Устройство фундаментов на просадочных грунтах

§2. Выбор сырьевых материалов для получения фундаментной керамики 
Для получения фундаментной керамики возможно применение 
повсеместно распространенных легкоплавких глин, суглинков, супесей, 
лессов, доменных шлаков, топливных зол и др. отходов промышленности. 
Химический состав сырьевых и строительных материалов приводится в 
таблице 2. Интерес представляет получение фундаментной керамики на 
основе железистых шлаков плавильных заводов: 48,5-53 SiO
2
, 13-16,5 Al
2
O
3
, 
9,5-13 CaO, 1,5-20 MgO, 16,5-20 FeO, 1,5 Na
2
O, 0,06 S и т.д. /17, 52, 98/. 
Из таблиц видно, что окислы сырья фундаментной керамики находятся 
в широком диапазоне химического состава (вес в %): SiO
2
40-65, Al
2
O
3 
5-18, 
CaO 0,5-30, MgO 0,1-12, FeO 2-20, Fe
2
O
3
0,1-1,2, Na
2
O + K
2
O 1-6. 
Для получения керамической сваи в скважину вводят (вес в %): 
глинистый грунт – 50-95 с добавками шлака (или золошлака) – 5-50, песка – 0-
15, плавней и катализаторов – 0,2-5 (содержание компонентов зависит от их 
экономичности). 
Основные требования к сырьевым материалам, которые могут быть 
использованы при изготовлении свай: 
1. 
Химический состав сырьевых материалов должен быть близок 
конечному составу фундаментной керамики. Это позволит сократить до 
минимума количество добавок. 
2. 
Сырьевые материалы должны иметь невысокую температуру 
плавления (порядка 1200ºС) и давать легкоподвижные расплавы. 

---

27 
Фундаментную керамику можно получить по методу катализированной 
кристаллизации из минеральных смесей, где катализатор выступает в роли 
ускорителя процесса образования кристаллов и в роли его участника. 
Из многочисленных добавок (магнезитовой порошок, гематитовая руда, 
плавиковый шпат и др.) наиболее экономичным и удобным катализатором 
является хромовая руда с соединением Cr
2
O
3
от 25 до 45%. Хромовая руда 
может вводится как в грунт в количестве 0,25-3%, так и непосредственно в 
расплав в скважину. 
Для повышения кристаллизационной способности фундаментной 
керамики можно использовать тонко измолотый порошок хромита, 
способствующий получению плотных структур. В процессе плавления хромит 
не растворяется и, следовательно, выполняет при кристаллизации роль 
механической затравки, повышая кристаллизационную способность расплава 
и тем самым улучшая качество материала фундаментной керамики. 
Влияние внутренних и внешних факторов на технологию спекания 
грунтов 
В таблице 3 показано влияние физических и механических свойств 
грунтов на технологию изготовления керамических свай. Из нее видно, что 
знать свойства грунтов необходимо уже на стадии проведения 
геологоразведочных работ на строительной площадке. 
Основными факторами, определяющими физические свойства грунтов 
Спекание грунта в скважине и изготовление керамических свай 
При изготовлении керамических свай скважина служит как рабочим 
пространством, так и формой (“опалубка” – стенки скважины), изготовляемой 
сваи. При этом вначале сгорание топлива происходит в “холодном” и влажном 
пространстве, а в дальнейшем в нагретом до высоких температур (1400-
1700ºС) пространстве, которое по ходу засыпки и спекания грунта постепенно 
уменьшается. Поэтому для спекания и сплавления засыпаемого грунта 
чрезвычайно важна организация сжигания топлива с максимальной 
температурой на заданной глубине скважины. 

