способ усиления грунтов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ усиления грунтов, включающий образование скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания и введение под давлением в грунт крепителя с образованием в грунте плоскости разрыва, отличающийся тем, что выполнение продольного концентратора напряжений производят выдвижением, вдавливанием и последующим прокатыванием в пределах зоны нагнетания выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, соединенного с фиксатором стопорным элементом, а запирание верхней части скважины осуществляют заполнением быстротвердеющим материалом зазора между стенкой скважины и устройством для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины.

2. Устройство для создания концентратора напряжений, включающее трубу, наконечник и резец, отличающееся тем, что резец размещен в проточке наконечника, выполнен в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы и соединен с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к технологии и оборудованию для усиления структурно-неустойчивых грунтов, может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве и направлено на снижение стоимости, энергоемкости и повышение качества работ.

Известен способ закрепления грунтов, включающий бурение скважины, нарезание на ее стенке продольного концентратора напряжений специальным устройством, запирание рабочей части скважины, образование вертикальной плоскости разрыва с последующим инъецированием закрепляющего раствора (Фатеев Н.Т., Карякин В.Ф. Инъекционное закрепление грунтов с использованием направленных гидроразрывов. Тезисы докладов Х Всесоюзного научно-технического совещания по закреплению и уплотнению грунтов. - М.: Стройиздат, 1983, - 176 с.).

Недостатком известного способа является некачественная нарезка концентратора напряжений по всей длине скважины и ненадежное запирание ее верхней части, что приводит к выбиванию раствора и удорожанию работ.

Известно устройство для направленного нагнетания в грунт крепящих растворов, включающее центральную трубу с выпускным отверстием, сообщающиеся верхнюю и нижнюю эластичные камеры, полый корпус с расположенной в нем трубчатой направляющей, по которой перемещается поршень, и контактирующий с поршнем выдвижной резец (авт.свид. №1636518 «Устройство для направленного нагнетания крепящих реагентов в грунт», 1991). При работе таким устройством выдвинутый и неподвижно закрепленный на нем резец создает некачественный надрез на стенке скважины, устройство имеет сложную конструкцию, исключена возможность убирания резца при извлечении инъектора, возможен переток тампонажного раствора в зону инъецирования, что приводит к снижению качества работ и их удорожанию.

Наиболее близким из известных решений по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению (прототип) является способ закрепления лессовых просадочных грунтов, включающий образование скважины, выполнение в ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания, введение под давлением в грунт крепителя с образованием в грунте плоскости разрыва и инъектор для его осуществления, который имеет трубу, наконечник и резец треугольной в сечении формы высотой 0,33 диаметра наконечника (авт.свид. №1444473 «Способ закрепления лессовых просадочных грунтов и инъектор для закрепления лессовых просадочных грунтов», 1988).

Недостатком известного решения является создание концентратора напряжений треугольной формы по всей длине скважины, оплывание его в пластичных грунтах, возможность «задиров» при попадании включений, некачественное запирание зоны инъецирования за счет вибрации при погружении запорной части, необходимость изготовления большого количества металлических элементов, сложность погружения и извлечения инъектора на большую глубину, жесткое закрепление резца на наконечнике, что делает нечетким создаваемый концентратор при попадании на твердые включения.

Целью изобретения является снижение стоимости, энергоемкости и повышение качества работ.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем образование скважины, выполнение на ее стенке продольного концентратора напряжений, запирание верхней части скважины с отсечением зоны нагнетания и введение под давлением в грунт крепителя с образованием в грунте плоскости разрыва, выполнение продольного концентратора напряжений производят выдвижением, вдавливанием и последующим прокатыванием в пределах зоны нагнетания выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, соединенного с фиксатором стопорным элементом, а запирание верхней части скважины осуществляют заполнением быстротвердеющим материалом зазора между стенкой скважины и устройством для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства для создания концентратора напряжений, включающего трубу, наконечник и резец, который размещен в проточке наконечника, выполнен в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы и соединен с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки.

