СПОСОБ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОЙ КОЛОННЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК E02D5/46 E02D3/12 G01N27/72 G01N33/38 

Способ относится к технологии строительства, может быть использован при контроле формообразования свай и других фундаментов, создаваемых нагнетанием вяжущих материалов в грунт.

При строительстве платформ на сыпучих песках, зыбких болотистых грунтах и в акватории сваи и другие элементы формируют непосредственно в упомянутых грунтах путем нагнетания вяжущих средств под высоким давлением. Частицы почвы (ил) и связующее после отвердения формируемой жидкой колонны образуют сваю. Средство для образования таких конструкций представляет собой штангу, снабженную форсунками для подачи раствора и перемещаемую как в осевом, так и в радиальном направлении. В зависимости от условий образования колонн и вида грунтов в качестве агентов, подаваемых под давлением, могут быть цемент, вода, цементно- и водовоздушные смеси. Размеры образуемых колонн зависят от скоростей вращения и перемещения штанги с форсунками, а также от давления в системе нагнетания вяжущих средств, и могут регулироваться автоматически (см. проспект фирмы "HYDRO SOIL SERVICES", 1998, Бельгия) или SU 975897 кл. E 02 D 5/46, 23.11.1982.

Однако в процессе формообразования колонн в реальных условиях из-за непредсказуемости и сложности геологической обстановки форма колонн может отличаться от заданной преимущественно за счет искажения формы, наличия пустот, неоднородностей состава и других дефектов в теле колонны. Указанные дефекты в дальнейшем могут повлечь за собой потерю прочности и устойчивости как отдельных свай, так и конструкций в целом, что является недопустимым.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу является способ контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее для образования, при котором жидкую колонну для несущей конструкции, например сваи, мостовой опоры и др., образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через, по меньшей мере, один раздаточный элемент при его перемещении в массиве и определяют характеристики жидкой колонны, преимущественно ее форму и качество, т.е. наличие дефектов в массиве в радиальном и осевом направлении в процессе перемещения раздаточного элемента с помощью акустического излучения (см. WO 87/03319 A1, E 02 D 3/12, 04.06.87).

Недостатком способа является необходимость учета влияния технологических и эксплуатационных факторов на изменение акустических характеристик.

Задачей способа является упрощение контроля за счет снижения влияния указанных факторов.

Технический результат обеспечивается тем, что способ контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее образования, при котором жидкую колонну образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через по меньшей мере один раздаточный элемент при его перемещении в массиве, определяют характеристики жидкой колонны, преимущественно ее форму и качество, согласно предложенному способу в вяжущие средства вводят вещества, придающие материалу жидкой колонны свойство магнитной восприимчивости, характеристическое время седиментации которых больше времени схватывания материала, а характеристики жидкой колонны определяют, регистрируя значение магнитной проницаемости материала в процессе перемещения упомянутого раздаточного элемента.

Результат может достигаться также тем, что в качестве веществ используют магнитомягкие вещества в порошкообразном состоянии, а также тем, что в качестве веществ используют порошки карбонильного железа, электротехнической стали, магнетита, а также тем, что вещества вводят в количестве 0,5-1,5%.

Кроме того, тем, что магнитную проницаемость определяют посредством по меньшей мере одной катушки индуктивности, перемещаемой в материале совместно с раздаточным элементом, а также тем, что катушка индуктивности может быть механически скреплена с раздаточным элементом.

Патентуемый способ не сводится к использованию известных приемов магнитометрии в частном случае, что позволяет считать патентуемый способ удовлетворяющим условию изобретательского уровня. Так, добавление в цементный раствор магнитных индикаторных частиц, как это описано в изобретении (ЕР 0440825 A1, NEC Corporation. E 02 D 3/12, 14.08.91), направлено на решение иной задачи - определения возможности повторного использования цементного раствора, собранного с места облагораживания почвы, а кроме того магнитометрия проводится отдельно от места работ.

