PL219705B1 - Urządzenie do wgłębnego mieszania gruntu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wgłębnego mieszania gruntu, zwłaszcza przeznaczone do wykonywania kolumn z cementogruntu.

W znanej metodzie wzmacniania podłoża przez wgłębne mieszanie gruntu uzyskuje się zmianę jego parametrów geotechnicznych przez wprowadzenie do wzmacnianej lub uszczelnianej strefy cementu, wapna, bentonitu lub innych materiałów spajających i dokładne ich wymieszanie z rodzimym gruntem. Uzyskanie pożądanego efektu zależy od ilości i jakości materiału wiążącego z gruntem oraz sposobu mieszania.

Z wielu publikacji i praktycznego stosowania znane są różne rodzaje mieszadeł i metod wykonywania czynności mieszania. Kształty pojedynczych mieszadeł i ich zespołów dopasowywane są do zadań, które powinny być wykonane, aby uzyskać wymagany efekt wzmocnienia podłoża. Do tego celu stosowane są zarówno pojedyncze mieszadła, jak również zespoły kilku lub nawet kilkunastu mieszadeł, napędzanych z jednej strony maszyny bazowej aby zwiększyć wydajność pracy. W publikacjach opisane są przykłady połączenia kilku mieszadeł i utworzenie zestawu, wykonującego jednocześnie kilka 2, 3 lub 4, kolumn wzajemnie się zazębiających.

Znane mieszadła pojedyncze składają się z żerdzi wiertniczej i poziomych belek. Żerdź wiertnicza wyposażona jest w otwór do tłoczenia zaczynu w grunt. Przy większych średnicach, otwory wylotowe zaczynu rozmieszczone są również na belce poprzecznej. Inny rodzaj mieszadła ma postać świdrów talerzowych, które są sprzężone w zestawy po 3 lub 4 świdry obok siebie. Sąsiednie świdry obracają się w przeciwne strony.

Z polskiego opisu patentowego nr 169664 znane jest narzędzie do wprowadzania materiału stabilizującego grunt, zawierające pojedynczy, obrotowy trzon z otworem wzdłuż osi do doprowadzenia materiału wiążącego - stabilizującego grunt. Do trzonu zamocowane są promieniowo, parami, poprzeczne wypusty, na których znajdują się ukośne żebra. Każdy wypust jest umocowany na linii śrubowej i przesunięty względem siebie. Zastosowane, poprzeczne do osi trzpienia, wypusty i osadzone na nich poprzeczne żebra umożliwiają wymieszanie gruntu z materiałem stabilizującym wzdłuż osi trzonu, oraz w kierunku, prostopadłym do tej osi, czyli w całej cylindrycznej bryle gruntu.

W publikacji Michała Topolnickiego, zamieszczonej w czasopiśmie „Inżynieria Morska i Geotechnika” nr 6 z 2003 r. opisane jest japońskie rozwiązanie urządzenia do mieszania wgłębnego gruntu, zawierające dwa sąsiadujące ze sobą mieszadła o podwójnych głowicach, w których belki wewnętrzne obracają się w przeciwną stronę niż pałąkowe ramy zewnętrzne.

Przy stosowaniu mieszadeł pojedynczych pojawia się problem powstawania tzw. korka, który tworzy się w gruntach spoistych lub nawet piaszczysto-spoistych. Zjawisko to polega na tworzeniu się warstwy poślizgowej między bryłą gruntu, która przylega bezpośrednio do elementów mieszadła, a gruntem leżącym poza strefą zasięgu mieszadła. Prowadzi to do wtłaczania zawiesiny w grunt, w sposób wymykający się spod kontroli, co jest powodem niewłaściwego wymieszania cementogruntu. Ograniczenie tego efektu możliwe jest przy stosowaniu zespołu mieszadeł, których elementy zazębiają się w trakcie pracy. Stosowanie mieszadeł złożonych z kilku niezależnie działających elementów wymaga jednak użycia maszyn o bardzo dużych rozmiarach i dużych mocach. Nie zawsze jest możliwe wprowadzenie takich maszyn na tereny przeznaczone do wzmacniania podłoża, bowiem są to tereny o słabej nośności. Ponadto, z uwagi na efektywność zabiegów wzmacniania podłoża, projektanci często przewidują wykonywanie pojedynczych kolumn wzmacniających grunt w założonej siatce rozstawu, co eliminuje możliwość zastosowania zespołu kolumn wzajemnie się przenikających.