Запирание верхней части скважины осуществляют с использованием одного из известных устройств, например, устройства для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины (см. SU 1229361 А1, Е 21 D 20/00, Е 21 В 33/12, 07.05.1986).

Сущность изобретения поясняется чертежами, изображенными на фиг.1-6. На фиг.1 показан продольный разрез скважины и устройства по п.2 формулы в сложенном состоянии; на фиг.2 - сечение А-А; на фиг.3 - продольный разрез скважины и устройства по п.2 в выдвинутом состоянии; на фиг.4 - сечение Б-Б; на фиг.5 - запирание верхней части скважины в момент введения крепителя; на фиг.6 - сечение В-В.

Предлагаемый способ усиления грунтов осуществляется с помощью устройства по п.2 формулы (см. фиг.1-4), которое включает трубу 1, наконечник 2, резец 3, размещенный в проточке наконечника 2, выполненный в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы и соединенный с фиксатором 4 стопорным элементом в виде скобы 5 и вилки 6. Резец 3 крепится к наконечнику 2 с помощью металлических планок 7.

Устройство по п.2 формулы нарезает на стенке скважины 8 концентратор напряжений 9. При введении под давлением в массив грунта 10 крепителя образуется вертикальная плоскость разрыва 11 с армоэлементом 12. Для исключения выбивания крепителя запирание верхней части скважины осуществляют заполнением быстротвердеющим материалом зазора 13 между стенкой скважины 8 и устройством 14 для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой 15.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

Сначала устройство по п.2 опускается в пробуренную скважину 8 до начала зоны нагнетания. Затем при помощи стопорного элемента в виде скобы 5 и вилки 6 резец 3, размещенный в проточке наконечника 2 и выполненный в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, выдвигается, вдавливается в стенку скважины и крепится к трубе 1 фиксатором 4. На боковой поверхности скважины путем прокатывания резца 3 в пределах зоны нагнетания выполняют надрез чечевичной формы, который является концентратором напряжений 9. После завершения нарезки концентратора напряжений 9, фиксатор 4 отсоединяется от трубы 1 и с помощью стопорного элемента в виде скобы 5 и вилки 6 резец 3 в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы опускают в исходное положение и размещают в проточке наконечника 2, а затем извлекают устройство по п.2 формулы из скважины.

На следующем этапе для исключения выбивания крепителя осуществляют запирание верхней части скважины заполнением быстротвердеющим материалом зазора 13 между стенкой скважины 8 и устройством 14 для введения под давлением в грунт крепителя, выполненного в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой 15.

Крепитель через отверстия перфорированной трубы из эластичного материала вводится под давлением в рабочую часть скважины и на участке концентратора напряжений 9 образует плоскость разрыва 11, при подаче в которую крепителя происходит формирование армирующего элемента 12 и уплотнение окружающего массива грунта 10. После завершения армирования и сброса давления устройство 14 извлекается из скважины, а так как оно выполнено из эластичного материала, то при сбросе давления происходит уменьшение его в диаметре, что облегчает его извлечение.

Резец 3 выполнен в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы, что позволяет осуществлять надрез непосредственно в зоне нагнетания, а прокатывание обеспечивает более точный и качественный по форме и глубине концентратор напряжений 9.

В качестве примера конкретного выполнения способа и применения устройства для его осуществления рассмотрим порядок операций при стабилизации неравномерных осадок грунтов основания жилого дома в г. Ростове-на-Дону.

В основании фундаментов залегали просадочные грунты мощностью 3,2 м ниже подошвы фундамента, подстилаемые глинами. Нижняя отметка подошвы фундамента находилась на глубине 1,0 м от поверхности земли. Армирование выполнялось в виде системы вертикальных плоских элементов. При этом расстояние между плоскостями разрыва было принято 1,0 м, а размеры элементов составили: высота 3,2 м, длина 1,6 м, а толщина 0,05 м.