---

28 
Для организации процесса сгорания необходимо обеспечить однородное 
распыление и хорошее смесеобразование, т.е. равномерное распределение 
частиц топлива в воздушной среде. Хорошее перемешивание с воздухом 
равномерно и тонкораспыленного топлива увеличивает активную 
реагирующую поверхность, ускоряет нагрев и испарение частиц топлива и 
обуславливает интенсивное и полное сжигание топлива в небольшом 
ограниченном топочном пространстве – скважине. 
Интенсивное смесеобразование обеспечивает выход с большой 
скоростью завихренных струй смеси через вихритель, причем целесообразно 
пропускать воздух и топливо с максимально возможной скоростью. 
Турбулентное, сильно завихренное движение струек продолжается за 
форсункой в скважине, что способствует тщательному образованию 
(смешиванию) дисперсной смеси, вследствие чего возрастает вероятность 
встречи частиц и кислорода воздуха. Последнее обеспечивает полное 
сжигание топлива в скважине. 
а) 
Розжиг и прогрев скважины 
Одним из основных этапов, обеспечивающих сгорание топлива, 
спекание, сплавление грунтов является как первоначальный розжиг скважины, 
так и дополнительный, т.е. после прекращения процессов сгорания топлива по 
техническим и другим причинам. 
Перед розжигом скважины-топки должна быть обеспечена полная 
исправность оборудования всего “агрегата”. Для этого мастер смены 
совместно с оператором проверяли состояние соединения шлангов, горелки, 
бункера, тяги, узлов подачи топлива, грунта, воздуха, регулирующих 
приспособлений, предохранительных клапанов, ограждений, контрольно-
измерительных приборов, заземлений, освещения, противопожарных средств 
и пр. 
Розжиг топлива в скважине производится факелом из смоченной 
топливом палки или мешковины, электрозапальными устройствами (свечи 
искровые и силитовые стержни) или реактивной горелкой (рис. 28) 

---

29 
Розжиг скважины факелом и запальником производится в следующей 
последовательности: у устья скважины под пригруз направляется факел через 
“окно” на пригрузе или подвешивается запальник. 
В скважину подается минимальное количество воздуха и горючего при 
давлении до 1 ати. 
Смесь топлива направляется непосредственно на факел или запальник. 
Происходит воспламенение топлива. По мере разогрева устья скважины и 
трубы увеличивают количество смеси топлива. При этом качество смеси 
топлива играет важную роль. 
Шпуры во время розжига открыты полностью. После того, как оператор 
обеспечит устойчивый режим горения факела у устья скважины, он медленно 
опускает горелку в скважину и увеличивает количество топливо0-воздушной 
смеси. В скважине повышается температура. Сушится забой и стенки 
скважины. 
При розжиге скважины реактивной горелкой производится ее пуск и 
устанавливается стабильный (без пульсации и дыма) режим горения топлива 
в камере горения. 
У устья скважины создается зона горения топливной смеси. Распыление 
и сжигание топлива в зоне горения производится удлиненной горелкой. 
Устанавливается устойчивый режим горения топлива в скважине, после чего 
прекращается подача топлива к реактивной горелке. 
При сжигании топлива может иметь место накопление несгоревших 
газов и взрыв в скважине. 
Для недопущения взрыва необходимо устраивать предохранительный 
клапан и сигнализатор. Кроме того, отвод продуктов сгорания из скважины 
производится через вентиляционные шпуры и клапан. 
Розжиг считается законченным, если в забое скважины создана 
стабильная зона горения топлива на высоте около 600-900 мм. 
Продолжительность розжига должна быть в пределах 3-5 минут. 

---

30 
После розжига производится прогрев массива грунта забоя скважины. 
Если этот процесс опустить, то есть сразу же после розжига начинать засыпку 
грунта и его спекание, то испарившаяся влага из массива грунта сильно влияет 
на качество работ (снижается температура, образуются трещины в расплаве и 
др.). 
Известно, что после бурения в забое скважины остается разрыхленный 
грунт на высоте 2-6 сантиметров, поэтому необходимо тщательно расплавить 
этот грунт. 
Продолжительность прогрева забоя скважины зависит главным образом 
от состава и влажности массива грунта и составляет, по опытам автора, в 
среднем 8-12 минут. Точное время прогрева следует определять по данным 
обработки пробных скважин. 
Прогрев считается законченным, если поверхность забоя скважины 
полностью заполнится (жидким) расплавом грунта, оставшегося после 
бурения. 
б) 
Режим горения топлива в скважине 
Технологические условия процесса спекания грунта предъявляют 
определенные требования к организации процесса сгорания топлива, 
поскольку собственно спекание грунта происходит в зоне горения топлива. 
Условимся, что под зоной горения подразумевается участок скважины-
топки, в котором температура факела изменяется в пределах 1300-1700ºС и в 
основном протекают процессы спекания и сплавления засыпаемого грунта. 
Автору пришлось исследовать и решить задачу ориентации активной 
зоны горения в скважине, по отношению к устью скважины, по отношению к 
устью скважины, забою и поверхностью засыпаемого грунта (рис. 29), так как 
в богатой литературе по сжиганию топлива постановка такой задачи не 
встречалась /19, 40, 62, 111/. 
В процессе этой работы установлено, что сжигать топлива наиболее 
целесообразно на дальней-длинной (вытянутой) рис. 29-9 и дальней-короткой 

