СПОСОБ ГЛУБИННОГО ВИБРОУПЛОТНЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ Российский патент 1999 года по МПК E02D3/54 

Изобретение относится к области строительства, в частности к фундаментостроению, гидротехническому, в т.ч. портовому строительству, строительству дорог и аэродромов, и может быть использовано для глубинного уплотнения песчаных грунтов.

Одним из эффективных способов повышения несущей способности естественных или искусственных (намывных и насыпных) песчаных оснований является уплотнение грунтов. Для целей уплотнения значительных толщин песчаных оснований используется метод глубинного виброуплотнения. Вибрационные установки глубинного уплотнения включают в себя вибропогружатель и уплотнитель в виде трубчатой штанги. С целью повышения производительности виброустановки путем увеличения радиуса действия уплотнителя трубчатую штангу вдоль ее длины снабжают радиальными элементами для придания уплотнителю пространственной структуры, например, в виде многоярусной системы (виброелочка), содержащей в каждом ярусе по четыре крестообразно расположенных и приваренных к штанге пластинчатых элемента, имеющих в вертикальной плоскости форму трапеции, сужающейся к внешней окружности. Высота участка штанги с пространственной структурой задается равной проектной глубине уплотняемого грунта. Для искусственного насыщения водой уплотняемого грунта непосредственно в процессе работы уплотнителя, трубчатая штанга снабжена в нижнем конце соплом и патрубком в верхней части штанги для подачи под давлением воды в грунт (Основания, фундаменты и механика грунтов, N 2, 1983, Стройиздат, (Москва), В.М.Зубков, Е.Д.Ковалевский и др. Способ глубинного виброуплотнения песчаных оснований.).

Уплотнение вышеописанной вибрационной установкой включает в себя погружение в грунт на заданную глубину вибрирующего уплотнителя, выдержку его на этой глубине, последующий подъем уплотнителя и периодическое, по мере подъема, повторное опускание его при непрерывной работе вибратора. В процессе работы уплотнителя через сопло в нижнем конце штанги в грунт под давлением подается вода. При этом динамическое возбуждение песчаной водонасыщенной среды вызывается одновременно во всем объеме массива грунта на глубину погружения уплотнителя и песок при вибрации уплотняется не только вследствие более компактной переукладки частиц песка после разжижения, но также от воздействия высокочастотных ударов элементов уплотнителя при повторном погружении.

Уплотнитель типа "виброелочка" имеет достаточно простую конструкцию, состоящую из сварных деталей, не требующих станочной обработки, что позволяет изготовить его непосредственно на объекте строительства.

По сравнению с другими известными уплотнителями с пространственной структурой, например "виброштыком" (Основания, фундаменты и механика грунтов, N 5 1988, Стройиздат (Москва), Г.Р.Бейтыньш и др. Опыт гидровиброуплотнения рыхлых песчаных грунтов и строительства на них), уплотнитель типа "виброелочка" характеризуется более низкими суммарными силами трения на поверхности радиальных элементов и силой сопротивления погружению их в грунт.

Одним из недостатков описанного способа глубинного уплотнения песчаных грунтов является неравномерная плотность грунта по глубине после уплотнения, обусловленная более продолжительным вибрационным воздействием на грунт в верхних слоях, чем в нижних. Поскольку высота пространственной структуры уплотнителя равна глубине обрабатываемого грунта, то время вибрационного воздействия на грунт при виброизвлечении уплотнителя будет возрастать в направлении к поверхности, в то время как во многих случаях первоначальная плотность песчаных грунтов убывает с глубиной, как например, при подводном намыве песчаных грунтов и пр.

Кроме того, в виброустановке с пространственной структурой по всей проектной глубине уплотняемого грунта, вибропогружатель имеет большие потери на внедрение и вибрирование радиальных элементов уплотнителя в поверхностном слое увлажненного грунта, что приводит к частому выходу из строя вибропогружателей и невозможности увеличения глубины уплотнения без повышения мощности вибропогружателя. Особенно это характерно для уплотнения песчаных грунтов большой мощности (от 6 м).

