УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА Российский патент 1995 года по МПК E02D3/12 

Предлагаемое изобретение относится к специальным строительным работам, в частности для строительства заглубленных конструкций различного назначения с помощью струйной технологии.

Известно устройство для закрепления грунта, которое заключается в том, что при сооружении подземных конструкций по тупиковой схеме горизонтальный размер конструкций уменьшается по высоте вследствие изменения гидростатического давления и связанной с этим скорости потока сжатого воздуха в ходе технологического процесса, а при сооружении такого рода устройствами колонн закрепленного грунта наблюдаются большие непроизводительные потери твердеющего раствора из-за отсутствия баланса между разрушением грунта жидкой струей и эффектом удаления разрыхленного грунта восходящим потоком жидкости, например аэрированной.

Известно устройство для закрепления грунта, обеспечивающее герметизацию размываемой плоскости. Однако это устройство имеет следующие недостатки.

Автоматический регулятор сечения входного отверстия корпуса, укрепленный в нижней его части, на внутренней поверхности, создает дополнительное гидравлическое сопротивление на входе потока пульпы во внутреннюю полость корпуса, что снижает эффективность удаления разрыхленного грунта, т.е. снижает консистенцию пульпы, а также реально повышает опасность забивки суженного входного отверстия твердыми включениями.

Герметизирующий элемент жестко соединен с корпусом монитора, вследствие чего при необходимости вращения монитора вокруг вертикальной оси (при сооружении колонн закрепленного грунта) герметизирующий элемент испытывает сильное сопротивление вращению на контакте со стенками скважины, что требует приложения большого момента вращения и, в свою очередь, может содействовать разрушению стенок скважины, а следовательно, и повышению сопротивления подъему размывающего устройства.

Для обеспечения гидротранспорта размытого грунта в скважине с грунтовыми стенками со скоростями, позволяющими избежать оседания всех транспортируемых фракций грунта, необходимо большое количество сжатого воздуха, большее, чем нужно для поддержания воздушной подушки в герметизированной размываемой грунтовой полости, а это, в свою очередь, создает дополнительные абсолютные гидравлические сопротивления на входном отверстии монитора для пульпы.

Предлагаемая конструкция размывающего устройства, помимо устранения известных устройств способствует увеличению производительности процесса, снижению непроизводительных технологических потерь твердеющего раствора и, кроме того, уменьшению требуемого количества сжатого воздуха.

Для этого в устройстве для закрепления грунта, включающем полый корпус, подводящие трубы для рабочих компонентов размывающей жидкости, сжатого воздуха, твердеющего раствора, боковые размывающие сопла, растворный изливающий патрубок, герметизирующий элемент, например в виде зонтообразно раскрываемой оболочки, в нижней части корпуса предусмотрено вихреобразующее устройство, включающее кольцевую камеру с тангенциально направленным подводом воды, например в виде спиральной трубки, и кольцевой канал, охватывающий пульпоприемный патрубок и открытый в направлении, противоположном входящему потоку пульпы размытого грунта;
герметизирующий элемент крепится к корпусу с возможностью вращения корпуса относительно герметизирующего элемента;
регулирующий элемент, сужающий сечение потока пульпы для обеспечения требуемого давления в размываемой полости, крепится в верхней части корпуса;
в верхней части корпуса крепится пульпопроводная труба, снабженная в своем верхнем конце сбросным шлангом.

Конструкция предлагаемого устройства показана на фиг.1-3; на фиг.4 устройство в работе; на фиг.5 вариант конструкции предлагаемого устройства в работе.