---

31 
зонах рис. 29-6. Совершенно недопустимо и неэффективно сжигание в области 
зон близких к устью скважины (рис. 29. а и б). 
При работе на дальней-длинной зоне горения можно увеличивать 
тепловую мощность скважины-топки и создавать предпосылки для 
интенсивного горения, спекания и сплавления засыпаемого грунта и тем 
самым ускорять изготовление сваи. Стенки скважины также интенсивно 
спекаются. Однако при длинном факеле в верхней части скважины стенка 
оплавляется, расплав стекает вниз до забоя. 
Из-за высокой вязкости расплава на стенках образуются привары-
кольца. Они сужают диаметр скважины на 80-90 мм и ухудшают контроль за 
изготовлением сваи. Кроме того, нагревается пригруз. Это, во-первых, 
ухудшает условия работы оператора-спекальщика, а во-вторых, ведет к 
образованию трещин в пригрузе, который становится негодным для 
дальнейшего использования. 
При работе на короткой зоне горения (в забое скважины) тепловая 
мощность ограничивается, но зато всегда имеется высокая концентрация тепла 
в зоне горения и спекания. По нашим опытам дальняя-короткая зона горения 
поддерживалась на высоте 400-800 мм от забоя скважины. Именно в этой зоне 
за счет концентрации теплового потока получалась максимальная температура 
(до 1720ºС) в скважине. 
Применение удлиненной форсунки длиной 100-300 см создает 
принципиально новый технологический прием сжигания топлива в скважине 
при избыточном давлении. 
Сущность нового приема заключается в том, что сгорание жидкого 
топлива производится на заданной глубине скважины и горение топлива 
сводится к однофазному процессу, минуя промежуточные стадии (подогрев, 
испарение, частичное разложение). 
Удлиненную форсунку для скважин глубиной 2-5 м и диаметром 0,5 м 
(длина форсунки 1000-3000 мм) опускают в скважину на заданную глубину и 
закрепляют на пригрузе. В скважине устанавливается заданный режим 

---

32 
сжигания топлива. В процессе нагревания стенок скважины нагревается и 
труба форсунки до 200-400ºС. смесь воздуха и топлива, проходя по нагретой 
трубе, нагревается и превращается в газообразное состояние. Из сопла 
выходит поток газообразного горючего, которым легко управлять. 
Таким 
образом, 
без 
дополнительных 
затрат 
производится 
предварительная газификация жидкого топлива. Она позволят получить 
высокое тепловое напряжение и равномерное пламя. 
В процессе изготовления сваи производится визуальное наблюдение 
(через смотровой глазок) за поддерживанием максимальной температуры в 
зоне спекания и сплавления грунта. 
Нормальная работа аппаратуры характеризуется бесцветным и 
бездымным пламенем в скважине. Скважина в зоне горения должна быть 
нагрета до ярко-белого цвета. Потемнение скважины в нижней части – признак 
недостаточного прогрева. Это может произойти, в основном, из-за трех 
причин: недостаточности давления, непроизводительной утечки горючих 
газов, неудовлетворительной герметизации верхней части скважины. 
Низкая температура пламени получается при подаче бедной смеси или 
при низкокалорийном горючем. В обоих случаях нужно обогащать смесь, 
увеличивая подачу горючего или уменьшая подачу воздуха или делать и то и 
другое, работая вентилями на форсунке. 
Недостаточная герметизация устья скважины может произойти из-за 
того, что диаметр скважины больше диаметра кондуктора и затрубное 
пространство, 
образованное 
стенкой 
скважины 
и 
кондуктором, 
неудовлетворительно загерметизировано. 
При неудовлетворительной герметизации верхней части скважины в ней 
создается недостаточное давление со всеми вытекающими отсюда 
последствиями. 
Улучшения герметизации можно достигнуть только, демонтировав 
аппаратуру и вновь собрав ее. 