На участке работ использовали устройство по п.2 формулы, которое имело наконечник 66 мм. Наконечник был снабжен резцом в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы 66 мм, который имел толщину средней части 16 мм при угле заточки 35°. В выдвинутом состоянии резец выступал за контур наконечника на 20 мм. Резец в виде выдвижного, вдавливаемого и вращающегося диска в форме чечевицы был установлен на планках в проточку, выполненную в наконечнике, и соединялся с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки. Конструкция резца и стопорного элемента обеспечивала свободное погружение устройства в скважину, выдвижение, вдавливание и прокатывание резца с выполнением продольного концентратора напряжений на стенке скважины, а также последующее его извлечение на последнем этапе.

Работы выполнялись следующим образом. На первом этапе была пробурена скважина 70 мм и глубиной 4,2 м. Затем в скважину погружалось устройство по п.2 формулы. На глубине 1,0 м при помощи стопорного элемента в виде скобы и вилки из прорези наконечника был выдвинут резец в виде вдавливаемого, вращающегося диска в форме чечевицы и вдавлен в стенку скважины. Положение резца было закреплено путем его соединения с фиксатором стопорным элементом в виде скобы и вилки. При дальнейшем погружении устройства до глубины 3,2 м на стенке скважины путем прокатывания резца в виде вращающегося диска выполнялся концентратор напряжения в форме чечевицы глубиной 20 мм. После нарезки концентратора диск убирался в паз наконечника и устройство извлекалось из скважины.

Затем в скважину с нарезанным концентратором напряжения опускалось устройство в виде перфорированной трубы из эластичного материала диаметром, меньшим диаметра скважины, с теряемой манжетой, а пространство между скважиной, трубой и манжетой заполнялось быстротвердеющим материалом (алебастром), после схватывания которого через перфорированную часть трубы вводился под давлением крепитель (цементно-грунтовый раствор) объемом 260 л согласно патента на изобретение №2122068. Нагнетание велось с интенсивностью подъема давления 0,4 МПа в минуту. При достижении давления 0,3 МПа было замечено резкое падение давления, что свидетельствовало об образовании плоскости разрыва. Дальнейшее нагнетание велось с меньшим давлением, не превышающим 0,3 МПа. После подачи в скважину всего объема раствора и сброса давления устройство в виде перфорированной трубы извлекалось из скважины. Срез зоны упрочнения на глубине 3 м от поверхности земли показал наличие вертикальной плоскости разрыва, заполненной цементогрунтовым камнем, толщина которого составила 50-70 мм.

Положительный эффект от использования предлагаемого способа и устройства для его осуществления подтверждается технико-экономическим расчетом. Стоимость уплотнения и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу и известному (прототип) приведена в таблице.

№ пп	Наименование показателей	Ед. изм.	Величина показателя
			прототип	Предлагаемый способ
1.	Сметная стоимость уплотнения и армирования 1 м3 грунта в ценах 2001 г.	руб.	123,8	100,52
	В том числе:
	бурение скважины	руб.	-	6,72
	погружение и извлечение устройства с нарезкой концентратора	руб.	-	3,9
	установка и извлечение устройства для нагнетания раствора с заполнением алебастром зазора между стенкой скважины и устройством	руб.		3,0
	- забивка и извлечение инъекторов	руб.	36,9	-
	приготовление и нагнетание вспененного цементно-грунтового раствора	руб.	86,9	86,9
Примечание: Показатели в таблице даны без учета стоимости материалов.

Как видно из таблицы, сметная стоимость уплотнения и армирования 1 м³ грунта по предлагаемому способу на 19% меньше, чем по известному способу (прототип).

Таким образом, предлагаемый способ усиления грунтов и устройство для его осуществления позволяет снизить стоимость и энергоемкость работ, а также повысить их качество.