Urządzenie do mieszania gruntu z materiałem spajającym według wynalazku rozwiązuje problem techniczny, związany z powstawaniem korka gruntowego i trudnością kontroli nad wtłaczaniem w grunt materiału wiążącego przy wykonywaniu pojedynczych kolumn jednym mieszadłem.

Urządzenie według wynalazku, zawierające przeciwbieżne mieszadła, zamocowane do dwóch osadzonych współosiowo rur połączonych z maszyną bazową posiada sferyczne mieszadło zewnętrzne i poruszające się wewnątrz niego przeciwbieżne, pulsacyjne mieszadło wewnętrzne. Mieszadło sferyczne składa się z rury zewnętrznej i osadzonej tulei na rurze wewnętrznej. Rura zewnętrzna i tuleja połączone są co najmniej, dwoma elementami sferycznymi w kształcie profilu, na przykład płaskownika, uformowanego jako wycinek linii śrubowej.

W jednym wariancie wykonania każdy z elementów sferycznych zamocowany jest do poprzeczek, obróconych względem siebie kątowo, korzystnie o 90°.

PL 219 705 B1

W drugim wariancie element sferyczny jest zamocowany górnym końcem do rury zewnętrznej a dolnym do tulei, przy czym miejsca zamocowania każdego z elementów przesunięte są względem siebie kątowo, korzystniej o kąt 90°.

Mieszadło wewnętrzne składa się z rury wewnętrznej i zamocowanych do niej poprzeczek oraz startera, tworzącego końcówkę rury. Poprzeczka górna usytuowana jest wewnątrz mieszadła zewnętrznego a dolna wyposażona jest w dysze doprowadzające materiał wiążący do gruntu. Poprzeczka górna mieszadła wewnętrznego porusza się ruchem obrotowym i posuwisto-zwrotnym wewnątrz mieszadła zewnętrznego.

Ruch posuwisto-zwrotny mieszadła wewnętrznego realizowany jest poprzez działanie siłowników pomiędzy stołami maszyny bazowej.

Powierzchnie elementów sferycznych i poprzeczek mają nakładki z materiału trudnościeralnego.

Rozwiązanie według wynalazku eliminuje problem tworzenia się korka dzięki wykonaniu mieszadła o łapach poruszających się w przeciwbieżnych kierunkach obrotu. Napęd tak skonstruowanego mieszadła przekazywany jest ze specjalnej podwójnej głowicy wiertniczej o napędzie hydraulicznym za pomocą dwóch przewodów rurowych, umieszczonych współosiowo, posiadających ułożyskowanie umożliwiające wzajemne obracanie się w przeciwnych kierunkach. Ponadto możliwe jest przesuwanie się przewodów względem siebie wzdłuż wspólnej osi obrotu o kilkadziesiąt centymetrów, co umożliwia lepsze wymieszanie gruntu z materiałem wiążącym i odblokowywanie narzędzia w przypadku zablokowania go przez element przeszkody, znajdującej się w gruncie, np. kamienia lub kawałka drewna.