---

33 
1) 
Более подробное освещение вопроса газификации жидкого 
топлива в тему диссертации не выходит. 
Таким образом, мероприятия, обеспечивающие устойчивое интенсивное 
сгорание, сводятся к следующему: хорошая подготовка топлива; подача 
воздуха к устью факела в количестве, достаточном для сгорания, создание 
турбулентного потока горючей смеси, обеспечивающие оптимальные условия 
теплообмена; постоянный контроль и поддержание давления и температуры в 
скважине. 
В целях интенсификации процесса спекания грунта, повышения 
тепловой 
мощности 
и 
производительности 
скважины-печи 
в 
производственных условиях применены и проверены автором реактивные 
горелки. 
Применение реактивной горелки позволяет совмещать процессы 
розжига и прогрева скважины. Пуск реактивной горелки обязательно 
производится вне скважины вплоть до установления стабильного режима в 
камере сгорания. При этом важным фактором является обеспечение “чистого” 
фильтрования топлива на магистрали и в распылителе. 
После пуска реактивной горелки ее опускают в скважину на требуемую 
глубину. Если в скважине имеется вода, то рекомендуется горелку опускать 
непосредственно в воду и производить ее испарение. 
После сушки начинается прогрев забоя скважины. 
Применение реактивной горелки требует высокого мастерства 
оператора, чтобы, во-первых, обеспечить высокую температуру в скважине и, 
во-вторых, предохранить горелку от нагревания и плавления. 
Большую перспективу имеет применение акустических форсунок. 
Радиальные и продольные акустические колебания создаются струей 
продуктов сгорания из камеры горения горелки. В настоящее время 
акустические горелки разрабатываются в отраслевой лаборатории 
инженерного мерзлотоведения МИСИ им. В.В. Куйбышева с участием автора. 
в) 
Засыпка грунта в скважину 

---

34 
Подготовка, транспортирование и засыпка грунта в скважину являются 
весьма ответственными процессами при изготовлении керамических свай. 
Для доставки к рабочим местам бункера с подготовленным грунтом 
можно рекомендовать транспортные средства малой грузоподъемности, в 
частности, автокары и механизированные тележки. 
Грунт из склада хранения (или карьера) транспортируется к месту 
подготовки автомобилями-самосвалами в бадьях и др. 
Для засыпки грунта в скважину рекомендуется принимать барабанный, 
винтовой или кареточный качающийся питатель (рис. 30). 
Автором предложен бункер-питатель (рис. 30-3). Из бункера грунт 
подается в скважину струей воздуха при помощи соплового устройства с 
распылителями. 
Равномерное распределение грунта по скважине достигается 
изменением направления и мощности воздушной струи, а также положением 
клапана 3. Равномерное распределение грунта по длине бункера регулируется 
с помощью клапана 3 или задвижки 6. Задвижкой бункера 6 грунт 
передвигается к направляющей трубе и сопловому аппарату 3. Воздух к 
сопловому аппарату подводится от компрессора с напором более 2 ати. Расход 
его на 1 кг грунта составляет около 0,2-0,4 м
3
. В направляющей трубе во время 
работы может образоваться “пробка” грунта, которая отрывается с помощью 
клапана. Важно отметить, что этот же воздух из бункера-питателя поступает в 
скважину в качестве вторичного воздуха для сжигания топлива. 
При усовершенствовании винтового питателя в скважину можно 
засыпать также влажный грунт (8-10%). 
Грунт подается в скважину порционно или непрерывно. С 
технологической и теплотехнической стороны предпочтительнее непрерывная 
подача грунта, но при непрерывной подаче необходимо особенно тщательно 
контролировать количество грунта и температуру в скважине во времени. 
г) 
Повышение температуры горения топлива и газового потока в 
скважине 