Устройство для закрепления грунта включает корпус 1 (фиг.1-3), внутри которого соосно с ним размещены труба 2 для подачи размывающей жидкости, труба 3 для подачи сжатого воздуха и труба 4 для подачи закрепляющего раствора. Трубы 2, 3, 4 соединены с втулкой 5, крепящейся изнутри к корпусу 1. Втулка 5 имеет продольную цилиндрическую полость, боковые отверстия и выточки. В полости втулки 5 крепятся на резьбах сменные жидкостные сопла 6, соосно с ними воздушные сопла 7, при этом размывающая жидкость, поступающая по трубе 2, попадает в жидкостные сопла 6, и сжатый воздух, поступающий по трубе 3, попадает в воздушные сопла 7. Втулка 5 с помощью патрубка 8 соединена с входным отверстием перепускного регулятора 9, имеющего, например винтовое регулирование перепускаемого расхода жидкости. Перепускной регулятор 9 в выходном отверстии соединен со спиральной трубкой 10 (фиг.1, 3), которая нижним торцовым отверстием соединена с кольцевой камерой, образуемой патрубком 11 и стенкой корпуса 1, причем спиральная труба 10 плавно сопряжена с кольцевой камерой, а внутренний диаметр трубки 10 равен кольцевому зазору между патрубком 11 и стенкой корпуса 1. Кольцевая камера непосредственно переходит в кольцевой канал, образуемый патрубком 12 и стенкой корпуса 1, причем патрубок 12 диаметром, большим диаметра патрубка 11, выступает ниже нижнего торца корпуса 1.

Подводящая растворная труба 4 соединена с вертикальным растворным патрубком 13, проходящим по оси корпуса 1, с помощью симметричных полутрубчатых соединительных патрубков 14 (фиг.2, 3), образующих совместно с вертикальными проточками во втулке 5 перепускные каналы для раствора. Растворный патрубок 13 имеет на нижнем конце резьбовое соединение, с помощью которого, в случае необходимости, к нему крепится отводной патрубок 15, имеющий на противоположном конце резьбовое соединение для крепления сменного растворного сопла 16.

В верхней части корпуса 1 к нему крепится герметизирующий элемент в виде зонтообразно раскрываемой оболочки 17, по периметру которого к нему прикреплены пружинные пластины 18 с отогнутыми концами, связанные между собой обечайкой 19, имеющий малый зазор с корпусом 1 и возможность вращения относительно него. Полукруглые выточки на внутренней стенке обечайки 19 и внешней стенке корпуса 1 образуют кольцевой канал, в котором размещаются стальные шарики 20 по всей его окружности. Выше и ниже шариков 20 установлены уплотнения 21 и 22. Отогнутые концы пружинных пластин 18 удерживаются в нерабочем положении кольцевой фланцевой шайбой 23 фиксатора, размещенной на внешней стороне корпуса 1 и выполненной с прорезью, в которой установлен конец подпружиненного потока клапана 24, зафиксированного в полости корпуса 1 (конструкция клапана 24 на чертежах не показана). На выступе корпуса 1 по периметру расположены отжимные плоские пружины 25 (на чертеже не показаны). Клапан 24 соединен с помощью трубки 26 (не показан), связанной с воздушным трактом.

К верхнему торцу корпуса 1 на резьбе крепится сменная регулирующая насадка 26.

Предлагаемое устройство так же, как и аналогичные устройства для струйной технологии в случае необходимости снабжаются трехкомпонентным вертлюгом 27 (фиг. 4), к которому присоединяются шланг для размывающей жидкости (например воды) 28, шланг для сжатого воздуха 29 и шланг для твердеющего раствора 30. При отсутствии необходимости вращения устройства шланги 28, 29 и 30 соединяются непосредственно с трубами 2, 3 и 4.

