ПАРОВАЯ ИГЛА ДЛЯ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Российский патент 1994 года по МПК E02F5/30 

Изобретение относится к строительству на вечномерзлых грунтах и может быть использовано в качестве устройства для сплошного оттаивания вечномерзлых грунтовых массивов или протаивания в них скважин под сваи.

Известна паровая игла, включающая пароподающую трубку, наконечник на ее нижнем конце, снабженный продольным центральным и наклонными к нему в радиальных плоскостях сквозными каналами (Указания по проектированию и устройству свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах. РСН-14-62. М.: Госстрой РСФСР, 1964, с.25, рис.1). Данная конструкция паровой игры принята за аналог.

Достоинствами паровой иглы - аналога являются простота конструкции и изготовления ее, краткосрочность процессов локального протаивания мерзлых грунтов вокруг иглы, что предопределяет применение ее для протаивания скважин под сваи.

Недостатком паровой иглы является низкая производительность работ при сплошном оттаивании массивов вечномерзлого грунта.

Известна паровая игла, включающая пароподающую трубку с расположенными в разных уровнях двумя группами радиальных отверстий на нижнем конце, и заглушенным торцом, размещенную в наконечнике с радиальными и направленными вниз каналами с возможностью фиксированных продольных перемещений в нем и соответственного поочередного совмещения отверстий в трубке и наконечнике, снабженном расточкой в корпусе, сообщенной с направленными вниз каналами (авт. св. N 1351212, кл. Е 02 F 5/30, 1985). Эта паровая игла принята за прототип.

К достоинствам паровой иглы-прототипа относятся:
простота конструкции и изготовления;
простота технологии протаивания скважин и применяемого при этом технологического оборудования;
большая, чем у иглы-аналога, скорость погружения в протаиваемые грунты, что обусловлено действием в ходе заглубления иглы-прототипа только вертикально направленных струй пара.

Недостатком паровой иглы-прототипа является низкая производительность работ при сплошном оттаивании вечномерзлых грунтовых массивов, что обусловлено ограниченностью радиуса действия напорных струй пара в оттаивающем вокруг иглы слое грунта.

Анализ работы паровых игл, в том числе иглы-прототипа, показывает, что процесс оттаивания мерзлых грунтов вокруг них развивается в два этапа. Первый этап характеризуется краткосрочностью и интенсивностью протаивания окружающих грунтов, что является следствием совместного воздействия на них тепловой и кинетической энергий струй пара. Причем под воздействием тепловой энергии происходит вытаивание включений льда, а кинетической - разрушение механических связей между частицами грунта и последующее их перемешивание струями пара. Это способствует обнажению новых поверхностей мерзлого грунта для доступа открытого пара и, следовательно, развитию процесса его протаивания. Однако ограниченность запасов кинетической энергии, доля затрат которой на преодоление сил сопротивления быстро увеличивающейся толщи талого слоя грунта интенсивно возрастает, предопределяет краткосрочность действия этого процесса. В общем случае радиус оттаиваемой в течение первого этапа области вокруг иглы соизмерим с радиусом действия напорных струй пара в слое талого грунта, что не превышает 0,3-0,4 м.

На втором этапе оттаивание мерзлых грунтов резко замедляется и продолжается только за счет поступления тепла из талой области путем кондуктивного теплопереноса. При этом вследствие значительных теплозатрат на фазовый переход льда в воду и снижения плотности теплового потока прямо пропорционально квадрату расстояния от иглы дальнейшее протаивание мерзлых грунтов является чрезвычайно медленным процессом, что предопределило неэффективность применения известных паровых игл для сплошного оттаивания вечномерзлых грунтовых массивов, например, в основании строящихся фундаментов зданий и сооружений или в карьерах.

Целью изобретения является повышение производительности работы паровой иглы при оттаивании мерзлых грунтов.

