PL198479B1 - Sposób głębokiego zagęszczania gruntu z powierzchni - Google Patents

Abstract

Sposób g lebokiego zag eszczania gruntu z powierzchni, za pomoc a sejsmicznego zag eszczania dynamicznego, zwanego sejsmokompakcj a, z wykorzystaniem ci agów sejsmo-wibracji o du zej mocy i zmiennych parametrach drga n zale znych od podatno sci o srodka na osiadanie, i od ogranicze n z punktu widzenia bezpiecze nstwa prac, znamienny tym, ze energi e pojedynczego impulsu udaro- wego na powierzchni gruntu, zast epuje si e superpozycj a odpowiedniej ilo sci cykli ni zszych energe- tycznie, kontrolowanych ci agów drga n o cz estotliwo sciach sejsmicznych w zakresie od kilku do kilku- dziesi eciu herców, podawanych na sztywn a p lyt e dowolnego kszta ltu i rozmiarów, b ed ac a w kontakcie z pod lo zem gruntowym, na któr a podaje si e si le statyczn a obciazenia wst epnego wywo lan a duza ma- s a M1, i podaje si e równocze snie obci azenie dynamiczne wymuszon a si la okresow a Fw o okre slo- nych parametrach cz esto sci drga n, amplitudzie i czasie emisji, zw laszcza o warto sci maksymalnej mniejszej od obci azenia statycznego M1 x g, w celu zachowania sta lego kontaktu p lyty z pod lozem, i kierunku si ly skierowanej zawsze w dó l tak ze dla przy spiesze n wymuszenia wi ekszych od 1 g, a to zapewnia kumulacje odkszta lce n pod p lyt a i uzyskanie szybkiego efektu zag eszczania i konsolidacji od kolejnych cykli drga n na danym punkcie wibrowania, niezale znie od urz adzenia technicznego reali- zuj acego ten sposób z punktu na punkt. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób głębokiego zagęszczania gruntu z powierzchni, za pomocą sejsmicznego zagęszczania dynamicznego, z wykorzystaniem ciągów sejsmo-wibracji o dużej mocy i zmiennych parametrach drgań zależnych od podatności ośrodka na osiadanie, i od ograniczeń z punktu widzenia bezpieczeństwa prac, podawanych w jednej pozycji wibracji przez obciążoną statycznie i wibrującą sztywną płytę, na powierzchnię gruntu.

Znany dotychczas sposób dynamicznego zagęszczania gruntu z powierzchni, realizowany był przez płytkie, wibracyjne zagęszczanie rolującym, wibracyjnym walcem lub wibratorem płytowym.

Niestety, ten sposób był skuteczny tylko do głębokości około 1,5 m, i do zagęszczania nasypów przez nakładanie cienkich warstw o grubości kilkudziesięciu centymetrów.

Sposób ten był powszechnie stosowany w budowie dróg i nasypów przez zagęszczanie podłoża budowanego z cienkich warstw o grubości do około 0,5 m. Podobnie, płytki i mniej energetyczny sposób jest realizowany przez podawanie drgań małej mocy przez lekkie, drgające monochromatyczne, wibratory płytowe stosowane do ubijania podłoża pod chodniki, podłogi lub inne lekkie konstrukcje.

Sposoby te nie są skuteczne do głębokiego dogęszczania z powierzchni, wysokich, eksploatowanych budowli nasypowych lub ich podłoża bez rozbierania budowli nasypu. Rozbieranie budowli oznacza często zamknięcie obiektu i duże koszty prac naprawczych.

Inny znany sposób polega na głębokim, impakcyjnym zagęszczaniu za pomocą udaru wywołanego spadającym ciężarem o dużej masie, z dużej wysokości.

Sposób impakcyjny jest powszechnie stosowany do głębokiego, punktowego czyli kraterowego, dynamicznego dogęszczania gruntu z powierzchni energią dużego ciężaru spadającego z dużej wysokości. Sposób ten, cechuje duża niejednorodność uzyskanego zagęszczenia oraz rozluźnienia przy powierzchni wywołane klinami wyporu i przekroczeniem granicy sprężystości ośrodka. Ponadto, około 70% energii impulsu udaru generuje mocne fale powierzchniowe o eliptycznym charakterze drgań, niebezpieczne dla budowli nasypowych i istniejącej infrastruktury. Fale te, wskutek silnych, ścinających naprężeń poziomych rozluźniają strefę już zgęszczoną w promieniu kilkudziesięciu do kilkuset metrów zależnie od energii udaru. Sposób ten nie nadaje się do równomiernego dogęszczania gruntu i budowli nasypowych gdzie wymagana jest duża jednorodność przestrzennego stanu zagęszczenia. Ponadto, sposób ten jest niebezpieczny do poruszania się i operowania urządzeniem z wysokim wysięgnikiem, z zawieszonym dużym ciężarem, na wysokich, liniowych budowlach wałowych i nasypach.

