УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ ВЯЖУЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ
DEVICE FOR STABILISATION OF SOILS BY BINDING MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к строительству и может быть использовано для закрепления слабых глинистых грунтов вяжущими материалами.
Уровень техники
Аналогом заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРУНТОБЕТОННЫХ СВАЙ (авторское свидетельство СССР №149717, заявка 749538/29-14 от 25.10.1961 г., опубликовано в БИ №16 за 1962 г., класс 84с, 536, авторы Н.И.Князев, Н.Д.Лопухов, Э.В.Мокс, П.И.Толкачев).
Устройство для изготовления грунтобетонных свай непосредственно в основании без выемки грунта, выполненное с режущими ножами и перемешивающими лопастями, закрепленными на вертикальной трубе, через которую подается вяжущее, отличающееся тем, что, с целью обеспечения уплотнения грунтобетонной массы при излечении устройства и предохранения выходных отверстий от забивания грунтом, режущие ножи устройства имеют угол наклона задних поверхностей больше угла наклона винтовых линий, образуемых различными точками бура при его ввинчивании с профилем, в плане повторяющем траекторию струи вяжущего, выходящего из трубки одним концом ввинченной в поворотную задвижку, установленную в полости трубы, поворот которой относительно трубы ограничивается с одной стороны упором торцов трубки в стенку прорези, через которую конец трубки выходит за пределы вертикальной трубы, с другой стороны - упором в грани режущих ножей.
Известное устройство не обеспечивает качественного перемешивания грунта с вяжущими материалами из-за несовершенства режущих ножей и отсутствия системы приготовления вяжущего раствора.
3
Другим аналогом заявляемого технического решения является БУРОСМЕСИТЕЛЬНАЯ МАШИНА ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-ГРУНТОВЫХ СВАЙ (авторское свидетельство СССР №920106, заявка 2845472/29-33 от 30.11.1979, М. Кл. E02D 5/46, опубликовано 15.04.1982, бюл. №14, авторы В.А.Самуилов, В.И.Соломатин, А.Н.Токин, И.В.Феоктистов, Ю.Б.Хвощинский, Я.Я.Мотузов), содержащая следующее.
1. Транспортное средство, оборудованное для приготовления и подачи вяжущего материала, буровое оборудование и буросмесительную головку, отличающаяся тем, что, с целью увеличения производительности и повышения качества работ, она снабжена емкостью с прижимной плитой, причем емкость установлена соосно с буросмесительной головкой и соединена с буровым оборудованием с возможностью вертикального перемещения.
2. Буросмесительная машина по п.1, отличающаяся тем, что емкость выполнена в виде усеченного конуса с цилиндрической частью и фланцем, снабжена направляющими, установленными на усеченном конусе, а также упругими элементами, соединяющими фланец с прижимной плитой.
3. Буросмесительная машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что упругие элементы выполнены в виде цилиндрических пружин сжатия, установленных по контуру прижимной плиты.
4. Буросмесительная машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что направляющие выполнены в виде стержней, размещенных во втулках, закрепленных на буровом оборудовании.
Недостатком данного аналога является отсутствие смесительного блока для приготовления вяжущего материала, бункера для сухого вяжущего материала, емкостей для воды и активаторов, контрольно-регулирующей аппаратуры, что снижает производительность и качество устройства свай в грунте.
3
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНО-ГРУНТОВЫХ СВАЙ (авторское свидетельство СССР №916655, заявка 2900115/29-33 от 08.04.1980, М. КлE02D 5/46, опубликовано 30.03.1982, бюл. №12, авторы В.А.Самуилов, В.И.Соломатин, Л.В.Гроссман, Б.С.Козлов, А.Н.Токин, Я.Я.Мотузов), включающее следующее.
1. Транспортное средство, платформу с буровым оборудованием и системой управления подачей буросмесителя, цементно-смесительный блок с мешалкой и расходной емкостью, блок подачи вяжущего с напорным трубопроводом и системой управления подачей вяжущего, контрольно-регулирующую аппаратуру, отличающееся тем, что с целью повышения производительности, цементно-смесительный блок снабжен приемным бункером, содержащим систему пневмозагрузки, дозатор цемента, предохранительную сетку, и резервуаром для воды, включающим дозирующее устройство и выполненным из двух камер, каждая из которых соединена через дозирующее устройство с мешалкой.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что с целью повышения производительности, платформа с буровым оборудованием выполнена поворотной.
