Устройство для укрепления слабого грунта

02 3/046 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ СЛАБОГО ГРУНТА(71) Заявитель Научно-исследовательское и экспериментально-проектное государственное предприятие Институт БелНИИС(73) Патентообладатель Научно-исследовательское и экспериментально-проектное государственное предприятие Институт БелНИИС(57) 1. Устройство для укрепления слабого грунта, содержащее вибратор с направленной вынуждающей силой, жестко соединенный с рабочим органом, перемещаемым внутри скважины-лидера, отличающееся тем,что рабочий орган имеет одинаковую со скважиной-лидером форму сечения и выполнен в виде элемента переменного сечения, плавно уменьшающегося к его нижней части, при этом угол наклона боковой поверхности к продольной оси составляет не более 15. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий орган выполнен в виде конуса. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий орган снабжен в нижней части наконечником,выполненным с углом наклона боковой поверхности к продольной оси, превышающим соответствующий угол наклона боковой поверхности рабочего органа в 2-5 раз.(56)126803 , 1960.2016960 С 1, 1994. Бойко Н.В. и др. Технология, организация и комплексная механизация свайных работ. - М. Стройиздат,1985. - С. 186-191. ЕР 0299118 А 1, 1989.3511856 1,1986. Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству зданий и сооружений на слабых грунтах, к укреплению оснований путем устройства грунтового массива повышенной плотности. Известно устройство, содержащее рабочий орган конической формы, задавливаемое в грунт статической нагрузкой или забиваемое одиночными ударами молота 1. Однако такое техническое решение не позволяет достичь высокой несущей способности основания или набивной сваи из-за наличия остаточного разрыхления грунта вокруг скважины, а также малых размеров активной зоны основания. Кроме этого, применение известного устройства обеспечивает низкую производительность работ, в частности за счет сложности процесса извлечения рабочего органа из грунта в результате его вакуумного присоса. Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является устройство для глубинного вибрационного уплотнения грунта, содержащее вибратор с направленной возбуждающей силой, жестко соединенный с рабочим органом, перемещаемым внутри скважины - лидера 2. В известном техническом решении рабочий орган, выполненный в виде пространственной стержневой системы, состоящей из вертикальных и горизонтальных элементов, позволяет достичь равномерного уплотнения основания и этим повысить эффективность уплотнения. Однако использование такого устройства имеет ограниченную область его применения вследствие небольшой жесткости рабочего органа и сложности погружения его в грунт. При этом степень уплотнения грунта не высока, а энергоемкость процесса велика. Кроме этого, к недостаткам данного устройства относятся технологические проблемы, связанные с извлечением рабочего органа из грунта и остаточным его разрыхлением. Устройство не позволяет дополнительно насыщать основание жестким инертным материалом, а также закреплять основание элементами в виде вибронабивных свай. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение несущей способности закрепленного основания, повышение производительности и снижение стоимости работ, а также расширение области применения устройства, повышение прочности грунта основания, предотвращение заклинивания и вакуумного присоса рабочего органа, снижение коэффициента трения рабочего органа о грунт. Технический результат достигается за счет того, что рабочий орган выполнен в виде элемента переменного сечения, плавно уменьшающегося к его нижней части, и обеспечивает оптимальные условия контакта с окружающим грунтом, а также устойчивость стенок скважины лидера при вибрационном воздействии направленной вынуждающей силы от вибратора. Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для укрепления слабого грунта, содержащем вибратор с направленной вынуждающей силой, жестко соединенный с рабочим органом, перемещаемым внутри скважины-лидера, рабочий орган имеет одинаковую со скважиной-лидером форму сечения и выполнен в виде элемента переменного сечения, плавно уменьшающегося к его нижней части, при этом угол наклона боковой поверхности к продольной оси составляет не более 15. Рабочий орган может быть выполнен в виде конуса либо другой формы, имеющей переменное сечение,плавно уменьшающееся к его нижней части. Рабочий орган может быть снабжен в нижней части наконечником, выполненным с углом наклона боковой поверхности к продольной оси, превышающим соответствующий угол наклона боковой поверхности рабочего органа в 25 раз. Выполнение рабочего органа в виде элемента переменного сечения, плавно уменьшающегося к его нижней части с углом наклона боковой поверхности к продольной оси не более 15 и имеющего одинаковую со скважиной лидером форму, позволяет получить в сравнении с известным техническим решением новые свойства, заключающиеся в создании достаточно высокой несущей способности закрепленного основания,повышенной плотности грунта основания, возможности изготовления вибронабивных свай, а также в предотвращении заклинивания и вакуумного присоса рабочего органа и снижении коэффициента