СПОСОБ ГЛУБИННОГО ВИБРОУПЛОТНЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК E02D3/12 

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности к технической мелиорации грунтов.

Известен способ уплотнения грунта вибрацией, заключающийся в том, что в уплотняемый грунт погружают под действием силы тяжести и вибрации перфорированный элемент, верхний конец которого прикреплен к вибратору, подвешенному на стреле крана, а затем сразу же извлекают, не прекращая при этом вибрации [1]
Недостатками известного способа являются: быстрое извлечение уплотнителя сразу же после погружения, что не обеспечивает возрастание порогового давления воды до значений, достаточных для ее самоизлияния на поверхность; полное перфорирование погружаемого элемента и отсутствие заглушки-тампона на его нижнем конце, что не обеспечивает подъема воды, поровое давление релаксируют, уменьшается по мере удаления от низа элемента, вода отжимается в стороны и вниз, не обеспечивая оттока из зоны виброуплотнения; уплотнение грунта только перфорированным элементом не может обеспечить существенный радиус зоны уплотнения; отсутствие противокольматационной защиты перфорированного элемента неизбежно ведет к забивке отверстий частицами грунта, что снижает возможность оттока воды.

По этим причинам указанный способ не применим для уплотнения мелкодисперсных грунтов, в том числе глинистых и пылеватых песков, а также мелких песков с повышенным содержанием тонкодисперсных фракций, обладающих низкой водоотдачей, небольшими значениями коэффициента фильтрации и повышенной кольматационной способностью. Использование известного способа в таких грунтовых условиях не может обеспечить достаточную и равномерную степень уплотнения по всей глубине массива, ведет к длительной консолидации провибрированных грунтов, исключает возможность повышения плотности грунтов за счет увеличения времени вибрирования на отдельных горизонтах при поинтервальном подъеме уплотнителя, исключает целесообразность повторного доуплотнения грунтов в одном технологическом цикле из-за длительной консолидации провибрированных грунтов, а также сопряжено с необходимостью периодической промывки перфорированного элемента.

Для реализации глубинного виброуплотнения грунтов используется известное устройство, содержащее вибратор с присоединенным к нему приспособлением, погружаемым в грунт и передающим динамическое воздействие [2]
Недостатком этого устройства является затрудненность оттока воды из зоны вибрации, особенно в случае мелко-тонкодисперсных грунтов с низкими значениями водоотдачи и коэффициента фильтрации, поэтому в таких грунтах данное устройство неэффективно.

Известно также устройство для уплотнения слабых грунтов, содержащее погружаемое в грунт приспособление, выполненное в виде вертикальной трубы с закрепленными на ней пластинами в несколько рядов по высоте радиальными перфорированными трубками [3]
Недостатками данного устройства является то, что оно не обеспечивает самоизлияния поровой воды на поверхность уплотняемого массива после появления избыточного порового давления (перфорация радиальных трубок выполнена для нагнетания в грунт закрепляющих растворов, а не для отвода воды из зоны виброуплтнения) и не исключает кольматацию перфорированного элемента.

Цель изобретения повышение качества глубинного уплотнения грунтов, обладающих низкой водоотдачей, сокращение сроков их консолидации, обеспечение возможности повторного доуплотнения до заданной плотности и увеличение объема уплотняемых грунтов путем организации эффективного оттока поровой воды из зоны виброуплотнения на поверхность мелиорируемого массива и исключения кольматации перфорированного элемента уплотняющего приспособления мелко- и тонкодиспесрными частицами грунта.