Celem wynalazku jest opracowanie skutecznego sposobu głębokiego, dynamicznego, jednorodnego powierzchniowo i przestrzennie, dogęszczania gruntu z powierzchni, bez konieczności odkrywania głębszych warstw lub rozbierania budowli nasypowych, bezpiecznego dla otaczającej infrastruktury i z punktu widzenia prowadzenia prac.

Cel ten został osiągnięty przez zastosowanie sposobu głębokiego zagęszczania gruntu z powierzchni, za pomocą sejsmicznego zagęszczania dynamicznego, zwanego sejsmokompakcją, z wykorzystaniem ciągów sejsmo-wibracji o dużej mocy i zmiennych parametrach drgań zależnych od podatności ośrodka na osiadanie, i od ograniczeń z punktu widzenia bezpieczeństwa prac. Zgodnie z wynalazkiem, energię pojedynczego impulsu udarowego na powierzchni gruntu, zastę puje się superpozycją odpowiedniej ilości cykli niższych energetycznie, kontrolowanych ciągów drgań o częstotliwościach sejsmicznych w zakresie od kilku do kilkudziesięciu herców, podawanych na sztywną płytę dowolnego kształtu i rozmiarów, będącą w kontakcie z podłożem gruntowym, na którą podaje się siłę statyczną obciążenia wstępnego wywołaną dużą masą M1, i podaje się równocześnie obciążenie dynamiczne wymuszoną siłą okresową Fw o określonych parametrach częstości drgań, amplitudzie i czasie emisji, zwłaszcza o wartości maksymalnej mniejszej od obciążenia statycznego M1 x g, w celu zachowania stałego kontaktu płyty z podłożem, i kierunku siły skierowanej zawsze w dół także dla przyśpieszeń wymuszenia większych od 1 g, a to zapewnia kumulacje odkształceń pod płytą i uzyskanie szybkiego efektu zagęszczania i konsolidacji od kolejnych cykli drgań na danym punkcie wibrowania, niezależnie od urządzenia technicznego realizującego ten sposób z punktu na punkt.

Powszechnie znanym zjawiskiem towarzyszącym trzęsieniom ziemi jest znaczne, niekiedy do kilku metrów, osiadanie powierzchni terenu związane z dogęszczeniem ośrodka wywołanym kilkusekundowym ciągiem drgań sejsmicznych w strefie przypowierzchniowej.

W tym przypadku, fala sejsmiczna generowana jest momentem sejsmicznym, na duż ej głębokości w epicentrum i rozchodzi się promieniowo w kierunku powierzchni ziemi z częstotliwością kilku herców.

PL 198 479 B1

W sposobie wedł ug opisywanego wynalazku, stosuje się kontrolowane, sztuczne i bezpieczne, powierzchniowe źródło wzbudzania ciągłych drgań sejsmicznych o odpowiednich parametrach energetycznych, zdolnych do zagęszczania i konsolidacji gruntu w strefie przypowierzchniowej na dowolną głębokość w sensie zagadnień inżynierskich.

Metoda jest oparta na dwóch zjawiskach fizycznych zachodzących w gruntach:

- pierwszym jest zagęszczanie i konsolidacja gruntu przez podanie stałego, o odpowiedniej wielkości, wstępnego, statycznego nacisku na płytę, które to zjawisko trwa wiele dni lub nawet lata;

- drugim jest zagęszczanie i konsolidacja dynamiczna przez podanie, na wstępnie, statycznie obciążoną płytę, wymuszonego ciągu dynamicznych udarów okresowych o odpowiedniej charakterystyce drgań i odpowiednim czasie trwania zjawiska, przez krótki okres jak chwila, minuty, godziny.

