СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ Российский патент 2000 года по МПК E02D3/46 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при уплотнении на большую глубину несвязанных и малосвязанных водонасыщенных грунтов вибрационными и ударными воздействиями.

Известно, что при воздействии на водонасыщенные несвязанные или малосвязанные грунты вибрацией, в том числе с ультразвуковыми частотами (Заявка Японии N 54-31607, кл. E 02 D 3/06, 1979), происходит разрушение структуры грунта с последующим его разжижением и уплотнением, сопровождаемом переупаковкой частиц и отжатием из грунта поровой воды (консолидацией). Однако эффективность такого уплотнения грунта невелика из-за того, что уплотняющие нагрузки от веса взвешенного в воде грунта невелики, а вибрация, вызывающая у взвешенных частиц грунта вынужденные колебания относительно своих положений равновесия, не вызывает существенную переупаковку частиц и поэтому не создает в грунте значительного уплотняющего эффекта - предельная плотность грунта при вибрации не высока.

Известен способ уплотнения водонасыщенных грунтов путем ударного воздействия на их поверхность тяжелой трамбовкой (Зарецкий Ю.К., Гарицелов М.Ю. Глубинное уплотнение грунтов ударными нагрузками. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 12 - 18).

Недостатком известного способа уплотнения является его невысокая эффективность вследствие малого приращения плотности в грунте, сопровождаемого его длительной консолидацией, и малой области грунта, вовлекаемой в уплотнение при ударе трамбовкой (глубина, радиус действия) из-за того, что большая часть энергии удара расходуется на разрушение структуры грунта, причем из-за малой продолжительности удара степень разрушения структуры обычно не велика, и только оставшаяся часть энергии удара тратится собственно на уплотнение грунта: создание непосредственно уплотняющей нагрузки, переупаковывающей частицы грунта, и нагрузки на создание избыточного давления в поровой воде, необходимого для медленно происходящего отжатия из грунта электромолекулярно взаимодействующей с поверхностью грунтовых частиц воды. Эффективность способа снижается также вследствие высокой степени неравномерности уплотнения грунта в уплотняемом объеме вплоть до образования в грунте зон разуплотнения и выпора вокруг места удара (там же, с. 175 - 184).

Известно использование при уплотнении водонасыщенных грунтов двухмассной трамбовки, что в малой мере увеличивает глубину и радиус действия удара от трамбовки, но значительно усложняет трамбующее оборудование (Савинов О.А., Иванов П. Л. , Равкин А.А., Минаев О.П. Уплотнение песчаных водонасыщенных грунтов тяжелыми двухмассными трамбовками // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеев: Сборник научных трудов, 1986. - Т. 189. с. 85 - 89).

Известен способ уплотнения водонасыщенных грунтов, включающий ударное воздействие на его поверхность тяжелой трамбовкой, причем грунт вокруг места удара трамбовки пригружают плитой с отверстием под трамбовку (Заявка Японии N 60-129320, кл. E 02 D 3/046, опубл. 1985, прототип).

В этом способе частично предотвращается образование выбора грунта вокруг места удара, однако эффективность уплотнения остается также не высокой из-за ранее указанных недостатков: малое приращение плотности грунта, сопровождаемое его длительной консолидацией, малая область грунта вовлекается в уплотнение при ударе трамбовкой и высокая степень неравномерности уплотнения грунта в уплотняемом объеме.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности уплотнения водонасыщенных грунтов за счет увеличения приращения их плотности и области вовлечения в уплотнение, ускорения процесса уплотнения и равномерности уплотнения при ударе трамбовки по грунту.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе уплотнения водонасыщенных грунтов, включающем ударное воздействие на его поверхность тяжелой трамбовкой, согласно изобретению непосредственно перед ударом трамбовки на грунт воздействуют вибрацией, причем источник вибрации размещают в плане возле места удара трамбовки, а вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте разжиженной зоны. Дополнительно вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающей образование в грунте зоны с акустической кавитацией воды в порах, причем с размерами зоны, обеспечивающими ее наложение на зону дренирующего естественного грунта или на выполненную в грунте дрену. В случае же пригружения грунта вокруг места удара трамбовки плитой с отверстием под трамбовку, источники вибрации размещают на плите и создают ими вибрацию плиты. Целесообразно также дрену разместить возле места удара трамбовки и выполнить ее полой, а источник вибрации разместить в полости дрены и из нее воздействовать на грунт вибрацией звуковой или ультразвуковой частоты.

Сущность изобретения заключается в том, что в результате виброобработки в грунте разрушаются структурные связи и он разжижается. Одновременно с этим в результате акустической кавитации, происходящей при вибрации с звуковыми и ультразвуковыми частотами, практически вся вода в порах, вследствие нарушения электромолекулярного взаимодействия вод с частицами грунта, становится свободной и менее вязкой, что обеспечивает существенное увеличение проходимости воды в грунте, а следовательно и ускорение консолидации грунта. Последнее ускоряет весь процесс уплотнения грунта. Поэтому при ударе тяжелой трамбовкой по такому подготовленному грунту почти вся энергия удара расходуется непосредственно на интенсивное и равномерное уплотнение большого объема грунта, проходящего при высокой степени разрушения структуры и в условиях быстрого отжатия "разжиженной" воды.

На фиг. 1 показано расположение оборудования и кратеров трамбования на уплотняемом участке, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Способ осуществляют следящим образом.