Цель достигается следующим комплексом технических решений:
в способе глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов, включающем вибропогружение в грунт на проектную глубину уплотняющего приспособления, виброуплотнение грунта на этой отметке и последующий подъем уплотняющего приспособления с вибрацией, используют уплотняющее приспособление с защитной металлической сеткой, a во время вибропогружения уплотняющего приспособления на его защитную металлическую сетку подают электрическое напряжение до 36 В, а виброуплотнение грунта ведут в течение времени, определяемого по формуле
Т где Т расчетное время вибрирования, мин;
Н мощность уплотняемого слоя, м;
h длина перфорированной части уплотнителя, м;
r радиус вертикального элемента (трубы) уплотнителя, м;
R радиус зоны эффективного уплотнения грунта, принимаемый равным удвоенному радиусу пространственной стержневой системы уплотнителя R 2 (l + r), где l длина горизонтального элемента; фактическое значение R уточняется при опытном уплотнении грунтов;
К_ф коэффициент фильтрации грунтов, м/сут;
K коэффициент безразмерный поправочный для перевода коэффициента фильтрации из размерности м/сут в м/мин и учета повышения водопроницаемости грунта за счет возрастания порового давления (определяется экспериментально для конкретных грунтовых условий и параметров установки, а подъем уплотняющего приспособления осуществляют ступенчато с вибрированием грунта на каждой ступени подъема в течение того же интервала времени,
в устройстве для глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов, включающем уплотняющее приспособление в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикального перфорированного полого стержня с горизонтальными элементами, и вибратор, устройство снабжено защитной металлической сеткой, стержень выполнен с заглушкой и водоотводной трубкой, расположенными соответственно в нижней и верхней частях, обернут фильтрующим материалом и размещен в защитной металлической сетке, подключенной к понижающему трансформатору.

На фиг. 1 показано устройство; на фиг. 2 нижняя часть устройства в увеличенном масштабе; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1.

Устройство содержит вибратор 1 с присоединенным к нему уплотняющим приспособлением в виде пространственной стержневой системы из вертикального элемента 2 и пластинчатых горизонтальных элементов 3, причем вертикальный элемент 2 выполнен цилиндрическим, полым с перфорированными стенками 4 в пределах заданной длины и закрыт в зоне перфорации двухслойным фильтрующим элементом 5 типа "дорнит", поверх которого расположена защитная металлическая сетка 6, при этом нижняя часть вертикального элемента закрывается уплотняющей насадкой-тампоном в виде конуса 7, а в верхней части крепится патрубок для отвода воды 8 и к защитной сетке, жестко соединенной с металлическим элементом 2, подводится электрическое напряжение от понижающего трансформатора 9.

К существенным отличительным признакам предлагаемого технического решения относятся:
организация отвода свободной воды из зоны виброуплотнения мелкодисперсного водонасыщенного грунта на принципе самоизлияния на поверхность за счет возрастания порового давления воды при вибрации и разжижения грунта;
выполнение вертикального элемента уплотняющего приспособления полым с перфорированными стенками в пределах нижней части элемента (1/2 1/3 длины) с тем, чтобы обеспечить отток поровой воды вверх, а не в стороны;
закрытие перфорированной части вертикального элемента фильтрующим материалом и поверх него металлической сеткой, к которой подводится электрическое напряжение, что в комплексе исключает кольматацию отверстий перфорированного вертикального элемента как крупными, так и тонкодисперсными, в частности, глинистыми частицами;
наличие конической уплотняющей насадки (тампона) в нижней части вертикального перфорированного уплотнителя для исключения оттока поровой воды вниз и обеспечения оттока воды вверх.

Технология глубинного виброуплотнения грунтов по предлагаемому способу и с помощью предлагаемого устройства состоит в следующем.

На основании предварительной оценки вида уплотняемых грунтов, мощности толщи грунта, подлежащей уплотнению, коэффициента фильтрации грунтов и параметров применяемого уплотнителя рассчитывают время вибрирования водонасыщенных грунтов по предложенной формуле.

После расчета времени Т уплотняющее устройство погружают под действием собственного веса и постоянно работающего вибратора в грунт. Одновременно на вертикальный элемент и защитную металлическую сетку подается электрическое напряжение, чтобы отталкивать отрицательно заряженные глинистые частицы от перфорированного и закрытого дорнитом и металлической сеткой вертикального элемента. Напряжение берется от электросети, имеющейся на строительной площадке, и передается через понижающий трансформатор на защитную металлическую сетку. По достижении заданной глубины (отметки) вибрация продолжается в течение расчетного времени. Под влиянием вибрации в грунтовой воде, заключенной в порах уплотняемого грунтового массива, повышается поровое давление, грунт разжижается и получает способность уплотняться при переукладке частиц при оттоке воды. Возрастание порового давления вызывает ее движение к вертикальному элементу (к области возмущений). Вода проходит через сетку и фильтрующий элемент, попадает через перфорированные стенки в полость вертикального элемента и, поскольку нижний конец вертикального уплотнителя закрыт, а величина порового давления максимальна в нижней зоне и снижается с поднятием к верху, вода начинает подниматься по полому вертикальному элементу и самоизливается через отводной патрубок на поверхность уплотняемого массива грунтов. Спустя время, близкое к расчетному, начинается релаксация порового давления, о чем свидетельствует постепенное прекращение самоизлияния свободной поровой воды на поверхность уплотняемого грунта. Это свидетельствует о завершении основной части уплотнения грунта под влиянием вибраций. После этого уплотняющее приспособление поднимают без прекращения вибрации, что облегчает процесс извлечения уплотнителя и способствует доуплотнению грунта, разрыхляемого извлекаемым уплотнителем с горизонтальными пластинами. После извлечения уплотнителя виброустановка перемещается на следующую точку глубинного виброуплотнения грунта.