Указанная цель достигается тем, что в известной паровой игле, включающей пароподающую трубку с расположенными в разных уровнях двумя группами радиальных отверстий на нижнем конце и заглушенным торцом, размещенную с возможностью фиксированных продольных перемещений в наконечнике с радиальными и сообщающимися с выполненной в его корпусе расточкой, направленными вниз каналами, пароподающая трубка соосно и с зазором размещена в обойме из коаксиально установленных одна в другой с зазором двух труб, неподвижно и герметично соединенных между собой верхними концами и подвижно с пароподающей трубкой, снабженной на верхнем конце приводом ее фиксированных продольных перемещений и совместного вращения с наконечником, который снабжен дополнительной расточкой, сообщенной с его радиальными каналами, выполненными направленными наклонно вверх, двумя концентрически расположенными кольцевыми и соосными с ним пазами в стенке корпуса, из которых внутренний глубже внешнего, и расположен ниже дна последнего с перфорированной наружной стенкой, и соединен с концом наружной трубы обоймы неподвижно в продольном направлении и с возможностью вращения в нем, конец внутренней трубы размещен во внешнем пазе с образованием между его стенками сообщающихся у дна кольцевых зазоров, причем расточки размещены в корпусе наконечника с возможностью поочередного совмещения с ними соответствующих групп отверстий пароподающей трубки, а в оттаиваемом мерзлом грунте выходные отверстия направленных наклонно вверх каналов наконечника расположены над грунтовой пульпой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая паровая игла отличается следующим.

Пароподающая трубка соосно и с зазором размещена в обойме из коаксиально установленных одна в другой с зазором двух труб, верхние концы которых неподвижно и герметично соединены друг с другом и подвижно с пароподающей трубкой. При этом зазор между трубками обоймы образует полость для подачи сжатого воздуха от компрессора (воздуховод), а зазор между обоймой и пароподающей трубкой-полость для удаления обводненной грунтовой пульпы (пульповод), образующейся в процессе оттаивания мерзлого грунта и конденсации пара.

Пароподающая трубка на верхнем конце снабжена приводом ее фиксированных продольных перемещений и совместного вращения с наконечником, который снабжен дополнительной расточкой, сообщенной с его радиальными каналами. Радиальные каналы выполнены в корпусе наконечника и направлены наклонно вверх по отношению к его продольной оси, а оттаиваемом мерзлом грунте расположены над грунтовой пульпой. Наконечник снабжен двумя соосными с ним и концентрически расположенными в стенке корпуса пазами, из которых внутренний глубже внешнего, расположен ниже дна последнего с перфорированной наружной стенкой, выполняющей роль фильтра удаляемой из скважины по пульповоду грунтовой пульпы.

Наконечник соединен с нижним концом наружной трубы обоймы неподвижно в продольном направлении и с возможностью вращения в нем. Конец внутренней трубы размещен во внешнем пазе наконечника с образованием между его стенками сообщающихся у дна паза кольцевых зазоров. Сообщающиеся между собой воздуховод, кольцевые зазоры во внешнем пазе наконечника, внутренний паз последнего с перфорированной частью наружной стенки и пульпопровод образуют систему для удаления с помощью сжатого воздуха (эжектирования) обводненной грунтовой пульпы из протаиваемой области мерзлого грунта.

Расточки в корпусе наконечника размещены с возможностью поочередного совмещения с ними соответствующих групп отверстий пароподающей трубки. Этим обеспечивается переключение очередности действия направленных наклонно вверх или вниз струй пара при продольном перемещении пароподающей трубки в наконечнике. Причем в режиме погружения иглы (протаивания cкважин) дейcтвуют только направленные вниз, а в режиме протаивания окружающих грунтов-направленные наклонно вверх струи пара.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая паровая игла соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемой конструкции паровой иглы не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области производства работ по оттаиванию вечномерзлых грунтов не позволило выявить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками в заявляемой паровой игле, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображена паровая игла для оттаивания мерзлых грунтов, продольный разрез, в режиме работы иглы при погружении в мерзлый грунт (протаивание лидерной скважины); на фиг.2 - то же, в режиме работы иглы по протаиванию окружающих ее мерзлых грунтов; на фиг.3 - общий вид иглы в ходе ее заглубления в грунт, продольный разрез; на фиг.4 - то же, при протаивании мерзлых грунтов вокруг иглы направленными наклонно вверх струями пара.