трения рабочего органа о грунт. Увеличение несущей способности закрепленного основания достигается благодаря тому, что наклон боковых поверхностей до 15 позволяет создать высокие распорные давления при относительно небольшой направленной вынуждающей силе от вибрационного воздействия. При этом происходит высокая концентрация напряжений по контактной поверхности рабочего органа с грунтом и передача их в окружающее пространство. Повышение степени уплотнения и несущей способности слабого грунта может достигаться путем насыщения его жестким сыпучим материалом с компактной упаковкой частиц и взаимным сцеплением их с частицами грунта, при этом формируется равномерно-распределенный весьма 2 4474 1 жесткий каркас на всю глубину уплотняемого массива. Угол наклона боковой поверхности рабочего органа принят из условия обеспечения оптимальных скоростей деформации сдвига грунта по поверхности рабочего органа при его погружении и максимальных значений несущей способности закрепляемого грунта. Форма скважины одинаковая с рабочим органом, плавно уменьшающаяся по глубине, позволяет избежать эффекта заклинивания и вакуумного присоса рабочего органа, а также существенно уменьшить силы трения по боковой поверхности рабочего органа при его обратном ходе в колебательном цикле. При обратном ходе лидера происходит мгновенный отрыв рабочей поверхности от грунта. Сопротивление отрыву поверхностей оказывают лишь силы сцепления, а силы трения при этом практически отсутствуют (так как нет скольжения между контактными поверхностями). Коническая форма контактной поверхности позволяет при малейшем усилии, направленном вертикально вверх, обеспечить зазор между грунтом и рабочим органом. В этот зазор мгновенно и беспрепятственно проникает атмосферный воздух, предотвращая негативный эффект заклинивания и вакуумного присоса рабочего органа. На фиг. 1 изображено устройство для укрепления слабого грунта (вид сбоку) на фиг. 2 то же устройство,снабженное в нижней части наконечником на фиг. 3 изображен узел А деталировки наконечника на фиг. 4 изображена схема одного из возможных вариантов производства работ по уплотнению слабого грунта или изготовлению вибронабивных свай. Предлагаемое устройство (фиг. 1-2) включает вибратор 1 и присоединенный к нему рабочий орган 2. Рабочий орган может быть снабжен наконечником 3 (фиг. 3). Рабочий орган 2 выполнен в виде элемента переменного сечения (например конуса), плавно уменьшающегося к его нижней части (фиг. 1 фиг. 2), при этом уголнаклона боковой поверхности к продольной оси составляет не более 15. Рабочий орган 2 может быть снабжен в нижней части наконечником 3 (фиг. 3), выполненным с угломнаклона боковой поверхности к продольной оси, превышающим уголнаклона боковой поверхности рабочего органа в 2-5 раз. Поперечное сечение рабочего органа 2 имеет симметричную форму. Работы по уплотнению грунтовой толщи могут выполняться, например, в следующем порядке (фиг. 4). Базовая машина, например кран или сваебойный агрегат, устанавливает предлагаемое устройство вертикально на поверхности грунта. Вибратор 1 включают, и рабочий орган 2 под действием направленной вынуждающей вибрационной силы и собственного веса конструкции погружается в разжижающийся грунт. После погружения рабочего органа на проектную отметку его извлекают, а скважину заполняют жестким сыпучим материалом, например щебнем из специального бункера 4 (фиг. 13). На этой стадии процесс укрепления слабого грунта может быть завершен. Однако, в случае необходимости дополнительно повысить несущую способность, вновь включают вибратор и производят повторное погружение рабочего органа в скважину с внедрением жесткого сыпучего материала в окружающий грунт. На проектной отметке для лучшего уплотнения рабочий орган может выдерживаться определенное время. После этого рабочий орган извлекают, а скважину снова заполняют жестким сыпучим материалом. Данную операцию повторяют до тех пор,пока грунт не достигнет необходимой прочности. После этого скважину заполняют щебнем с уплотнением. Уплотнение производят с использованием данной установки. Устройство лидерной скважины можно выполнять не на всю глубину скважины сразу, а по участкам, чередуя процессы формирования лидерной скважины и внедрения жесткого сыпучего материала. В целом предложенное устройство благодаря рассмотренным выше признакам позволяет существенно увеличить несущую способность закрепленного грунта в основании фундаментов зданий и сооружений, повысить его плотность. Вследствие этого также существенно сокращаются трудозатраты и стоимость работ при закреплении основания по сравнению с аналогами 1 2, повышаются темпы строительства. Предлагаемое техническое решение будет реализовано при массовом строительстве жилых, общественных и производственных зданий. По всем основным технико-экономическим показателям предлагаемое устройство превосходит существующие аналоги, решение предназначено для технического переоснащения строительных организаций Беларуси и применения на территории Беларуси, России и других стран. Источники информации 1. Бойко Н. В. и др. Технология, организация и комплексная механизация свайных работ.М. Стройиздат, 1985. - С. 186-191. 2.126803 , 1960. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.