СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ Российский патент 1995 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительству, в том числе к технической мелиорации песчаных грунтов.

Известен способ уплотнения массивов песков большой мощности, в том числе природного и техногенного образования, водонасыщенных, находящихся ниже уровня подземных вод или ниже поверхности водоемов, включающий вибропогружение в грунт на заданную глубину уплотняющего приспособления, вибрирование грунта на этой глубине, последующий подъем уплотнителя и периодическое, по мере подъема, повторное опускание его при непрерывной работе вибротора, при этом устройство для уплотнения содержит вибратор с присоединенным к нему приспособлением, которое выполнено в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикальных и горизонтальных элементов. В зависимости от модификаций механизированных установок (в том числе, работающих на принципе гидровибрационного уплотнения грунтов) и разных типов применяемых вибраторов параметры вибрации различны (табл.1).

Недостатками известного технического решения являются следующие:
во-первых, применение вибраторов, характеристики которых не учитывают особенностей уплотняемых грунтов (в том числе собственных частот колебаний грунта и диапазона физико-механических свойств грунтов;
во-вторых, невозможность регулирования основных параметров колебаний (амплитуда, частота и, следовательно, ускорение) в процессе виброуплотнения грунтов для обеспечения использования оптимальных параметров вибрации, в том числе как при смене грунтов по составу и свойству в зоне (по глубине) уплотняемого массива, так и по мере изменения плотности грунтов под воздействием виброуплотнения;
в-третьих, использование вибраторов с заведомо завышенными характеристиками исключает возможность использования регистрируемых значений параметров вибраций, меняющихся по мере уплотнения грунтов, в качестве индикатора достигнутого уплотнения, и следовательно, регулирования, управления процессом виброуплотнения грунтов.

Целью изобретения является повышение эффективности глубинного виброуплотнения песчаных грунтов, уменьшение энергоемкости виброуплотняющих установок и реализация возможности управления процессом виброуплотнения грунтов на основе регистрации изменяющихся параметров вибрации под влиянием повышающейся плотности грунтов.

Экспериментально установлено, что при глубинном виброуплотнении пески максимально уплотняются при определенных параметрах вибраций, в том числе при совпадении частоты колебаний уплотняющей установки с собственной частотой уплотняемых грунтов.

Собственная частота колебаний песчаных грунтов в зависимости от их структурных особенностей, в том числе от крупности изменяется в диапазоне 15-30 Гц. Установлено, что при погружении стержневого уплотнителя в грунт последний совершает колебания в несколько раз меньше, чем сама виброустановка.

Для выбора вибратора с оптимальными характеристиками (параметрами), отвечающими характеристикам уплотняемых грунтов, необходимо использовать формулу
ω_в K·ω_гр где ω_в частота колебаний вибратора, Гц;
ω_гр частота собственных колебаний грунта, Гц;
К коэффициент затухания колебаний, зависящих от гранулометрического состава (дисперсности неоднородности сортированности), морфологии частиц песчаной размерности, плотности и упрочненности и др. характеристик.

При виброуплотнении свежеотсыпанных или свеженамытых неупрочнившихся песков, обладающих рыхлым сложением (J_α < 0,33) определяющее значение имеет крупность песка. По известным данным и проведенным авторами экспериментальных исследований установлены следующие значения собственных колебаний песков разной крупности, а также значения коэффициентов затухания колебаний и оптимальных частот колебаний вибратора которые приведены в (табл.2).

Таким образец, указанная цель достигается путем подбора оптимальных параметров вибратора для уплотняемого грунта.

При этом с целью повышения эффективности уплотнения и снижения энергоемкости виброустановки подбор оптимальных характеристик вибратора проводится с учетом реализуемых способов и технологии глубинного виброуплотнения, в том числе с применением предложенных авторами способов, отличающихся организацией отвода свободной воды из зоны уплотнения грунта и выбором оптимальных углов наклона пластинчатых элементов стержневого уплотнителя.

Предложенный способ может использоваться для уплотнения природных и техногенных грунтов в основании сооружений и в теле земляных сооружений. При этом его реализация возможна как при глубинном виброуплотнении, так и при послойном уплотнении виброплитами, виброкатками и др. механизмами.

На фиг.1 изображена схема, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 зависимость достигнутой плотности от частоты колебаний в приведенных ниже примерах 1, 2. На фиг.1 обозначено: 1 установка глубинного виброуплотнения с изменяемой частотой колебания, достигаемой применением зубчатой передачи 2 и изменением амплитуды колебания путем перемещения дебалансов 3.