Паровая игла содержит пароподающую трубку 1, наконечник 2, обойму 3 из коаксиально размещенных одна в другой с зазором 4 двух труб 5 и 6, верхние концы 7 которых снабжены боковыми патрубками 8 и 9, неподвижно и герметично соединены между собой и подвижно с пароподающей трубкой 1, снабженной на верхнем конце 10 приводом 11 ее фиксированных продольных перемещений в наконечнике 2 и совместного с ним вращения. Нижний конец пароподающей трубки 1 выполнен с двумя группами радиальных отверстий 12 и 13, заглушенным торцом 14 и фиксатором 15 ограничения продольных перемещений в наконечнике 2. Пароподающая трубка 1 соосно и с зазором 16 размещена в обойме 3. С нижним концом 17 наружной трубы 6 обоймы 3 неподвижно в продольном направлении и с возможностью вращения в нем соединен наконечник 2, снабженный расточкой 18, сообщенной с направленными наклонно вверх по отношению к его продольной оси каналами 19 в радиальных плоскостях, и расточкой 20, сообщенной с его направленными вниз каналами 21. Расточки 18 и 20 размещены в корпусе наконечника 2 с возможностью поочередного совмещения с ними соответствующих групп отверстий 12 и 13 пароподающей трубки 1.

Наконечник 2 выполнен с двумя соосными с ним и концентрически расположенными пазами 22 и 23 в его стенке, из которых внутренний паз 22 глубже внешнего паза 23 и расположен ниже дна последнего с перфорированной наружной стенкой 24. Во внешнем пазе 23 размещена нижним концом 25 внутренняя труба 5 обоймы 3 с образованием между его стенками 26 и 27 сообщающихся у дна паза 23 внешнего 28 и внутреннего 29 кольцевых зазоров. Верхний конец 10 пароподающей трубки 1 снабжен радиальными отверстиями 30, сообщенными с подвижным вокруг него соединительным патрубком 31.

Паровая игла может быть изготовлена из трех стальных цельнотянутых труб разного диаметра, причем для изготовления пароподающей трубки 1 используют трубу с наименьшим диаметром. Нижний конец этой трубы выполняют с заглушенным торцом 14 и с расположенными в разных уровнях двумя группами радиальных отверстий 12 и 13, а верхний конец 10 - с одной группой таких отверстий 30. Причем на уровне последних устанавливают неподвижную в продольном направлении и вращающуюся вокруг трубы муфту с расточкой, сообщенной с отверстием 30 и патрубком для соединения с паровым шлангом. Пароподающую трубку 1 размещают соосно и с зазором 16 в обойме 3. Обойму 3 изготавливают из коаксиально установленных одна в другой с зазором 4 двух труб 5 и 6, герметично и жестко соединенных между собой, например с помощью сплошного электросварного шва верхними концами 7, каждый из которых снабжен боковыми соединительными патрубками 8 и 9. На верхнем конце 7 обоймы 3 закрепляют привод 11 вращения и продольных перемещений пароподающей трубки 1, соединенной подвижно с верхним концом обоймы 3 посредством, например, уплотнительного сальника.

Наконечник 2 изготавливают с цилиндрическим несквозным центральным отверстием в корпусе для размещения в нем нижнего конца пароподающей трубки 1. В этом отверстии выполняют две расточки 18 и 20, причем верхняя расточка 18 может совмещаться с верхней группой радиальных отверстий 12 пароподающей трубки 1 только при крайнем нижнем положении последней в наконечнике 2. При этом заглушенный торец 14 трубки 1 перекрывает входные отверстия направленных вниз сквозных каналов 21 наконечника 2. В стенке корпуса наконечника 2 выполнены два соосных с ним и концентрически расположенных между собой кольцевых паза 22 и 23, во внешнем из которых размещают нижний конец 25 внутренней трубы 5 обоймы. Наружную стенку 24 внутреннего паза 22 на участке ниже дна внешнего паза 23 изготавливают со сквозной перфорацией. Направленные наклонно вверх в радиальных плоскостях сквозные каналы 19 сообщены с верхней расточкой 18 наконечника. Наконечник 2 закрепляют неподвижно в продольном направлении внутри нижнего конца 17 наружной трубы 6 обоймы 3 и с возможностью вращения в ней. Это может быть обеспечено, например с помощью размещения кольцевого выступа 32 на боковой поверхности корпуса наконечника и ответного ему паза на внутренней поверхности нижнего конца 17 наружной трубы 6 обоймы. Соединение, обеспечивающее фиксированное продольное перемещение пароподающей трубки 1 в наконечнике 2 и совместное их вращение, может быть выполнено с помощью, например, специального выступа на нижнем конце пароподающей трубки 1 и ответного ему продольного паза необходимой длины в корпусе наконечника 2.