Moc maszyny bazowej, oraz jej gabaryty, nie muszą być większe w przypadku zastosowania mieszadła przeciwbieżnego w stosunku do stosowania narzędzia klasycznego - pojedynczego mieszadła o tej samej średnicy roboczej. Największe, bowiem, obciążenia dla maszyny bazowej przypadają na tzw. pierwszy przelot roboczy, w trakcie którego mieszadło zazębia się w nienaruszoną jeszcze strukturę gruntu. Na tym etapie wszystkie łapy mieszadła przeciwbieżnego mogą pracować współbieżnie, mając krawędzie natarcia skierowane w jedną stronę. W przypadku narzędzia klasycznego część łap ma stały kąt natarcia i są ustawione w kierunku przeciwnym do łap usytuowanych na sąsiednim poziomie. W wyniku tego w trakcie każdego przelotu, w tym i pierwszego, niektóre łapy będą wspomagać wwiercanie się narzędzia do gruntu, a inne będą temu przeciwdziałać, stawiając zwiększony opór przy wierceniu. W mieszadle podwójnym - przeciwbieżnym, według wynalazku, poprzez zmianę kierunku obrotu można spowodować sytuację, w której łapy usytuowane na sąsiednich poziomach mogą dowolnie zmieniać konfigurację ustawienia krawędzi natarcia i krawędzi spływu. Przy zastosowaniu mieszadła tradycyjnego maksymalny moment obrotowy głowicy wiertniczej wykorzystywany jest tylko w trakcie pierwszego przelotu technologicznego, później efektywność urządzenia maleje, a w przypadku tworzenia się korka spada wielokrotnie. Stosując mieszadło przeciwbieżne można wykorzystywać urządzenie efektywnie od pierwszego do ostatniego przelotu.

Rozwiązanie według wynalazku jest przedstawione w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok urządzenia z elementami sferycznymi zamocowanymi do poprzeczek, fig. 2 - przekrój poprzeczny z widokiem na zamocowanie elementów sferycznych, fig. 3 - widok mieszadeł w skrajnym górnym położeniu, fig. 4 - widok mieszadeł w skrajnym dolnym położeniu, fig. 5 widok urządzenia z mieszadłem sferycznym zamocowanym do rury zewnętrznej i tulei, fig. 6 - przekrój podłużny z widokiem zamocowania elementów mieszadła, fig. 7 - widok mieszadła, przedstawionego na fig. 6, w górnym skrajnym położeniu, fig. 8 - widok mieszadła, przedstawionego na fig. 6, w dolnym skrajnym położeniu.

Urządzenie według wynalazku składa się z dwóch rur 1 i 2 osadzonych współosiowo i zamocowanych w stołach obrotowych 11 i 12 maszyny bazowej. Rura wewnętrzna 2 obraca się wewnątrz rury zewnętrznej 1. Rura wewnętrzna ma dwie poprzeczki, przy czym poprzeczka górna 4 jest krótsza od poprzeczki dolnej 7. Pomiędzy rurami 1 i 2, na dolnym końcu rury zewnętrznej 1, znajdują się pierścienie uszczelniająco-zgarniające. Rura wewnętrzna 2 zakończona jest starterem 14 w kształcie świdra spiralnego. Elementy 2, 4, 7 i 14 tworzą mieszadło wewnętrzne. Na rurze wewnętrznej 2, pomiędzy poprzeczkami 4 i 7 osadzona jest, za pośrednictwem łożyska ślizgowego, tuleja 8 z wewnętrznymi pierścieniami uszczelniająco-zgarniającymi, do której przymocowana jest poprzeczka dolna 5 mieszadła zewnętrznego. Na dolnym końcu rury zewnętrznej 1 osadzona jest poprzeczka górna 3. Obie poprzeczki są obrócone względem siebie o 90° oraz połączone są elementami sferycznymi 6, wycinającymi, w trakcie obrotu w gruncie, powierzchnię walcową. Elementy 1, 3, 5, 6 i 8 tworzą mieszadło zewnętrzne. Poprzeczki mieszadeł 3, 4, 5, 6 i 7 są zamocowane w pozycji umożliwiającej cięcie gruntu i jego mieszanie w trakcie obrotu rur 1 i 2. Kąt natarcia poprzeczek powinien być taki, aby