Технологическая схема глубинного виброуплотнения грунтов по предложенному способу может реализоваться в трех вариантах:
1. При однократном погружении уплотнителя и плавном подъеме его после выдерживания на отметке погружения в течение расчетоного времени Т.

2. При однократном погружении уплотнителя и последующем поинтервальном подъеме с остановками и вибрированием грунта на каждой ступени подъема, т.е. методом послойного виброуплотнения по мере извлечения уплотнителя. При этом время вибрации на каждой ступени рассчитывается по указанной формуле, но в устройстве уменьшается длина перфорированной части вертикального элемента.

3. При двух-трехкратных погружениях и извлечениях уплотнителя (по схеме 1 или 2), причем каждое последующее погружение осуществляется сразу же после извлечения уплотнителя или с ограниченным интервалом времени, необходимым для завершения процесса разжижения и переукладки частиц грунта.

Пример реализации предлагаемых способа и устройства.

Виброуплотнение грунтов производилось в натурных условиях при выполнении опытно-производственных работ на одной из застраиваемых площадок намывной территории в Западной Сибири.

Уплотнялись свеженамытые мелкие водонасыщенные пески, находившиеся в рыхлом сложении (коэффициент пористости 0,9-1,05; плотность сухого песка 1,3-1,4 г/см³). Мощность уплотняемого массива (толщина слоя) составляла 4 м. Коэффициент фильтрации песков 1 м/сут.

Для уплотнения использовалась установка УГВ-1. Уплотняющее приспособление было выполнено из трубы длиной 5 м и диаметром 159 мм. Стенки трубы перфорированы на длине 3,5 м отверстиями диаметром 20 мм. Перфорированная часть трубы покрыта в два слоя фильтрующим материалом типа "дорнит" (толщина одного слоя 5 мм). Нижнее отверстие трубы было закрыто конусной насадкой (тампоном), а весь фильтрующий материал закрыт металлической сеткой, к которой через трубу было подведено напряжение через понижающий трансформатор (36 вольт). На расстоянии 40 см от места крепления трубы к вибратору был подсоединен патрубок для отвода воды длиной 0,5 м и диаметром 70 мм. К вертикальному элементу уплотнителя были прикреплены 24 пластинчатых горизонтальных элемента с шагом 0,5 м. Длина каждого из них 0,45 м, ширина 0,15 м, толщина 15 мм.

Для передачи вибраций использовался вибропогружатель В-401А (мощность электродвигателя 58 кВт, предельный потребляемый ток 100 А, амплитуда колебаний 6 мм, частота колебаний 25 Гц, ускорение колебаний 3750 мм/сек²).

Исходя из указанных характеристик грунтов и уплотнителя, по приведенной выше формуле было рассчитано требуемое время вибрации после погружения уплотнителя на всю глубину намытого массива песка. Это время оказалось равным 4,5 мин.

Погружение уплотнителя осуществлялось при включенном вибраторе. Спустя 1-1,5 мин, после погружения его на заданную глубину через выходной патрубок на поверхность грунта начала поступать самоизлиянием поровая вода. Песок в зоне вибрирования начал интенсивно оседать. Через 5 мин поступление воды на поверхность резко сократилось, визуально осадки поверхности и был осуществлен подъем уплотнителя.

По указанной схеме был уплотнен заданный массив намытых песков.

В результате глубинного виброуплотнения была достигнута высокая и достаточно равномерная плотность песков: коэффициент пористости не превышал значения 0,6; плотность сухого песка достигла значения 1,66 г/см³; коэффициент относительной плотности стал более 0,67, что свидетельствовало о переводе песка в плотное сложение.