Введение металлической стружки в бетон (a.c.SU 0810895, Бромберг, F 02 D 15/00, 17.03.81) направлено на решение также иной задачи - магнитной сигнализации при укладке бетонной смеси переменной марки. Что же касается известности применения магнитных частиц в качестве трассеров (патент US 5151658, Muramatsu, 324/346, G 01 V 3/26, 29.09.92), то они предназначены для определения ориентации разломов в земной коре, т.е. для целой разведки недр. Указанные выше сведения из уровня техники позволяют предположить, что изобретение удовлетворяет условиям патентоспособности, поскольку основано на новых знаниях, установленных авторами и сводящихся к возможности определения параметров жидкой колонны в процессе ее изготовления по магнитным параметрам и возможности коррекции этих параметров по результатам магнитометрии.

Существо патентуемого способа состоит в том, чтобы придать телу жидкой колонны при изготовлении свойство, которое отличало бы упомянутое тело от окружающего грунта (ила) и могло бы быть зарегистрировано аппаратурно. Для этого датчиками производится измерение текущего значения указанного свойства по телу жидкой колонны, что обеспечивается сканированием измерительной системы в осевом и (или) радиальном направлениях. В данном случае речь идет о придании цементному раствору свойства магнитной восприимчивости, которым обладают такие известные вещества, как железо, никель и другие металлы и их соединения. Магнитная восприимчивость сравнительно легко создается посредством добавления в цементный раствор достаточно дешевых и экологически чистых добавок.

Процесс измерения параметров колонны непосредственно в процессе изготовления ориентирован на использование той же самой штанги с форсунками, которая создает колонну. Для этого штанга снабжена измерительной системой, содержащей датчики магнитного состояния среды, например катушки индуктивности или другие средства из числа известных, которыми и регистрируется своеобразная магнитная томограмма колонны.

На чертеже показан принцип измерений с использованием датчика на основе нескольких катушек 10, 11, 12 индуктивности. Однако из катушек 10 располагается максимально близко к периферии колонны 14, на той же перекладине 16, где расположены форсунки 17 для подачи цементной смеси. Перемещение и вращение перекладины 16 передается через штангу 18 в грунте 19. Катушки 11 индуктивности меньшего размера, чем катушка 10 индуктивности, также укреплены на перекладине 16 и предназначены для определения концентрации связующего в образуемой пульпе. Катушка 12 индуктивности размещается вблизи штанги 18, там же размещается и блок 22 анализа сигналов с использованием мостовой схемы, к которому подключены упомянутые катушки 10-12.

На катушки 10-12 подается электрический сигнал определенной частоты и регистрируется их импеданс. Поскольку катушки не имеют замкнутых сердечников, то индуктивности упомянутых катушек зависят от магнитной проницаемости окружающей среды - массива колонны 14. Таким образом, размер тела магнитной колонны 14 влияет на индуктивность катушки 10, если ее магнитные силовые линии 26 "дотягиваются" до края 28 колонны. Катушка 12, находящаяся в центре колонны, позволяет повысить чувствительность и улучшить направленность действия измерительной системы в целом.

В процессе калибровки измерительной системы обе катушки 10.12 располагаются в центре штанги. Сигналы от катушек вычитаются в мостовой схеме и в этом случае результирующий сигнал равен нулю. При размещении катушки 10 на краю перекладины 16, ближе к периферии колонны 14 появляется сигнал рассогласования, причем его величина обратно пропорциональна расстоянию от этой катушки до края 28 колонны 14. Наличие ферромагнитных свойств у штанги 18 несущественно, так как ее влияние учитывается мостовой схемой при упомянутой калибровке измерительной системы. Чувствительность измерения повышается посредством использования синхронного (квадратурного) детектирования сигнала на измеряемой частоте. Катушки 11 позволяют определить качество связующего и учесть эту информацию в блоке 22 анализа сигналов.

Может быть реализован в другой принцип возбуждения среды с использованием одной катушки 10 индуктивности. Катушка 10 включена в качестве индуктивности в LC - контур генератора синусоидальных колебаний. Измеряется частота этих колебаний, которая зависит от индуктивности катушки и магнитных свойств среды, окружающей датчик.