Паровая игла работает следующим образом.

Поднятую в вертикальное положение паровую иглу устанавливают над точкой погружения в грунт. С помощью запитывающих шлангов включают сначала подачу пара для прогрева и продувки иглы, а затем подают сжатый воздух от компрессора. Приводом 11 перемещают пароподающую трубку 1 в крайнее верхнее положение в корпусе наконечника, при котором верхняя группа радиальных отверстий 12 нижнего конца пароподающей трубки 1 перекрывается в корпусе наконечника 2, а нижняя группа отверстий 13 совмещается с его нижней расточкой 20, что обеспечивает включение в работу только направленных вниз струй пара. В таком режиме работы струй пара иглу погружают в мерзлый грунт. Образующаяся в ходе протаивания скважины обводненная грунтовая пульпа 33 непрерывно удаляется из нее путем эжектирования через перфорированную стенку 24 наконечника 2 и пульпопровод иглы. Эжектирование пульпы 33 обеспечивается подачей сжатого воздуха по воздуховоду в кольцевые зазоры 28 и 29 во внешнем пазе 23 наконечника 2. Непрерывное удаление из протаиваемой скважины грунтовой пульпы 33 позволяет выполнить практически безпрепятственное погружение иглы на любую глубину. Причем путем варьирования скоростью опускания иглы представляется возможность изменения диаметра скважин и устройства в них уширений.

Опыт эксплуатации известных паровых игл показывает, что сопротивление заполняющего скважину оттаянного грунта не только замедляет скорость погружения иглы, но нередко является непреодолимым для нее препятствием, особенно при глубинах оттаивания грунтов свыше 10 м. В таких случаях паровые иглы погружают зачастую в заранее пробуренные скважины, что резко снижает эффективность их применения для сооружения свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах.

После погружения иглы на расчетную глубину пароподающую трубку 1 перемещают приводом 11 в крайнее нижнее положение в наконечнике 2 и включают режим работы привода на вращение пароподающей трубки с наконечником. При этом направленные вниз каналы 21 последнего перекрываются заглушенным торцом нижнего конца пароподающей трубки, а радиальные отверстия 12 его верхней группы совмещаются с верхней расточкой 18 и, следовательно, с направленными наклонно вверх каналами наконечника 2. Выполнение этих подготовительных операций обеспечивает переключение режима работы иглы на оттаивание окружающих ее мерзлых грунтов под воздействием направленных наклонно вверх струй пара.

Протаивание мерзлого массива грунта в пределах глубины погружения иглы выполняют в два этапа. Первоначально вокруг иглы в уровне забоя скважины формируют выработку в грунте в виде торообразной полости с приподнятым сводом, для чего производят непрерывную откачку грунтовой пульпы, образующейся в ходе оттаивания грунтов под воздействием напорных струй пара. При этом чем выше давление и температура пара, больше сечение выходных отверстий каналов, скорость истечения из них струй пара и время их действия, тем больших размеров поперечного сечения достигает выработка. Предполагается, что величина радиуса выработки в поперечном сечении соизмерима с длиной струи пара в воздушной или паровоздушной среде. Следует отметить, что разработку полости, а в последующем протаивание всего расположенного над ней грунтового массива выполняют при погруженной в грунтовую пульпу 33 игле перфорированной частью корпуса наконечника, не допуская затопления выходных отверстий направленных наклонно вверх каналов 19.

На втором этапе ведут оттаивание всего мерзлого массива грунта над выработкой, что осуществляется в ходе подъема работающей паровой иглы с вращаемым наконечником. Причем с изменением скорости подъема иглы связано изменение размеров поперечного сечения оттаиваемого массива грунта. В частности, с уменьшением скорости подъема иглы величина радиуса поперечного сечения оттаянного массива возрастает, а с увеличением уменьшается. При подъеме иглы процесс оттаивания грунтов развивается со стороны свода выработки, где они подвергаются совместному воздействию кинетической и тепловой энергий струй пара. Под воздействием тепловой энергии вытаиваются включения льда между частицами грунта, а кинетической происходит механическое разрушение связей между ними, срыв и обрушение частиц с мерзлых слоев и обнажение льда для доступа тепла открытого пара.