3. Устройство по п.1 и 2, отличающееся тем, что с целью повышения надежности, напорный трубопровод снабжен трехходовым краном, соединенным с расходной емкостью, а контрольно-регулирующая аппаратура снабжена датчиком, соединенным с системами управления подачей буросмесителя и вяжущего.
3
Недостатком данного устройства является отсутствие контроля качества в процессе смешивания вяжущих материалов с грунтом, невысокая надежность устройства из-за большого количества трехходовых кранов, несовершенство контрольно-регулирующей аппаратуры, низкая производительность лопастной мешалки. Применение лопастного дозатора не обеспечивает точность доз, так как требуется время на установку нужной частоты вращения лопастей дозатора, в течение которого неизвестное количество цемента поступает в мешалку. Контроль качества стабилизируемого природного грунта возможен только по водоцементному отношению или по расходу вяжущего материала в кг на 1 м природного. Эти показатели определяются в лаборатории на основе оптимального подбора веса воды, веса вяжущего материала и веса активатора (или объемов) по отношению к прочности стабилизируемого грунта. Однако в полевых условиях проявляются дополнительные факторы, оказывающие существенное влияние на качество работ. Это скорость вращения буросмесителя, время смешивания грунта с вяжущим материалом, глубина скважины, вертикальность мачты установки, давление нагнетания, расход смеси вяжущего материала с водой на погонный метр скважины и др. Все эти факторы невозможно одновременно контролировать и управлять оператором вручную, в результате прочность стабилизированного грунта в полевых условиях отличается от заложенной в проект по результатам лабораторных исследований.
Сущность технического решения
Цель изобретения - повышение качества, надежности и производительности работ.
Цель достигается тем, что в устройстве для изготовления цементо-грунтовых свай, включающем транспортное средство, поворотную платформу с буровым оборудованием и системой управления подачей буросмесителя, цементно-смесительный блок с приемным бункером с системой пневмозагрузки, дозатором цемента, предохранительной сеткой, с мешалкой, а также с резервуаром для воды, включающим дозирующее устройство, выполненным из двух камер, каждая из которых соединена через дозирующее устройство с мешалкой, блок подачи вяжущего материала с расходной емкостью, с напорным трубопроводом с трехходовым краном и системой управления подачей вяжущего материала, контрольно-регулирующую аппаратуру с датчиками, соединенными с системой управления подачей буросмесителя и вяжущего материала.
Контрольно-регулирующая аппаратура снабжена прямой и обратной связью между датчиками, установленными в буросмесителе, и рабочими механизмами устройства.
Установка снабжена скоростным смесителем и весовым тензометрическим дозатором.
Буросмеситель снабжен датчиком влажности и датчиками давления, установленными в нижней части режущей лопасти.
Установка снабжена инклинометрами, установленными на раме транспортного средства и буровой мачте.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого устройства, является улучшение качества, надежности и повышение производительности стабилизации слабых естественных грунтов за счет:
- применения весового дозатора, скоростного смесителя и последовательного перемешивания вяжущего материала с водой, а затем образовавшейся смеси с активатором;
- введения прямой и обратной связи при управлении процессом приготовления комбинированного вяжущего материала и грунтовой смеси с оценкой ее прочности по показаниям датчиков влажности и нормального давления;
- повышения производительности работ за счет приготовления комбинированного вяжущего материала в скоростном смесителе и введения автоматизированного контроля за работой установки;
- контроль положения установки в процессе ее работы с использованием инклинометров.
Перечень чертежей
На фиг.1 показан общий вид устройства для стабилизации грунтов вяжущими материалами; на фиг.2 приведена схема работы устройства; на фиг.3 - крепление бурового оборудования; на фиг.4 - буросмеситель; на фиг.5 - схема управления процессом смешивания вяжущего материала с грунтом.
Пример реализации технического решения
Устройство для стабилизации грунтов вяжущими материалами 1 содержит транспортное средство 2, раму 3 с буровым оборудованием 4, цементно-смесительным блоком 5, блоком 6 подачи вяжущего материала и контрольно-регулирующей аппаратурой 7.