В другом варианте предлагаемой конструкции, показанном на фиг.5, устройство дополнительно оборудуется пульпопроводной трубой 31, которая нижним концом крепится к обечайке 19, а верхним к вертлюгу 27. К верхней части пульпопроводной трубы 31 подсоединяется сбросной шланг 32.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В предварительно пробуренную скважину 33 (фиг.4, 5) опускается устройство для закрепления грунта. Далее через трубу 3 подают сжатый воздух. Под давлением сжатого воздуха, поступающего по трубке 26 к клапану 24, под действием сжатого воздуха отжимается фиксирующий шток клапана 24, кольцевая фланцевая шайба 23 отжимается отжимными плоскими пружинами 25 и соскальзывает вниз, вдоль корпуса 1, освобождая при этом отогнутые концы пружинных пластин 18, которые зонтообразно раскрывают оболочку 17, удерживаемую обечайкой 19. Раскрытая оболочка 17 прижимается к стенкам скважины 33, препятствуя проходу в нее воздуха и жидкости. Одновременно сжатый воздух через воздушное сопло 7 проникает в полость между стенками корпуса 1 и стенками скважины 33 и дополнительно прижимает оболочку 17 к стенкам скважины, образуя под оболочкой воздушную полость. Далее по трубе 2 подается под давлением размывающая жидкость (например вода); пройдя через водяное сопло, она образует струю, которая, двигаясь в воздушной среде, размывает грунт, образуя в нем узкую каверну. Образовавшаяся при этом пульпа размытого грунта движется обратным потоком по направлению к скважине. Одновременно часть воды, не попавшая в водяное сопло 6, поступает в перепускной регулятор 9, который заранее устанавливается на пропуск определенного расхода воды. Здесь, при проходе по узким каналам, давление воды снижается, и вода поступает в спиральную трубку 10, откуда она, приобретая центробежное ускорение, попадает в кольцевую камеру, где образуется вращающийся поток, который одновременно имеет поступательное движение через кольцевой канал между стенками патрубка 12 и корпуса 1. После выхода потока за пределы нижнего торца корпуса 1 в жидкую среду вращающаяся струя образует стойкий торообразный вихрь 35. Внутри вихря возникает пониженное гидростатическое давление, а в окружающей жидкости возникает индуцированное вращательное движение. Благодаря этому, частицы разрушенного грунта, транспортируемые потоком пульпы, под действием центробежной циркуляции интенсивно движутся к центру вращения потока, под действием повышенного гидростатического давления в размываемой герметизированной полости вместе с водой и избыточным воздухом поступают внутрь корпуса 1 через патрубок 12. При этом сохраняющееся вращательное движение восходящего потока уменьшает вероятность забивки внутренней полости монитора грунтом в узких местах. Выйдя в скважину 33, поток пульпы изливается на поверхность и отводится по отводной канавке 34 в отстойник. Далее устройству с помощью вращателя придается вращательное движение, а затем начинается медленный его подъем. Одновременно через трубу 4 подается твердеющий раствор, который, проходя через растворный патрубок 13, отводной патрубок 15 и растворное сопло 16, в виде струи через жидкую среду, насыщенную разрыхленным грунтом, пробивается на периферию размытой полости и заполняет ее, перемешиваясь с оставшимся после частичного выноса грунтом. Если выполняются плоские конструкции в грунте, когда вращения устройства не производится, отводящий патрубок 15 не надевается, и раствор свободно изливается через растворный патрубок 13.

Гидростатическое давление в размываемой полости определяется главным образом внутренним диаметром сменной регулирующей насадки 26. Гидростатическое давление заранее рассчитывается и остается близким к постоянному на протяжении подъема устройства до завершения сооружения конструкции.

Предлагаемое устройство позволяет интенсифицировать процесс выноса размытого грунта за счет того, что частицы грунта, перемещаемые потоком пульпы, не успевают осесть в конце горизонтального участка его движения, так как вихревой поток на входе пульпы в корпус 1 обеспечивает высокую консистенцию пульпы. В результате подъем устройства можно производить с повышенной скоростью, что сокращает время технологического цикла и соответственно уменьшает общее количество подаваемого раствора (расход раствора не может быть ниже определенного значения во избежание забивки растворного сопла при уменьшении его диаметра). При интенсивном удалении грунта раствор замещает объем удаленного грунта, и технологические потери его уменьшаются. Подводящие трубы могут наращиваться отдельными секциями, которые последовательно демонтируются по мере технологического подъема устройства. Это позволяет использовать при закреплении грунта в качестве базовой машины буровой станок с невысокой стрелкой.

Вместе с тем конструкция предлагаемого устройства связана с увеличенным расходом воды, движущейся в скважине с грунтовыми стенками (благодаря дополнительному расходу на образование вихревого потока), что способствует более интенсивному размыву стенок скважины, увеличению требуемого расхода сжатого воздуха для обеспечения необходимой скорости вертикального гидротранспорта. Кроме того, изливающаяся на поверхность пульпа удаляется преимущественно по канавам, что осложняет выполнение работ в городских условиях.