---

35 
Повышение температуры в скважине-топке приводит к ускорению 
процессов спекания грунта и образованию керамических свай. 
Опыты показали, что с возрастанием температуры спекания грунта 
увеличивается количество жидкой фазы и понижается ее вязкость. Жидкий 
расплав быстро заполняет поры грунта. 
Следует отметить, что верхний предел температуры (Т
скв.
) в скважине в 
зоне спекания и плавления зависит также от теплотворной способности 
топлива. Образование большого количества жидкой фазы (более 65%) не 
нарушает технологический процесс спекания и сплавления грунта и 
образования керамических свай. На температуру горения топлива оказывает 
влияние ряд факторов. 
a. 
Известно, что чем выше оптимальное значение коэффициента 
избытка воздуха, тем ниже при прочих равных условиях температура факела. 
Для интенсификации процессов необходимо строго поддерживать в 
скважине-топке оптимальное значение α: при применении природного газа 
1,05÷1,08 и при жидком топливе 1,1÷1,15. Однако, в действительности 
получаем α = 1,15 + 1,25. Контроль за избытком воздуха осуществляется 
обычно по химическому составу отходящих газов. Для поддержания α на 
заданном уровне необходимо в скважине установить газоанализаторы на 
кислород, закись азота и водород. Еще больший эффект дает автоматическое 
блокирование количества поступающего в скважину топлива и воздуха при 
постоянном заданном значении α. 
b. 
На температуру горения топлива большое влияние оказывает 
температура воздуха, поступающего для осуществления процесса горения 
топлива. 
Графически 
зависимость 
теоретической 
температуры 
Т
ф
от 
коэффициента избытка воздуха α и температуры воздуха t
в
показана на рис. 32 
и 33, из которого видно, что на каждые 100º увеличения температуры воздуха 
теоретическая температура факела возрастает на 50-70º. Поэтому очень важно 
использовать отходящие из скважины газы для подогрева воздуха. 

---

36 
Существуют определенные физические пределы возможности 
повышения температуры горения топлива и воздуха, не обогащенного 
искусственно кислородом /47/. 
Г.Ф. Кнорре дает следующую схему влияния температурного уровня на 
процесс горения (рис. 31). 
В первой области при температурах в топке, не превышающих 900-
1000ºС, т.е. в низкотемпературной области горения будет обязательно 
наблюдаться недожог, даже при идеальном смешении топлива с воздухом, а 
при снижении температуры горения химический недожог будет возрастать. 
Во второй – среднетемпературной области, в пределах от 1000 до 1800-
2000ºС полнота сгорания топлива будет определяться только качеством 
смешения, а процесс горения топлива без химического недожога вполне 
возможен. Это положение справедливо как для процессов горения при 
введении в топку готовой горючей смеси, так и при смешении топлива с 
воздухом в самой топке. 
Наблюдаемый иногда химический недожог топлива объясняется 
главным образом, либо уменьшением коэффициента избытка воздуха ниже 
допустимого предела, либо плохим смесеобразованием. 
В третьей – высокотемпературной области, когда температура горения 
достигает 2000ºС и выше, процесс горения топлива сопровождается 
химическим недожогом, который с ростом температуры увеличивается (так 
как горение протекает с поглощением тепла). 
Важная характеристика процесса горения в скважине – теоретическая 
температура Т
теор.
Горения топлива. Величину теоретической температуры 
горения можно определить по формуле: 
Т
теор.
=
𝑄
𝑝
𝐻
+𝑄
в
∑ 𝑉∙𝐶
𝑝
, 
(22) 
где: 
𝑄
𝑝
𝐻
– низшая теплотворная способность топлива, ккал; 
𝑄
в
– теплосодержание воздуха, нагретого за счет тепла отходящих газов, 
ккал; 

---

37 
∑
𝑉 – сумма продуктов сгорания топлива, кг; 
𝐶
𝑝
– средняя теплоемкость продуктов сгорания, ккал/кг ∙ град; 
Известно, что время сгорания данного вида топлива полностью 
определяется временем смешения его с окислителем. Следовательно, 
решающее значение в этом случае будут иметь аэродинамические факторы, 
определяющие, как известно, интенсивность смесеобразования. 
Высокого качества смесеобразования топлива с окислителем достигают, 
применяя соответствующие форсунки и горелки. 
Из изложенного можно сделать следующие выводы: 
1 
Действительная температура горения зависит теоретической 
температуры и значение ее будем тем выше при прочих равных условиях, чем 
выше теоретическая температура горения топлива. 
2 
Подогрев воздуха, идущего на горение, повышает теоретическую 
и действительную температуру. 
3 
При высоких температурах в скважине порядка 1700ºС и более, 
когда образуется много жидкой фазы (около 60%), технология спекания 
грунта не нарушается.