Для снижения потерь на внедрение и вибрирование радиальных элементов уплотнителя в поверхностном слое увлажненного грунта было предложено срезать радиальные элементы в верхней части штанги уплотнителя и оставить в нижней части на высоте, близкой к 1/3 от проектной глубины уплотняемого грунта (Основания, фундаменты и механика грунтов, N 1, 1991 г. , Стройиздат (Москва), О.П.Минаев и О.А.Савинов, "Совершенствование установки продольного вибрирования для уплотнения песчаных грунтов").

Способ уплотнения модернизированной установкой включает в себя погружение в грунт на заданную глубину вибрирующего уплотнителя, выдержку его на этой глубине и последующий подъем вибрирующего уплотнителя. При этом подъем уплотнителя осуществляют с постоянной скоростью без периодического повторного опускания.

Испытания показали, что модернизированный уплотнитель легче погружается в грунт и извлекается из него, а оставшиеся радиальные элементы обеспечивают сохранение уплотняющей способности в области подачи воды. При этом может быть применен менее мощный вибропогружатель и повышается надежность установки.

Однако в данном способе также не достигается равномерное уплотнение грунта по глубине. Это обусловлено равномерной скоростью подъема вибрирующего уплотнителя, то есть практически одинаковым временем вибрационного воздействия на слои грунта с разной первоначальной плотностью. Например, как уже указывалось, при подводном намыве песчаных грунтов, требующих уплотнения, их плотность укладки убывает с глубиной, а значит для нижних слоев требуется большее время вибрационного воздействия, чем для верхних. Одинаковое время обработки верхних и нижних слоев приведет как к неравномерному уплотнению грунта по глубине, так и к непроизводительному увеличению суммарного времени уплотнения.

Кроме того, в описанном виброуплотнителе высота пространственной структуры на штанге уплотнителя определялась из расчета снижения суммарных сил трения на поверхности радиальных элементов и сил сопротивления погружению их в грунт с целью уменьшения энергозатрат и достижения большей глубины уплотнения без увеличения мощности вибропогружателя. То есть при определении высоты пространственной структуры не учитывалось распределение первоначальной плотности грунта, что также может привести как к неравномерному уплотнению, так и к непроизводительному увеличению суммарного времени уплотнения.

В основу настоящего изобретения положена задача создать способ глубинного виброуплотнения песчаных грунтов, обеспечивающий равномерное уплотнение грунта по глубине при оптимальном суммарном времени уплотнения.

Поставленная задача решается тем, что в способе глубинного виброуплотнения песчаных грунтов, включающем погружение в грунт на проектную глубину, выдержку и последующий подъем вибрирующего уплотнителя, имеющего в нижней части пространственную структуру из радиальных элементов, согласно изобретению, используют уплотнитель с пространственной структурой на участке высотой от нижнего конца уплотнителя от (1.5-2) м до 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта, при этом для каждого слоя уплотняемого грунта, охватываемого пространственной структурой уплотнителя, задают время подъема уплотнителя в зависимости от первоначальной плотности грунта в этом слое, обеспечивая близкую к равномерной плотность грунта по глубине.

Дифференцированное время виброуплотнения слоев различной первоначальной плотности по глубине обрабатываемого грунта позволяет обеспечить равномерное уплотнение грунта при оптимальном суммарном времени обработки проектной глубины грунта.

При высоте пространственной структуры больше половины проектной глубины, из-за перекрытия зон вибрирования различных слоев при подъеме уплотнителя, время обработки верхних слоев будет всегда больше времени обработки нижних слоев, что не позволит обеспечить равномерное по глубине уплотнение.

Размещение радиальных элементов на участке высотой от нижнего конца уплотнителя меньше (1.5 - 2.0) м проектной глубины не обеспечивает эффекта пространственного уплотнения.