Рама 3 имеет откидные опоры 8 с гидродомкратами 9, инклинометр 10, обеспечивающий горизонтальность рамы.
Буровое оборудование 4 включает мачту 11 с инклинометром 12, установленную на опоре 13, которая посредством шарнира 14 закреплена на кронштейне 15, соединенном через вал 16 и подшипники 17 с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости с портальной стойкой 18, установленной на раме 3. Мачта 11 и кронштейн 15 соединены гидроцилиндром 19 подъема мачты. К нижней части опоры 13 прикреплен вращатель 20 с гидромотором 21 привода. В направляющих 22 мачты 11 известным способом перемещается вертикально полая штанга 23, проходящая через роликовую обойму 24 вращателя 20. К нижнему концу штанги 23 закреплен буросмеситель 25. Буросмеситель 25 имеет лопасти 26, в нижней части которых установлены датчики влажности 27 и давления 28.
Цементно-смесительный блок 5 содержит приемный бункер вяжущего материала 29, весовой тензометрический дозатор 30, скоростной смеситель 31, емкость 32 для воды, емкость 33 для активатора, расходомеры 34, 35, электромагнитные клапаны 36, 37. Приемный бункер 29 снабжен системой пневмозагрузки 38, которая включает патрубок 39 для подачи сухого сыпучего вяжущего материала, разгрузочный фильтр 40, предохранительную сетку 41, шибер 42 и пневмоцилиндр 43. В нижней части приемного бункера 29 закреплен весовой тензометрический дозатор цемента 44 с шибером 45 и приводом от пневмоцилиндра 46. Под дозатором установлен скоростной смеситель турбулентного типа 31, оборудованный шибером 72 и пневмоцилиндром 71. Емкость 32 для воды через трубопроводы 47, 48, электромагнитный клапан 36, расходомер 34 соединена со скоростным смесителем 31. Емкость 33 для активатора через трубопроводы 49, 50, электромагнитный клапан 37, расходомер 35 соединена с скоростным смесителем 31. Для заправки емкостей водой и активатором используются патрубки 51, 52. Емкости 32, 33, электромагнитные клапаны 36, 37, расходомеры 34, 35 образуют контур настройки системы дозирования воды и активатора на заданную величину.
Блок 6 подачи вяжущего материала содержит расходную емкость 53, соединенную со скоростным смесителем 31, растворонасос 54 с приводом от гидромотора 55 с регулируемой частотой вращения, напорный трубопровод 56, соединенный с полой штангой 23, трехходовой кран 57, установленный в напорном трубопроводе 56 и соединенный сливной магистралью 58 с расходной емкостью 53, датчик давления 59. Расходная емкость 53, растворонасос 54, трехходовой кран 57, датчик давления 59 образуют контур для настройки блока 6 для подачи вяжущего материала на заданную производительность.
Контрольно-регулирующая аппаратура 7 установлена в кабине оператора 60 в блоке 61 и включает компьютер (ПК) 62, интерфейс 63, блок усиления сигналов с датчиков 64, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 65, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 66, магистрали 67, соединяющие датчики влажности 27, давления 28, 59 инклинометры 10, 12, расходомеры 34,35, электромагнитные клапаны 36, 37, двигатели скоростного смесителя 31 и растворонасоса 55, пневмоцилиндры 43,46, трехходовой кран 57 с блоком 61. Компьютер 62 через Com port или USB подключен к радиомодему 68, сигналы с которого передаются на удаленный радиомодем 69, подключенный к компьютеру 70.
Устройство работает следующим образом.
На площадке строительства в заданном месте устанавливается устройство для стабилизации грунтов вяжущими материалами 1. Используя компьютер 62, инклинометры 10, 12 и гидроопоры 8, 9 устанавливают горизонтально раму 3 и вертикально мачту 11. В приемный бункер 29, через входной патрубок 39, соединенный с автоцементовозом, пневмотранспортом подают цемент или диспергированный доменный шлак, который падает на предохранительную сетку 41 и поддувается воздухом через перфорированные трубки 42. Сжатый воздух очищается в разгрузочных фильтрах 40 и выходит в атмосферу. Емкость 32 через патрубок 51 заполняют водой, а емкость 33 через патрубок 52 заполняют активатором, например щелочью NaOH.