П р и м е р 1. Уплотнялись намывные пылеватые пески мощностью 4 м, находящиеся в рыхлом водонасыщенном состоянии на намывной территории в г. Тюмени (S₂ 1; ρ_α 1,24 г/см³; J_α 0,08). Глубинное виброуплотнение песков проводилось установкой, включающей уплотняющее устройство, выполненное из трубы диаметром 159 мм, длиной 5 м, снабженной 24 горизонтальными пластинчатыми элементами (лопастями), размещенными на вертикальном элементе (трубе) с шагом 0,5 м. Размеры лопастей: длина 50 см, ширина 15 см, толщина 1 см. Лопасти были жестко закреплены горизонтально (α 0^о, β 90^о) фиг.1.

Вибрации передавались на грунт с помощью вибратора марки В-401А. Амплитуда и частота колебаний измерялась при помощи виброметра ВИП 2УхЛ4,2.

Используемый в виброметре преобразователь индукционный виброизмерительный Д-21А жестко соединялся с виброуплотнителем.

Уплотнение грунтов выполнялось на четырех режимах при следующих значениях частоты колебаний вибратора: 20, 50, 60 и 90 Гц. Собственная частота колебаний уплотняемого пылеватого песка принималась равной 30 Гц, коэффициент затухания колебаний 1,5 и, следовательно, оптимальная частота колебаний должна отвечать ω_в 45 Гц (cм. табл.2, формулу).

Экспериментально были определены фактические значения частот колебаний уплотняемого грунта. Указанным выше режимам частот вибратора отвечали следующие значения частот колебаний грунта: 13, 33, 40 и 60 Гц, соответственно.

С целью регистрации завершенной консолидации правибрированного водонасыщенного пылеватого песка контрольное определение достигнутой плотности было проведено через трое суток после виброуплотнения. Результаты определений приведены в табл.3. Как видно, максимальная плотность песка была достигнута при частоте колебаний вибратора, близкой к оптимальной, рассчитанной по указанной формуле и табл.2 (фиг.2). При этом значительно возросла плотность и песок приобрел плотное сложение.

П р и м е р 2. Глубинное виброуплотнение проводилось на другом участке той же намывной территории также в пылеватых, рыхлых, водонасыщенных, свеженамытых песках. Все исходные данные были теми же, за исключением несколько более высокой начальной плотности песков (ρ_α 1,31 г/см³, J_α 0,201) и несколько измененными режимами вибрации по частоте колебаний вибратора и, соответственно, грунтов. Результаты исследований приведены в табл.3, в которой для сравнения указаны и данные по примеру 1. В данном случае также подтверждена правильность (объективность) установления оптимальной частоты колебаний вибратора по предложенному способу. Это наглядно видно и на фиг.2.

Таким образом, выполненные исследования подтвердили эффективность виброуплотнения песков при оптимальных частотах колебаний вибратора, определенных по указанным формуле и табл.2.

Контрольное виброуплотнение тех же песков виброустановкой ВУУП-4 c вибратором марки В-401 (параметры колебаний: А 5 мм, ω_в 250 Гц) позволило уплотнить грунты только до значений ρ_α 1,58 160 г/см³ J_α= 0,7 0,73, что значительно ниже достигнутых по предлагаемому способу.

Энергоемкость виброуплотняющей установки при этом снизилась на 8% (в примере 1), 9% (в примере 2).

Изобретение позволяет повысить эффективность уплотнения песчаных грунтов и уменьшить энергоемкость виброуплотняющей установки за счет оптимальной частоты работы вибратора, определяемой с учетом уплотняемых грунтов по предложенной формуле. 2 ил. 3 табл.

СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ, включающий вибропогружение в грунт до проектной отметки уплотняющего приспособления, выполненного в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикальных и горизонтальных элементов, виброуплотнение на этой отметке, последующий подъем и периодическое повторное опускание уплотнителя на определенную глубину при непрерывной работе вибратора, отличающийся тем, что виброуплотнение проводят при работе вибратора с оптимальной частотой, которую выбирают с учетом характеристик уплотняемых грунтов и определяют по формуле
ω_в.опт= K·ω_гр,
где ω_в.опт оптимальная частота вибратора, Гц;
ω_гр собственная частота колебаний грунта, определяемая экспериментально, расчетом или принимаемая в зависимости от крупности песка: для крупных 15 Гц, средней крупности 20 Гц, мелких 25 Гц, пылеватых 30 Гц;
K коэффициент затухания колебаний, определяемый экспериментально или принимаемый в зависимости от крупности песка: для крупных 2, средней крупности 1,82, мелких 1,66, пылеватых 1,5.