Кроме того, высота пространственной структуры не может быть меньше (1.5 - 2.0) м по технологическим причинам, так как потребует достаточно ювелирного и трудоемкого производства работ по уплотнению.

Целесообразно высоту пространственной структуры определять по толщине нижнего слоя, в пределах которого различие показателей коэффициента фильтрации (К_ф) не превышает (0.8 - 1.2)10^-1 см/с, а показателей плотности, в частности, степени плотности J_d или сопротивления внедрению острия статического зонда q₃ соответственно не превышают (0.1 - 0.2) и (2-5) МПа.

Из опыта известно, что наиболее рыхлыми являются нижние слои песчаных грунтов. Поэтому выбор высоты пространственной структуры по толщине нижнего слоя, требующего наибольшего времени виброуплотнения, позволяет подобрать для него оптимальное время обработки, с тем чтобы получить заданное уплотнение.

Целесообразно при виброуплотнении осуществлять искусственное водонасыщение грунта.

В дальнейшем изобретение будет более подробно раскрыто на конкретных примерах его выполнения со ссылками на чертежи, на которых фиг. 1 изображает конструктивную схему вибрационной установки; фиг. 2 - сечение II-II на фиг. 1; фиг. 3 - результаты статического зондирования песчаных грунтов; фиг. 4 - временную диаграмму виброуплотнения слоев грунта на фиг. 3
Для реализации предлагаемого способа может быть использована принципиальная схема известной вибрационной установки глубинного уплотнения песчаных грунтов, включающая вибропогружатель 1 (фиг. 1) и уплотнитель, содержащий трубчатую штангу 2, имеющую в нижней части пространственную структуру 3 из радиальных элементов 4. Пространственная структура 3 образована многоярусной системой, содержащей в каждом ярусе по четыре крестообразно расположенных и приваренных к штанге пластинчатых элемента 4 (фиг. 2). Возможно выполнение пластинчатых элементов 4 разной формы, например, как в известной виброустановке, в виде трапеции, либо в виде полукруга и т.п.

Для искусственного насыщения водой уплотняемого грунта непосредственно в процессе работы уплотнителя трубчатая штанга 3 снабжена в нижнем конце соплом 5 и верхней части - патрубком 6. При уплотнении водонасыщенных грунтов вибрационные установки могут выполняться без приспособления для искусственного водонасыщения.

Описанный уплотнитель имеет достаточно простую конструкцию, состоящую из сварных деталей, не требующих станочной обработки, что позволяет непосредственно на объекте строительства изготовить его с заданной высотой пространственной структуры.

Предлагаемый способ согласно изобретению реализуется следующим образом.

На подготавливаемой площадке проводятся инженерно-геологические изыскания или текущий геотехнический контроль при отсыпке или намыве грунта. По результатам этих определений выделяют слои грунта достаточно однородного гранулометрического состава и начальной плотности, требующие уплотнения. При этом коэффициент фильтрации К_ф возможных прослоев грунтов в пределах выделенного слоя не должен превышать (0.8 - 1.2)10^-1 см/с, а показатель плотности, в частности, степени плотности J_d или сопротивления внедрению острия статического зонда q₃ не должны превышать (0.1 - 0.2) и (2-5) МПа соответственно. В противном случае, большое различие фильтрационных свойств грунтов в пределах выделенного слоя и их начальной плотности, из-за существенной разницы во времени вибрационного воздействия, необходимого для достижения заданной плотности, не позволит получить достаточную плотность и однородность грунта после уплотнения.