Анализ показывает, что величина отклика датчика магнитного состояния зависит в основном от двух переменных:
а) от поперечного размера колонны, если параметры магнитной проницаемости материала колонны постоянны во всем объеме колонны, и
б) от структуры закладки связующего в грунт и его качества (неоднородности, наличия полостей, расслоений, изменений концентрации связующего и пр.) при постоянном поперечном размере колонны по ее высоте.

Для получения дифференцированной информации о состоянии жидкой колонны необходимо использовать сигнал одновременно с нескольких датчиков магнитного состояния. Если же достаточно получить ответ об интегральных характеристиках колонны и отклик измерительной системы имеет более менее постоянное значение, то можно сделать вывод о том, что и характеристики колонны (ее форма, состав материала и пр.) более менее постоянны. Такой вывод должен делаться с учетом предварительных исследований на моделях жидких колонн.

Способ контроля характеристик жидкой колонны реализуется следующим образом.

На узле приготовления вяжущих средств в цементный раствор, подлежащий нагнетанию в грунт для образования колонны, добавляют порошок, обладающий достаточно большой магнитной восприимчивостью (магнитомягкий материал) и временем седиментации большим времени схватывания цементно-грунтового раствора, образующего колонну. Это может быть порошок карбонильного железа, электротехнической стали, магнетита (Fe₃O₄) и других природных и синтетических веществ. Как показано проведенными нами экспериментами, требуется около 1 об. % магнитного порошка в цементном растворе. Порошок придает материалу колонны свойство магнитной восприимчивости. По магнитной проницаемости материала колонны, как это отмечалось выше, можно определить как концентрацию цемента в колонне, так и отличие в формообразовании колонны.

Измерения проводятся после изготовления колонны, преимущественно при возвратном ходе (подъеме) штанги, но могут проходить и при перемещении в глубь массива. Штанга поднимается и вращается вокруг своей оси, так что датчики имеют возможность просканировать практически весь объем колонны. Единственное ограничение на использование этого способа - в непосредственной близости от измеряемой колонны не должно быть предметов с ярко выраженными магнитными свойствами. По полученным результатам проводится оперативное управление системой подачи цементного раствора (изменение давления, соотношения цемента, воды, воздуха), которое может быть автоматизировано.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования указанного способа. Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что добавка 0,5-1,5% (по объему) порошка магнетита позволяет надежно фиксировать относительные отклонения концентрации цемента в колонне, составляющие не менее 20%, а размеров - не менее 30%.

Изобретение может быть использовано в строительной и других отраслях промышленности для контроля свай и других фундаментов, создаваемых нагнетанием вяжущих материалов в грунт. Жидкую колонну образуют нагнетанием вяжущих средств в массив грунта через по меньшей мере один раздаточный элемент при его перемещении в массиве. В вяжущие средства вводят вещества, придающие материалу жидкой колонны свойство магнитной восприимчивости, характеристическое время седиментации которых больше времени схватывания материала, а характеристики жидкой колонны, преимущественно ее форму и качество определяют по значению магнитной проницаемости материала в процессе перемещения упомянутого раздаточного элемента. Изобретение повышает прочность и устойчивость свай и других конструкций, создаваемых нагнетанием вяжущих материалов в грунт. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля характеристик жидкой колонны в процессе ее образования, при котором жидкую колонну образуют нагнетанием вяжущих средств непосредственно в массив грунта под давлением через по меньшей мере один раздаточный элемент при его перемещении в массиве, определяют характеристики жидкой колонны, преимущественно ее форму и качество, отличающийся тем, что в вяжущие средства вводят вещества, придающие материалу жидкой колонны свойство магнитной восприимчивости, характеристическое время седиментации которых больше времени схватывания материала, а характеристики жидкой колонны определяют, регистрируя значение магнитной проницаемости материала в процессе перемещения упомянутого раздаточного элемента. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве веществ используют магнитомягкие вещества в порошкообразном состоянии. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве веществ используют порошки карбонильного железа, электротехнической стали, магнетита. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что вещества вводят в количестве 0,5 - 1,5 об.%. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что магнитную проницаемость определяют посредством по меньшей мере одной катушки индуктивности, перемещаемой в материале совместно с раздаточным элементом. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что катушка индуктивности механически скреплена с раздаточным элементом.