На поверхности слабого грунтового основания 1, насыщенного водою до уровня 2, посредством механизма 3, передвигающегося вдоль оси 4, из четырех бетонных блоков 5 составляют плиту 6 с отверстием 7 под трамбовку 8. Плита 6 пригружает грунт вокруг кратера 9 - места удара трамбовки 8. Каждый блок 5 плиты 6 выполнен с отверстием 10 под иглофильтр 11, который посредством вибратора 12 погружают в грунт основания 1 вместе с помещенным в его полость преобразователем (источником) 13 звука или ультразвука гидродинамической установки (не показана). После этого каждый вибратор 12 жестко закрепляют на блоке 5 плиты 6 и их воздействием через плиту 6 воздействуют на слабый водонасыщенный грунт основания 1 вибрацией с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в основании 1 разжиженной зоны 14 в границах 15. Одновременно с этим посредством преобразователей 13 из полостей иглофильтров 11 грунт обрабатывают звуком и/или ультразвуком с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте зоны 16 акустической кавитации воды в порах в границах 17.

При прохождении в грунте волн как от вибраторов 12, так и особенно от преобразователей 13, в поровой воде возникает акустическая кавитация, сопровождаемая высокими локальными давлениями и температурами. Это приводит как к повышению степени разрушения структуры в грунте, так и к разориентированию молекул в поровой воде и соответственно к разупорядочению ее структуры, особенно на контакте воды с частицами грунта. В результате этого рыхло-связная вода переходит в свободную, что разблокировывает наиболее узкие и расширяет более широкие поры между частицами грунта, а по всей свободной воде уменьшается вязкость. Все это существенно повышает проходимость воды в грунте - грунт в уплотняемой водонасыщенной толще становится временно более водопроницаемым.

После такой подготовки грунта, направленно изменившей временно свойства скелета грунта (разрушена структура) и свойства поровой воды (вода "разжижена"), на поверхность грунта воздействуют тяжелой трамбовкой 8, сбрасываемой с высоты посредством механизма сбрасывания 18 базовой грузоподъемной машины 19. При этом поровое давление, возникающее в процессе удара трамбовки и сопровождаемое как компрессией воздуха, защемленного в порах грунта и растворенного в воде, так и повышением водопроницаемости грунта, быстро рассеивается. Это сокращает необходимый интервал времени между очередными ударными трамбовками о грунт и, как следствие, сокращает время уплотнения грунта, прилегающего к месту трамбования. Поэтому грунт интенсивно, равномерно и в большом объеме уплотняется, при этом поровая вода отжимается и отводится иглофильтрами 11 и дренирующими грунтовыми прослойками 20, находящимися в уплотняемой области грунта.

Целесообразно бетонные блоки 5, иглофильтры 11 и вибраторы 12 использовать в количестве, достаточном для обустройства двух мест трамбования: одновременно с трамбованием грузовой машиной 19 одного места (кратера), механизмом 3 выставлять блоки 5, иглофильтры 11 и вибраторы 12 вокруг другого места (кратера).

Подготовка водонасыщенного грунта вибрацией при трамбовании может быть осуществлена посредством только вибраторов 12 с устройством плиты 6, а также посредством только, например, реактивного двигателя (не показан), отработавшего в авиации свой моторесурс.

Использование предлагаемого способа уплотнения водонасыщенных грунтов по сравнению с известными обеспечивает повышение эффективности уплотнения за счет увеличения приращения плотности и области вовлечения в уплотнение, ускорения процесса уплотнения и повышения равномерности уплотнения вследствие разжижения грунта перед трамбованием и ускорения оттока воды из разжиженного грунта, обусловленных тем, что еще до трамбования посредством вибрации осуществляют разрушение структурных связей в грунте, а рыхлосвязную поровую воду переводят в свободную, причем с уменьшением вязкости по всей поровой воде.

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам уплотнения водонасыщенных грунтов. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности уплотнения водонасыщенных грунтов за счет увеличения приращения их плотности и области вовлечения в уплотнение, ускорения процесса уплотнения и равномерности уплотнения при ударе трамбовки по грунту. Способ уплотнения водонасыщенных грунтов включает ударное воздействие на его поверхность тяжелой трамбовкой. Новым является то, что непосредственно перед ударом трамбовки на грунт воздействуют вибрацией, причем источник вибрации размещают в плане возле места удара трамбовки, а вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте разжиженной зоны. Дополнительно вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте зоны с акустической кавитацией воды в порах, причем с размерами зоны, обеспечивающими ее наложение на зону дренирующего естественного грунта или на выполненную в грунте дрену. В случае же пригружения грунта вокруг места удара трамбовки плитой с отверстием под трамбовку источники вибрации размещают на плите и создают ими вибрацию плиты. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ уплотнения водонасыщенных грунтов, включающий ударное воздействие на его поверхность тяжелой травбовкой, отличающийся тем, что непосредственно перед ударом трамбовки на грунт воздействуют вибрацией, причем источник вибрации размещают в плане возле места удара трамбовки, а вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте разжиженной зоны. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вибрацию осуществляют с интенсивностью и продолжительностью, обеспечивающими образование в грунте зоны с акустической кавитацией воды в порах. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что зону с акустической кавитацией воды в порах образуют с размерами, обеспечивающими ее наложение на зону дренирующего естественного грунта или на выполненную в грунте дрену. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае пригружения грунта вокруг места удара трамбовки плитой с отверстием под трамбовку источники вибрации размещают на плите и создают ими вибрацию плиты. 5. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что дрену размещают возле места удара трамбовки и выполняют ее полой, а источник вибрации размещают в полости дрены, из которой воздействуют на грунт вибрацией звуковой или ультразвуковой частоты.