PL 219 705 B1 powodował wymuszony przesuw w grunt, pod wpływem momentu obrotowego, mieszadeł. Powierzchnie elementów sferycznych i wszystkich poprzeczek mają nakładki z materiału trudnościeralnego. Mieszadło wewnętrzne jest osadzone w stole obrotowym górnym 12 maszyny bazowej a mieszadło zewnętrzne w stole obrotowym dolnym 11 tej maszyny. Stoły te wprowadzają w ruch obrotowy przeciwbieżny współosiowe rury mieszadeł 1 i 2. Stoły 11 i 12 wyposażone są w siłowniki 13, które w trakcie obrotu rur mieszadeł wymuszają ruch posuwisto-zwrotny stołów 11 i 12 względem siebie. W konsekwencji prowadzi to do zmiany odległości w trakcie obracania pomiędzy poprzeczkami mieszadła zewnętrznego i mieszadła wewnętrznego. W trakcie pracy mieszadeł rurą wewnętrzną 2 tłoczony jest materiał wiążący, np. zawiesina cementowa, który doprowadzany jest do dysz wylotowych 15, usytuowanych w dolnej części poprzeczki 7.

W drugim wariancie wykonania, przedstawionym na fig. 5, 6, 7 i 8, do tulei 8 i dolnego końca rury zewnętrznej 1 przymocowany jest pierścień sferyczny 9, który wycina w gruncie, w trakcie mieszania, przy jednoczesnym ruchu posuwisto-zwrotnym wzdłuż osi mieszadła, powierzchnię cylindryczną. Po obwodzie pierścienia płynnie zmienia się kąt natarcia przy skrawaniu gruntu. Powierzchnie pierścienia 9 i poprzeczek 4 i 7 zawierają nakładki z materiału trudnościeralnego.

Obracający się pierścień sferyczny wycina w gruncie wielokrotne przenikające się powierzchnie sferyczne, walcowe, które zwiększają powierzchnię pobocznicy wykonywanej kolumny, co istotnie poprawia nośność osiową kolumny i korzystnie wpływa na dogęszczenie gruntu obok kolumny oraz wciskanie materiału wiążącego w pory gruntu poza strefą mieszania.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do wrębnego mieszania gruntu, zawierające przeciwbieżne mieszadła zamocowane do dwóch osadzonych współosiowo rur, połączonych z maszyną bazową, znamienne tym, że posiada sferyczne mieszadło zewnętrzne osadzone na rurze (2) przeciwbieżnego mieszadła wewnętrznego, przy czym mieszadło zewnętrzne składa się z rury, zewnętrznej (1) i tulei (8) połączonych, co najmniej, dwoma elementami sferycznymi (6 lub 9).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każdy z końców elementu sferycznego (6) zamocowany jest do poprzeczek (3 i 5), z których górna poprzeczka (3) zamocowana jest do rury zewnętrznej (1) a dolna do tulei (8), przy czym poprzeczki te przesunięte są względem siebie kątowo, korzystnie o kąt 90°.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każdy z elementów sferycznych zamocowany jest górnym końcem do rury zewnętrznej (1) a dolnym do tulei (8), przy czym zamocowane końce przesunięte są względem siebie kątowo, korzystnie o kąt 90°.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 do 3, znamienne tym, że elementy sferyczne uformowane są w kształcie profilu, korzystnie z płaskownika, jako wycinek linii śrubowej.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mieszadło wewnętrzne składa się z rury wewnętrznej (2) i zamocowanych do niej poprzeczek (4 i 7), oraz startera (14), tworzącego końcówkę rury (2), przy czym poprzeczka górna (4) tego mieszadła usytuowana jest wewnątrz mieszadła zewnętrznego.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1 do 5, znamienne tym, że poprzeczka (4) mieszadła wewnętrznego porusza się ruchem obrotowym i posuwisto-zwrotnym wewnątrz mieszadła zewnętrznego.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ruch posuwisto-zwrotny mieszadła wewnętrznego realizowany jest poprzez działanie siłowników (13) pomiędzy stołami (11 i 12) maszyny bazowej.