Используя программу управления работой устройства, оператор вводит в компьютер следующие проектные параметры:
3
- требуемое количество в весовом отношении вяжущего материала (шлак, цемент, известь, зола) из расчета на 1 м стабилизируемого грунта;
3
- требуемое количество воды из расчета на 1 м стабилизируемого грунта;
3
- требуемое количество активатора из расчета на 1 м стабилизируемого грунта;
- время перемешивания вяжущего материала с водой;
- время перемешивания активатора со смесью вяжущего материала и воды;
- номинальное давление в трубопроводе подачи комбинированного вяжущего материала: вяжущий материал + вода + активатор;
- скорость вращения буросмесителя;
- глубину погружения буросмесителя;
- проектное значение влажности грунтовой смеси (грунт + комбинированный вяжущий материал);
- проектное давление пенетрации грунтовой смеси в процессе ее изготовления.
По команде компьютера включаются двигатели скоростного смесителя 1, затем автоматически пневмоцилиндром 43 открывается шибер 42 и вяжущий материал подается в весовой дозатор 44, после набора в бункер весового дозатора требуемого количества вяжущего материала шибер 42 закрывается. Одновременно с процессом взвешивания вяжущего материала выполняется подача требуемого количества воды в скоростной смеситель. Для этого по программе компьютера открывается электромагнитный клапан 36 и через расходомер 34 по трубопроводу 47, 48 вода подается в скоростной смеситель 31. По показаниям расходомера 34 контролируют требуемый расход воды. По команде компьютера включают двигатель скоростного смесителя 31 и открывают шибер 45 весового дозатора 44, используя пневмоцилиндр 46, подают в скоростной смеситель вяжущий материал. После перемешивания в заданное время вяжущего материала с водой открывается электромагнитный клапан 37, и через расходомер 35 по трубопроводу 49, 50 активатор подается в скоростной смеситель 31. После перемешивания в заданное время пневмоцилиндром 71 открывается шибер 72, и комбинированный вяжущий материал (вяжущий материал + вода + активатор) подается в расходную емкость 53, откуда он растворонасосом 54 по трубопроводу 56 через трехходовой кран 57, полую штангу 23 подается к буросмесителю 25, который, вращаясь и вертикально перемещаясь известным механизмом привода, режет естественный грунт, перемешивая его с комбинированной смесью, образует сваю - грунтовую смесь, стабилизированную комбинированным вяжущим материалом, в результате после процесса твердения образуется столб (свая) большей прочности, по сравнению с естественным природным грунтом. Если происходит отказ в подаче комбинированного вяжущего материала, например, вследствие забивки трубопровода 56, полой штанги 23 или буросмесителя 25, давление в трубопроводе 56 возрастает, сигнал от датчика 59 по магистрали 67 через усилитель 64, АЦП 65 по интерфейсу 63 поступит в компьютер 62, который переключит трехходовой клапан 57, и комбинированный вяжущий материал будет перекачиваться в расходную емкость 53.
В процессе стабилизации естественного грунта контроль качества приготавливаемой грунтовой смести выполняется двумя операциями.
1. Непрерывно снимаются показания с датчиков влажности грунтовой смеси 27 и сравниваются с проектным значением влажности грунтовой смеси.
2. В соответствии с заданным интервалом времени прекращается вращение буросмесителя и, используя известный механизм, штанга 23 и буросмеситель 25 перемещаются вертикально на 1-2 см, и измеряется нормальное давление датчиками 28.
Если значения, измеренные в пп.1 и 2, не соответствуют проектным, то подается команда на электромагнитные клапаны 36, 37, и требуемое количество воды и активатора подается в скоростной смеситель 31, или дополнительное количество вяжущего материала подается в мешалку 31, или увеличивается время работы буросмесителя 25 или/и скорость его вращения.
Вся информация о показаниях датчиков и механизмов выводится на экран монитора компьютера, установленного в кабине оператора устройства и с целью контроля процесса производства и объема выполненных работ может передаваться по радиоканалу в офис заказчика.
Промышленная применимость
Данное техническое решение промышленно реализуемо, его использование позволяет улучшить качество стабилизации слабых естественных грунтов, повысить надежность и безопасность эксплуатации за счет непрерывного автоматизированного контроля процесса производства работ.