установленную в скважине с зазором, уплотняющее вещество, размещенное в зазоре между стенками скважины и оболочки, и механизм для создания радиального давления на внутреннюю поверхность оболочки, механизм для создания радиального давления на внутреннюю поверхность оболочки выполнен в виде волнообразователя, который сдеформировал оболочку в форму овала и образовал по малой оси овала между стенками скважины и оболочки дополнительный зазор с возможностью попадания в него дополнительной порции уплотняющего вещества.
В период работы устройства волнообразователь перемещает волну деформации гибкой тонкостенной оболочки в окружном направлении. По большой оси овала этой оболочки происходит укрепление уплотняющего вещества и грунта, а по малой оси овала в это же время происходит дополнительная подача уплотняющего вещества. Именно за счет одновременности укрепления и подачи уплотняющего вещества сокращается время рабочего цикла и повышается производительность укреплении грунта.
Гибкую тонкостенную оболочку можно выполнить в виде гибкой тонкостенной трубы с открытым нижним концом.
Волнообразователь можно выполнить в виде водила с роликами, контактирующими с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы.
Волнообразователь можно выполнить в виде эксцентрикового вала и установленных на его эксцентриках посредством подшипников дисков, контактирующих с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы.
Волнообразователь можно выполнить в виде кулачка и установленного на нем гибкого подшипника, наружное кольцо которого контактирует с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы.
Контактирующие с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы детали целесообразно снабдить заходными фасками.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображен продольный разрез скважины с гибкой тонкостенной оболочкой и уплотняющим веществом в зазоре между стенками скважины и оболочкой;
на фигуре 2 показан разрез А-А на фиг.1;
на фигуре 3 показан продольный разрез скважины с деформированной гибкой тонкостенной оболочкой;
на фигуре 4 показан вариант деформирования гибкой тонкостенной оболочки в форму двухвершинного овала (разрез Б-Б на фигуре 3);
на фигурах 5 и 6 показан процесс перемещения волны деформации гибкой тонкостенной оболочки в окружном направлении;
на фигуре 7 показан продольный разрез скважины с деформированной гибкой тонкостенной трубой;
на фигуре 8 показан вариант деформирования гибкой тонкостенной трубы в форму трехвершинного овала;
на фигуре 9 показан процесс укрепления грунта на разных горизонтах;
на фигуре 10 показан процесс укрепления грунта в окружном направлении с одновременным подъемом зоны деформации трубы вдоль ее оси;
на фигуре 11 показано устройство для осуществления способа укрепления грунта;
на фигуре 12 показан разрез В-В на фиг.11;
на фигурах 13 и 14 показана схема роликового волнообразователя;
на фигурах 15 и 16 показана схема дискового волнообразователя;
на фигурах 17 и 18 показана схема кулачкового волнообразователя;
на фигуре 19 показан вариант компоновки роликового волнообразователя.
Осуществление изобретения
Способ укрепления грунта включает образование скважины 1 (см. фиг.1 и 2), размещение в ней гибкой тонкостенной оболочки 2 с начальным радиусом r, подачу уплотняющего вещества 3 в зазор между стенками скважины 1 и оболочки 2 в направлении стрелок 4, и создание на уплотняющее вещество 3 укрепляющего воздействия 5 (см. фиг.3) в направлении двух стрелок этого воздействия. При этом гибкую тонкостенную оболочку в поперечном сечении деформируют в форму двухвершинного овала 6 (см. фиг.4) и перемещают волну деформации в окружном направлении по стрелкам 7.
м
В момент деформирования оболочки в форму двухвершинного овала 6 ее размер в радиальном направлении по большой оси овала, то есть вдоль линии укрепляющего воздействия 5, увеличивается на величину радиальной деформации Δr, а по малой оси овала - уменьшается на величину Δr.
Увеличение размера оболочки по большой оси на Δr приводит к укреплению уплотняющего вещества, вдавливанию его в станки скважины и образованию двух зон 8-9 первичного укрепления, включающих первичный слой уплотняющего вещества 8 и слой частично укрепленного грунта 9.
м
Уменьшение размера оболочки по малой оси на Δr приводит к образованию двух зон 10 разряжения, которые всасывают дополнительную порцию уплотняющего вещества.
Перемещение волны деформации в окружном направлении по стрелкам 7 расширяет зоны первичного укрепления, например, при повороте большой оси овала 6 на 90° (см. фиг.5) зоны 8-9 первичного укрепления также увеличились на 90°, кроме того образовались новые зоны 11 разряжения, которые постоянно всасывают дополнительные порции уплотняющего вещества. При повороте большой оси овала на 180° (см. фиг.6) процесс образования зон 8-9 первичного укрепления завершается, кроме того образовываются новые зоны 12 разряжения, которые продолжают всасывать новые порции уплотняющего вещества 13.
Дальнейшее перемещение волны деформации в окружном направлении приводит к укреплению новых порций уплотняющего вещества 13 и появлению зоны второго укрепления, затем зоны третьего укрепления и так далее. При этом увеличивается как толщина слоя уплотняющего вещества, так и толщина слоя укрепленного грунта. Увеличивается также абсолютное давление в укрепленном слое грунта. Таким образом, степень укрепления грунта увеличивается.
Процесс перемещения волны деформации завершают, когда достигается необходимая степень укрепления грунта.