При контрольном уплотнении намытых песков в пределах той же площадки той же установкой, но без организации отвода воды были получены существенно меньшие значения плотности: коэффициент пористости был больше или равнялся 0,75, т. е. отвечал средней плотности сложения на грани с рыхлыми. При этом не удалось обеспечить равномерное уплотнение по всей глубине намытого массива.

Организация оттока воды способствовала также увеличению фактического радиуса уплотнения, который повысился по сравнению с виброуплотнением без оттока воды примерно в 1,2-1,5 раза.

Предлагаемые способ и устройство могут успешно применяться для уплотнения природных и техногенных грунтов в естественном залегании и в земляных сооружениях, в том числе на намывных территориях, в теле плотин, дамб, золоотвалов, хвостохранилищ, пляжах, защиты берегов водохранилища от их переработки и т.д.

Использование: в технической мелиорации грунтов. Сущность изобретения: способ глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов, включает вибпропогружение в грунт на проектную глубину уплотняющего приспособления, виброуплотнение грунта на этой отметке, последующий подъем уплотняющего приспособления с вибрацией. При этом уплотняющее приспособление используют с защитной металлической сеткой. Во время вибропогружения уплотняющего приспособления на его защитную металлическую сетку подают электрическое напряжение до 36 В, а виброуплотнение грунта ведут в течение времени, определяемого по формуле где T расчетное время вибрирования, мин; H мощность уплотняемого слоя, м; h длина перфорированной части уплотнителя, м; r радиус вертикального элемента (трубы) уплотнителя, м; R радиус зоны эффективного уплотнения грунта, принимаемый равным удвоенному радиусу пространственной стержневой системы уплотнителя R 2(l + r), где l длина горизонтального элемента; фактическое значение R уточняется при опытном уплотнении грунтов; K_ф коэффициент фильтрации грунтов, м/сут; К коэффициент безразмерный поправочный для перевода коэффициента фильтрации из размерности м/сут в м/мин и учета повышения водопроницаемости грунта за счет возрастания парового давления (определяется экспериментально для конкретных грунтовых условий и параметров установки); подъем уплотняющего приспособления осуществляют ступенчато с вибрированием грунта на каждой ступени подъема в течение того же интервала времени. Устройство для глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов содержит уплотняющее приспособление в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикального перфорированного полого стержня с горизонтальными элементами и вибратор. Устройство снабжено защитной металлической сеткой. Стержень выполнен с заглушкой и водоотводной трубкой, расположенными соответственно в нижней и верхней частях, обернут фильтрующим материалом и размещен в защитной металлической сетке, подключенной к понижающему трансформатору. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов, включающий вибропогружение в грунт на проектную глубину уплотняющего приспособления, виброуплотнение грунта на этой отметке и последующий подъем уплотняющего приспособления с вибрацией, отличающийся тем, что используют уплотняющее приспособление с защитной металлической сеткой, а во время вибропогружения уплотняющего приспособления на его защитную металлическую сетку подают электрическое напряжение до 36 В, а виброуплотнение грунта ведут в течение времени, определяемого по формуле

где T расчетное время вибрирования, мин;
H мощность уплотняемого слоя, м;
h длина перфорированной части уплотнителя, м;
r радиус вертикального элемента (трубы) уплотнителя, м;
R радиус зоны эффективного уплотнения грунта, принимаемый равным удвоенному радиусу пространственной стержневой системы уплотнителя R 2(l + r), где l длина горизонтального элемента, фактическое значение R уточняется при опытном уплотнении грунтов;
K_ф коэффициент фильтрации грунтов, м/сут;
K коэффициент безразмерный поправочный для перевода коэффициента фильтрации из размерности м/сут в м/мин. и учета повышения водопроницаемости грунта за счет возрастания порошкового давления определяется экспериментально для конкретных грунтовых условий и параметров установки,
а подъем уплотняющего приспособления осуществляют ступенчато с вибрированием грунта на каждой ступени подъема в течение того же интервала времени. 2. Устройство для глубинного виброуплотнения мелкозернистых водонасыщенных грунтов, включающее уплотняющее приспособление в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикального перфорированного полого стержня с горизонтальными элементами, и вибратор, отличающееся тем, что оно снабжено защитной металлической сеткой, стержень выполнен с заглушкой и водоотводной трубкой, расположенными соответственно в нижней и верхней частях, обернут фильтрующим материалом и размещен в защитной металлической сетке, подключенной к понижающему трансформатору.