При использовании варианта конструкции, показанной на фиг.5, отпадает необходимость в аэрированной жидкости при вертикальном гидротранспорте размытого грунта, расход сжатого воздуха принимается из расчета компенсации его фильтрации через поры грунта и поддержания воздушной подушки в полости, диаметр пульпопроводной трубы 31 принимается из расчета пропуска пульпы, двигающейся под действием повышенного гидростатического давления в герметизированной размываемой полости, грунтовые стенки скважины не подвергаются преждевременному размыву, гидростатическое давление в размываемой полости устанавливается автоматически равным сумме всех гидравлических потерь потока пульпы по всему напорному тракту и остается постоянным на протяжении всего технологического подъема. Отпадает необходимость в использовании стесняющей поток сменной регулирующей насадки 26. Изливающаяся из шланга 32 пульпа направляется в емкость, которая может вывозиться по мере заполнения ее осажденным грунтом. Такой вариант предлагаемой конструкции требует использования высокой стрелы с вертикально перемещаемым вращателем.

Использование: в строительстве. Сущность изобретения: устройство для закрепления грунта содержит размещенные внутри корпуса 1 трубы 2 и 3 для подачи размывающей жидкости и воздуха, соединенные с соосно расположенными боковыми жидкостными 6 и воздушными 7 соплами, и трубу 4 для подачи твердеющего раствора, соединенную с растворным изливателем, при этом в нижней части устройства выполнено вихреобразующее устройство в виде кольцевой камеры, образованной патрубком 11 и стенкой корпуса с тангенцианально направленным подводом жидкости. Устройство имеет герметизирующий элемент в виде упругой зонтообразно раскрываемой оболочки 17, который своим основанием закреплен с возможностью вращения относительно корпуса устройства. Устройство имеет пульпопроводную трубу, закрепленную на основании герметизирующего элемента и снабженную на своем верхнем конце сбросным шлангом. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА, включающее корпус с противоположно установленной в нем по крайней мере одной парой соосных боковых сопл и соединенных с ними расположенных в корпусе соосно друг с другом трубопроводов для размывающей жидкости и сжатого воздуха, трубопровод для твердеющего раствора, соединенный с растворонапорным патрубком, выходящим за пределы корпуса, герметизирующий элемент, закрепленный над соплами на внешней поверхности корпуса и выполненный в виде упругой зонтообразной раскрываемой оболочки с фиксатором ее нерабочего положения, отличающееся тем, что корпус в своей нижней части снабжен вихреобразующим устройством в виде кольцевой камеры с тангенциально направленным подводом жидкости, причем камера образована стенкой патрубка, коаксиального корпусу, и стенкой корпуса, охватывающей растворонапорный патрубок. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тангенциально направленный подвод жидкости выполнен в виде спиральной трубки, по крайней мере в один виток соединенной с пропускным регулятором, связанным с трубопроводом для размывающей жидкости. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что нижний торец патрубка выдвинут за пределы корпуса. 4. Устройство для закрепления грунта, включающее корпус с противоположно установленной в нем по крайней мере одной парой соосных боковых сопл и соединенных с ними расположенных в корпусе соосно друг с другом трубопроводов для размывающей жидкости и сжатого воздуха, трубопровод для твердеющего раствора, соединенный с растворонапорным патрубком, выходящим за пределы корпуса, герметизирующий элемент, закрепленный над соплами на внешней поверхности корпуса и выполненный в виде упругой зонтообразно раскрываемой оболочки с фиксатором ее нерабочего положения, отличающийся тем, что герметизирующий элемент в своем основании снабжен элементом вращения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве элемента вращения использован подшипник. 6. Устройство для закрепления грунта, включающее корпус с противоположно установленной в нем по крайней мере одной парой соосных боковых сопл и соединенных с ними расположенных в корпусе соосно друг с другом трубопроводов для размывающей жидкости и сжатого воздуха, трубопровод для твердеющего раствора, соединенный с растворонапорным патрубком, выходящим за пределы корпуса, герметизирующий элемент, закрепленный над соплами на внешней поверхности корпуса и выполненный в виде упругой зонтообразно раскрываемой оболочки с фиксатором ее нерабочего положения, отличающееся тем, что корпус в своей верхней части снабжен пульпопроводной трубой, имеющей в верхнем конце сбросной шланг, при этом пульпопроводная труба закреплена на основании герметизирующего элемента. 7. Устройство по пп.4 и 6, отличающееся тем, что корпус в своей верхней части снабжен регулятором, сужающим сечение потока пульпы для обеспечения требуемого давления в размываемой полости.