Вытаявшие и обрушенные со свода полости частицы грунта выпадают в осадок и накапливаются в виде талых отложений, при этом пылеватые и глинистые из них сносятся к игле, увлекаются водой и в виде обводненной грунтовой пульпы 33 удаляются наружу. Оттаивание грунтов с помощью заявляемой иглы сопровождается их полной переработкой, в результате которой улучшается их гранулометрический состав, а в засоленных происходит опреснение грунтов. Образовавшуюся после полного протаивания мерзлого массива воронку засыпают привозным грунтом.

Предварительная оценка работы заявляемой паровой иглы показывает, что за один рабочий цикл длительностью около 20 ч объем оттаянной области грунта составляет 800-1000 м³ при глубине ее 10-11 м и диаметре 10-12 м. При той же глубине погружения известных паровых игл, включая иглу-прототип, объем оттаянного грунта за один цикл их работы не превышает 10 м³. При этом диаметр протаиваемой области составляет не более 1 м, а длительность цикла - около 7-8 ч, включая время погружения иглы 0,5-1 ч, остановки ее в режиме протаивания окружающих грунтов по 20 мин через каждые 0,5 м подъема из скважины.

Следует отметить, что расход топлива при одинаковом времени работы у заявляемой иглы лишь в 1,5 раза больше, чем у иглы-прототипа, а при оттаивании 1 м³ грунта - в 15-20 раз меньше, чем у последней.

Таким образом, результаты предварительной оценки работы заявляемой паровой иглы показывают, что производительность ее примерно в 25 и более раз выше, чем у известных паровых игл, включая иглу-прототип.

Использование: оттаивание мерзлых грунтов. Сущность изобретения: паровая игла содержит пароподающую трубку с двумя группами радиальных отверстий на нижнем конце и заглушенным торцом, размещенную с возможностью фиксированных продольных перемещений в наконечнике с радиальными и направленными вниз сообщающимися с расточкой каналами. Пароподающая трубка соосно с зазором размещена в обойме из двух коаксиально и с зазором установленных труб. Трубы неподвижно и герметично соединены между собой верхними концами и подвижно с пароподающей трубкой. На верхнем конце пароподающей трубки имеется привод ее продольных перемещений в наконечнике и совместного с ним вращения. Наконечник выполнен с дополнительной расточкой, которая сообщена с выполненными наклонно вверх каналами, двумя концентрическими и соосными с ним пазами в стенке. Внутренний канал выполнен глубже внешнего и расположен ниже дна последнего. Конец внутренней трубы размещен во внешнем кольцевом пазе с образованием сообщающихся у его дна кольцевых зазоров. 4 ил.

ПАРОВАЯ ИГЛА ДЛЯ ОТТАИВАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ, включающая пароподающую трубку с расположенными в разных уровнях двумя группами радиальных отверстий на нижнем конце с заглушенным торцом и соосно размещенную с возможностью фиксированных продольных перемещений в наконечнике с радиальными и сообщающимися с устроенной в его корпусе расточкой направленными вниз каналами, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности работы паровой иглы при оттаивании мерзлых грунтов, паровая игла снабжена обоймой, а пароподающая трубка соосно и с зазором размещена в обойме, выполненной из двух коаксильно установленных одна в другой с зазором труб, неподвижно и герметично соединенных между собой верхними концами и подвижно - с пароподающей трубкой, снабженной на верхнем конце приводом ее фиксированных продольных перемещений и совместного вращения с наконечником, который выполнен с дополнительной расточкой, сообщенной с его радиальными каналами, выполненными направленными наклонно вверх и располагаемыми над грунтовой пульпой при оттайке мерзлого грунта, двумя концентрически расположенными кольцевыми и соосными с ним пазами в стенке корпуса, из которых внутренний глубже внешнего, выполнен ниже дна последнего с перфорированной наружной стенкой и соединен с концом наружной трубы обоймы неподвижно в продольном направлении и с возможностью вращения в нем, а конец внутренней трубы размещен во внешнем кольцевом пазе с образованием между его стенками сообщающихся у дна кольцевых зазоров, причем расточки размещены в корпусе наконечника с возможностью поочередного совмещения с ними групп отверстий пароподающей трубки.