Nawet w przypadku przyspieszeń płyty większych od 1 g, siła dynamiczna zawsze jest skierowana w dół dopóki jest mniejsza od obciążenia statycznego

W odróżnieniu od obciążenia statycznego, dynamiczna okresowa siła impulsowa powoduje w każ dym cyklu, przegrupowanie czą stek gruntu i znaczne ich upakowanie, szczególnie w oś rodkach sypkich, a to prowadzi do ich szybkiego osiadania i kompakcji. W ośrodku zwięzłym, dochodzi proces szybkiego, dynamicznego wypierania wody zawartej w gruncie i szybkiej konsolidacji.

Ogólnie wielkość osiadania zależy od początkowej gęstości gruntu, miąższości warstwy konsolidowanej i maksymalnego odkształcenia postaciowego gruntu.

Nawet piaski o gęstości względnej > 75%, które normalnie nie wykazują znaczącego osiadania, można dogęścić dynamicznie od 1 do 2% miąższości warstwy. Natomiast kompakcja luźnego piasku wskutek obciążeń dynamicznych jest najczęstszą przyczyną różnicowego osiadania podłoża.

Efekt dynamicznego zagęszczania gruntu pod płytą, trwać więc może chwilę lub co najwyżej godziny, a nie dnie i lata jak w przypadku statycznej, naturalnej konsolidacji podłoża pod posadowionymi obiektami.

Dynamiczne zagęszczanie może być nieskuteczne, gdy suma obciążenia statycznego i dynamicznego jest mniejsza od połowy wytrzymałości nośnej gruntu. Dlatego, ważnym zagadnieniem jest właściwa ocena podatności gruntu na obciążenia dynamiczne.

Ilość niezbędnych cykli drgań do uzyskania żądanego zagęszczenia, zależy od wytrzymałości na odkształcenie dynamiczne R; =dN/d:;, gdzie N jest liczbą cykli a ε jest odkształceniem, czyli osiadaniem skumulowanym. Z badań laboratoryjnych wynika, że generalnie, wielkość osiadania zależy wprost proporcjonalnie od miąższości H warstwy konsolidowanej i logarytmu naturalnego z liczby cykli drgań N, a odwrotnie proporcjonalnie do wytrzymałości na odkształcenie dynamiczne r(;·.). Po polowych testach, dynamicznych i rozpoznaniu podatności podłoża, projektuje się zgodnie z wynalazkiem, odpowiednie parametry siły dynamicznej w zakresie wielosekundowych ciągów częstotliwości sejsmicznych od 5 do 100 Hz, o liniowym lub innym tempie zmian. W tym także, może to być składanie ciągów monoczęstotliwościowych z tego zakresu, z wykorzystaniem lub po wyeliminowaniu częstości rezonansowych systemu wibrator-podłoże.

Poniżej podano szczegółowy opis sposobu głębokiego, sejsmicznego zagęszczanie gruntu z powierzchni, z wykorzystaniem ciągów wibracji sejsmicznych o dużej mocy, i drgań zależnych od ograniczeń z punktu widzenia bezpieczeństwa prac i podatności gruntu na osiadanie, polegającego na tym, że duża energia pojedynczego impulsu udarowego na powierzchnię gruntu, na przykład od spadającego ciężaru, jest zastąpiona superpozycją odpowiedniej ilości cykli, niższych energetycznie, kontrolowanych ciągów sejsmo-drgań o częstotliwościach sejsmicznych w zakresie od kilku do kilkudziesięciu herców, podawanych na płytę sztywną dowolnego kształtu i rozmiarów, będącą w kontakcie z gruntem, i na którą podaje się siłę statyczną obciążenia wstępnego wywołaną dużą masą M1, i podaje się równocześnie obciążenie dynamiczne wymuszoną siłą okresową Fw o określonych parametrach częstości drgań, amplitudzie i czasie emisji, zwłaszcza o wartości maksymalnej mniejszej od obciążenia statycznego M1 x g dla zachowania stałego kontaktu płyty z podłożem, i kierunku siły skierowanej zawsze w dół także dla przyśpieszeń wymuszenia, większych od 1 g, a to zapewnia kumulację odkształceń pod płytą i uzyskanie szybkiego efektu zagęszczania i konsolidacji od kolejnych cykli drgań na danym punkcie wibrowania.