По приведенным параметрам выделяют нижний слой и по толщине указанного слоя определяют необходимую высоту h участка штанги 2 с пространственной структурой 3. По заданным параметрам изготавливают уплотнитель, т.е. штангу 2 с расположенными в ее нижней части на заданной высоте h от нижнего конца радиальными элементами 4. При этом толщина выбранного слоя должна быть не меньше (1.5 - 2.0) м и не больше 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта. Если толщина выбранного слоя будет меньше указанного нижнего предела, то высоту h участка штанги 2 с радиальными элементами 4 берут равной (1.5 - 2.0) м, соответственно, при толщине выбранного слоя больше указанного верхнего предела высоту h участка штанги 2 с радиальными элементами 4 берут равной 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта. Высота h, которую радиальные элементы 4 занимают на штанге 2 не должна быть меньше (1.5 - 2.0) м, для обеспечения эффекта пространственного уплотнения, а также по технологическим причинам, так как при меньшей высоте потребуется достаточно ювелирное и трудоемкое производство работ по уплотнению. С другой стороны, высота h, которую радиальные элементы 4 занимают на штанге 2, не должна превышать половины проектной глубины уплотняемого грунта, чтобы исключить увеличения времени вибрационного воздействия в направлении к поверхности, из-за перекрытия зон вибрирования различных слоев при подъеме уплотнителя.

Условно разделяют от нижней отметки проектную глубину уплотняемого грунта на слои, толщиной, равной высоте h пространственной структуры 3, и для каждого слоя на основании результатов статического зондирования грунта и/или иных опытных данных определяют время виброуплотнения, необходимое для достижения заданной плотности.

Далее производят опытные работы по уплотнению на строительной площадке, которые обычно предшествуют производственному уплотнению. Вибрирующий уплотнитель погружают до проектной глубины уплотнения и выдерживают заданное время, осуществляя вибрационное воздействие на нижний уплотняемый слой. В опытных работах первоначальное заданное время вибрирования наиболее рыхлых и мелких песков должно быть не менее 2.5 мин на 1 м толщины обрабатываемого слоя. Затем вибрирующий уплотнитель поднимают вверх на высоту h пространственной структуры 3, на второй уплотняемый слой, и выдерживают в нем. В зависимости от гранулометрического состава и начальной плотности грунта для более крупных и менее рыхлых песков время выдерживания вибрирующего уплотнителя уменьшают на 1-1,5 мин на 1 м толщины обрабатываемого слоя. Аналогичный процесс повторяется до полного подъема уплотнителя. Обычно на проектной глубине уплотнения выделяют 2-3 слоя. Возможен вариант подъема вибрирующего уплотнителя с заданной скоростью подъема, без выдержки. При этом общее время вибрационного уплотнения для одного цикла (погружение - подъем) не должно превышать 60 мин из-за необходимости технологического перерыва в работе виброустановки (охлаждение вибропогружателя) продолжительностью не менее 15 мин после 1 часа работы. После полного извлечения из грунта уплотнитель устанавливается на другую точку уплотнения, которые размещаются на заданной сетке на карте уплотнения. При этом шаг сетки обычно составляет 3 м для крупных песков и песков средней крупности, и 2 м - для мелких песков. На последующих точках цикла уплотнения (погружение-подъем) возможно варьирование времени вибрационного воздействия по слоям с целью обеспечения заданной плотности, большей однородности уплотненного грунта по всей глубине и оптимального суммарного времени уплотнения в одном цикле. Результаты уплотнения контролируются по данным статического зондирования и непосредственного отбора проб грунта. По результатам опытных работ назначается время уплотнения каждого характерного выделенного по высоте слоя до достижения в нем заданной плотности (в гидротехническом строительстве J_d больше или равно 0.6), обеспечения однородного уплотнения грунта по глубине и оптимального суммарного времени уплотнения.

При производственном уплотнении производится погружение виброуплотнителя на карте уплотнения с выбранным шагом и его подъем в заданном временном режиме.