За счет того, что гибкую тонкостенную оболочку в поперечном сечении деформируют в форму овала 6 (см. фиг.4) и перемещают волну деформации в окружном направлении по стрелкам 7, по большой оси овала этой оболочки происходит укрепление уплотняющего вещества и грунта. По малой оси овала 6 в это же время происходит образование зон разряжения 10 (фиг.4), 11 (фиг.5) и 12 (фиг.6), которые всасывают новые порции уплотняющего вещества 13, то есть обеспечивают дополнительную подачу этого вещества. Именно за счет одновременности укрепления грунта и подачи уплотняющего вещества сокращается время рабочего цикла и повышается производительность укреплении грунта.
При выполнении оболочки 2 (см. фиг.3) герметичной со стенкой 14 составляющие грунта и уплотняющего вещества не могут попасть во внутреннюю полость оболочки 2, что положительно сказывается на работе механизма образования и перемещения волны деформации оболочки 2. Однако деформировать оболочку 2 и укреплять грунт можно на некотором расстоянии от стенки 14.
Гибкую тонкостенную оболочку можно выполнить в виде гибкой тонкостенной трубы 15 (см. фиг.7) с открытым нижним концом. Зону укрепления 8-9 уплотняющего вещества и грунта в этом случае можно получить у самого дна скважины 1.
Гибкую тонкостенную трубу можно деформировать в поперечном сечении в форму трехвершинного овала 16 (см. фиг.8) путем создания на уплотняющее вещество 3 укрепляющего воздействия 17 в направлении трех стрелок этого воздействия и можно перемещать волну деформации трехвершинного овала 16 в направлении стрелок 18.
3
Увеличение размера оболочки по большой оси на Δr приводит к укреплению уплотняющего вещества, вдавливанию его в стенки скважины и образованию трех зон 8-9 первичного укрепления, включающих первичный слой уплотняющего вещества 8 и слой частично укрепленного грунта 9.
Уменьшение размера оболочки по малой оси приводит к образованию трех зон 10 разряжения, которые всасывают дополнительную порцию уплотняющего вещества.
В качестве уплотняющего вещества 3 (см. фиг.3) могут использоваться: песок, гравий, щебень, галька и их смеси.
Размеры наибольших частиц уплотняющего вещества 3 можно определить по зависимости:
S=(0,4…1,5)Δr,
где S - размеры наибольших частиц смеси, Δr - радиальная деформация стенки гибкой тонкостенной трубы.
Для создания толстого слоя укрепленного грунта, после укрепления в стволе скважины 1 на нижнем горизонте А (см. фиг.9), зону деформации тонкостенной трубы 15 от укрепляющего воздействия 5 поднимают на новый верхний горизонт Б, где также выполняют укрепление грунта путем перемещения волны деформации в окружном направлении по стрелкам 7.
Вариантом создания толстого слоя укрепленного грунта является одновременное создание укрепляющего воздействия 5 (см. фиг.10) в окружном направлении по стрелкам 7 и подъем зоны деформации трубы 15 вдоль ее оси по стрелке 19.
Устройство для укрепления грунта содержит установленную в скважине 1 (см. фиг.11 и 12) с зазором гибкую тонкостенную оболочку 2, уплотняющее вещество 3, размещенное в зазоре между стенками скважины 1 и оболочки 2, и волнообразователь 20, который сдеформировал оболочку в форму двухвершинного овала 6. Волнообразователь 20 соединен с валом 21, выведенным из скважины 1 на поверхность укрепляемого грунта.
Устройство работает следующим образом. Вращение вала 21 со скоростью ω приводит к перемещению с этой скоростью ω волны деформации, то есть перемещению двухвершинного овала 6, в окружном направлении по стрелке 22, при этом сама оболочка 2 тормозится за счет контакта с уплотняющим веществом 3 и со скоростью ω не вращается. Перемещение волны деформации в окружном направлении приводит к образованию по большой оси волнообразователя 20 зоны первичного укрепления 8-9 (см. фиг 5 и 6) и дальнейшему расширению этой зоны. Кроме того, по малой оси волнообразователя 20 (см. фиг.12) образовываются зоны 11 и 12 (см. фиг 5 и 6) разряжения, которые постоянно всасывают дополнительные порции уплотняющего вещества 13.
Именно за счет одновременности укрепления грунта по большой оси волнообразователя 20 и подачи уплотняющего вещества по малой его оси сокращается время рабочего цикла и повышается производительность укреплении грунта.
Гибкую тонкостенную оболочку можно выполнить в виде гибкой тонкостенной трубы 15 (см. фиг.13, 15, 17) с открытым нижним концом.
Волнообразователь можно выполнить в виде соединенного с валом 21 (см. фиг.13 и 14) водила 23 с установленными на подшипниках 24 роликами 25, контактирующими с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы 15.
Волнообразователь можно выполнить в виде соединенного с валом 21 (см. фиг.15 и 16) эксцентрикового вала 26 и установленных на его эксцентриках посредством подшипников 27 дисков 28, контактирующих с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы 15.
Ролики 25 (см. фиг.14) или диски 28 (см. фиг.16) деформируют гибкую тонкостенную трубу в форму овала 6, а в период работы обкатываются по внутренней поверхности трубы, перемещают волну деформации в окружном направлении и укрепляют грунт.
Волнообразователь можно выполнить в виде соединенного с валом 21 (см. фиг.17 и 18) кулачка 29 и установленного на нем гибкого подшипника 30, наружное кольцо которого контактирует с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы, деформирует ее в форму овала 6.
Вариант конструкции волнообразователя может содержать ролики 31 и 32, наружный диаметр которых больше половины внутренней поверхности гибкой тонкостенной трубы. Ролики 31 и 32 установлены на подшипниках скольжения 33 и 34 соответственно в водиле 35, соединенном с валом 36.
Контактирующие с внутренней поверхностью гибкой тонкостенной трубы ролики 31 и 32 целесообразно снабдить заходными фасками 37 и 38.