Ważną ekonomiczną zaletą sposobu według wynalazku jest także to, że nie wymaga on kosztownych inwestycji do budowy odpowiedniego źródła drgań, lecz daje się efektywnie realizować z wykorzystaniem istniejącego ciężkiego sejsmicznego wibratora servo-hydraulicznego lub elekromagnetycznego.

PL 198 479 B1

Urządzenia te są powszechnie stosowane jako źródło wzbudzania drgań sejsmicznych w pracach geologicznych i poszukiwawczych. Ogólnie, system servo-hydrauliczny składa się z masy zewnętrznej obciążenia statycznego na płytę ciężarze około 20 ton i więcej, układu drgającego złożonego z masy reakcyjnej o ciężarze 1 do 3 ton, sprzężonej ze sztywną płytą, hydraulicznie poprzez tłoczysko. Cały system hydrauliki wysokiego ciśnienia jest sterowany elektronicznie i przez układ hydrauliczny niskiego ciśnienia.

Pozwala to na elastyczny dobór optymalnych parametrów drgań w zależności od podatności podłoża i umożliwia ograniczenie siły i prędkości przemieszczenia drgań tam, gdzie jest to konieczne, a energia kompensowana jest czasem trwania i liczbą wibracji, w celu uzyskania żądanego, skumulowanego osiadania, a więc stopnia zagęszczenia.

W przypadku przekroczenia noś noś ci gruntu, nastąpi wyraź ne osiadanie gruntu pod pł ytą . Po n ciągach wibracji w danym punkcie, gdy ustabilizuje się osiadanie gruntu pod płytą, określamy optymalną liczbę i rozkład cykli drgań w czasie, niezbędnych do uzyskania żądanego stopnia zagęszczenia gruntu o lokalnej podatności na osiadanie.

Po ustaleniu optymalnych parametrów siły dynamicznej, to jest amplitudy częstotliwości drgań i czasu ich trwania, przechodzi się do rutynowych wibracji z punktu na punkt, z cią g ł ym lub punktowym pokryciem powierzchni, zależnie od projektu i zakresu prac.

Reasumując, taki system drgań w polu bliskim źródła wibracji, na głębokości mniejszej od jednej długości generowanej fali, generuje największe naprężenia i przemieszczenia gruntu, które w dalszym polu przenoszą się w głąb ośrodka do głębokości kilku kilometrów w postaci zanikającej sejsmicznej fali kompresyjnej. Tak więc, energia wibracji jest efektywnie przenoszona daleko poza strefę bezpośredniego oddziaływania płyty na podłoże, i może być po drodze, w dowolnym miejscu, wykorzystana, zwłaszcza do zagęszczania gruntów w strefie przypowierzchniowej. Im grunt jest bardziej, luźny tym więcej energii użytej jest do jego zagęszczania, a mniej do transportu.

Claims (1)

1. Sposób głębokiego zagęszczania gruntu z powierzchni, za pomocą sejsmicznego zagęszczania dynamicznego, zwanego sejsmokompakcją, z wykorzystaniem ciągów sejsmo-wibracji o dużej mocy i zmiennych parametrach drgań zależnych od podatności ośrodka na osiadanie, i od ograniczeń z punktu widzenia bezpieczeństwa prac, znamienny tym, że energię pojedynczego impulsu udarowego na powierzchni gruntu, zastępuje się superpozycją odpowiedniej ilości cykli niższych energetycznie, kontrolowanych ciągów drgań o częstotliwościach sejsmicznych w zakresie od kilku do kilkudziesięciu herców, podawanych na sztywną płytę dowolnego kształtu i rozmiarów, będącą w kontakcie z podłożem gruntowym, na którą podaje się siłę statyczną obciążenia wstępnego wywołaną dużą masą M1, i podaje się równocześnie obciążenie dynamiczne wymuszoną siłą okresową Fw o określonych parametrach częstości drgań, amplitudzie i czasie emisji, zwłaszcza o wartości maksymalnej mniejszej od obciążenia statycznego M1 x g, w celu zachowania stałego kontaktu płyty z podłożem, i kierunku siły skierowanej zawsze w dół także dla przyśpieszeń wymuszenia większych od 1 g, a to zapewnia kumulacje odkształceń pod płytą i uzyskanie szybkiego efektu zagęszczania i konsolidacji od kolejnych cykli drgań na danym punkcie wibrowania, niezależnie od urządzenia technicznego realizującego ten sposób z punktu na punkt.