На строительстве комплекса защиты Ленинграда от наводнений для уплотнения на проектную глубину 9 м среднезернистых песков была апробирована виброустановка, включающая вибропогружатель В-401, уплотнитель в виде трубчатой штанги 2 длиной 11.2 м, диаметром 133 мм. Трубчатая штанга в нижней части имела пространственную структуру 3 в виде многоярусной системы с шагом между ярусами до 500 мм, содержащей в каждом ярусе по четыре крестообразно расположенных и приваренных к штанге 2 пластинчатых элемента 4. С учетом пластинчатых элементов 4 диаметр пространственной структуры уплотнителя составлял 1000 мм. Высота h пространственной структуры от нижнего конца штанги согласно прототипу составляла около 3,5м, а для предлагаемого способа 4.5 м. Трубчатая штанга 2 в нижней части снабжена крестообразным наконечником 5 для подачи воды. Вода подавалась насосом производительностью 300 м³/час с напором 90 м вод.ст. В качестве базовой машины использовался кран ДЭК-251. Испытания проводились при шаге погружения 3 х 3 м.

На фиг. 4 показаны временные диаграммы виброуплотнения проектной глубины (9 м) грунта по слоям, отсчитываемым от нижней точки уплотнения (нижний слой - I); фиг. 4а - по прототипу и фиг. 4б - по предлагаемому способу. В способе по прототипу высота h пространственной структуры уплотнителя составляла, примерно, 1/3 проектной глубины, которая может быть условно разбита на три слоя, и при равномерном подъеме уплотнителя интервалы времени виброобработки по слоям I:II:III соотносились как 65:50:45. В предлагаемом способе на основе результатов статического зондирования грунтов был использован уплотнитель с высотой h пространственной структуры около 1/2 проектной глубины. Интервалы времени виброобработки по слоям I:II соотносились как 110:50.

На фиг. 3 штриховой линией (1) показаны результаты статического зондирования песчаных грунтов до уплотнения, штрихпунктирной линией (2) - после уплотнения по способу, согласно прототипу; и сплошной линией (3) - после уплотнения по предлагаемому способу.

Результаты статического зондирования грунта показали, что наиболее оптимальным принять высоту h пространственной структуры, равной 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта, и выбрать временную диаграмму уплотнения, как показано на фиг. 3 (б). При этом, как видно из графика (кривая 3) на фиг. 2 по предлагаемому способу достигается более равномерная плотность уплотненного грунта по высоте, чем в способе по прототипу.

Приведенные примеры не исчерпывают всех вариантов осуществления изобретения, но лишь иллюстрируют его возможности. Поэтому изобретение не ограничивается этими описанными примерами и в него могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за пределы существа и объема изобретения, определенные формулой изобретения.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для глубинного уплотнения песчаных грунтов. Способ глубинного виброуплотнения грунта включает погружение в грунт на проектную глубину, выдержку и последующий подъем вибрирующего уплотнителя, имеющего в нижней части пространственную структуру из радиальных элементов. Используют уплотнитель с пространственной структурой на участке высотой h от (1,5-2)м до 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта, и для каждого слоя уплотняемого грунта, охватываемого пространственной структурой уплотнителя, задают время подъема уплотнителя в зависимости от первоначальной плотности грунта в этом слое, обеспечивая близкую к равномерной плотность грунта по глубине. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ глубинного виброуплотнения грунта, включающий погружение в грунт на проектную глубину, выдержку и последующий подъем вибрирующего уплотнителя, имеющего в нижней части пространственную структуру из радиальных элементов, отличающийся тем, что используют уплотнитель с пространственной структурой на участке высотой от (1,5 - 2) м до 1/2 проектной глубины уплотняемого грунта, при этом для каждого слоя уплотняемого грунта, охватываемого пространственной структурой уплотнителя, задают время подъема уплотнителя в зависимости от первоначальной плотности грунта в этом слое, обеспечивая близкую к равномерной плотность грунта по глубине. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину участка с пространственной структурой определяют по толщине нижнего слоя, в пределах которого различие показателей коэффициента фильтрации (Кф) не превышает (0,8 - 1,2)10^-1см/с, а показателей плотности, в частности, степени уплотнения j_d или сопротивления внедрению острия статического зонда q₃ соответственно не превышают 0,1 - 0,2 и 2 - 5 МПа,
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при виброуплотнении осуществляют искусственное водонасыщение грунта.