способ изготовления набивной сваи

Формула изобретения

1. Способ изготовления набивной сваи, включающий образование скважины в грунте за счет уплотнения грунта приданным базовой установке инструментом с заостренным концевым участком, подачу в скважину с поверхности грунта материала для заполнения скважины, а также последующее расширение скважины за счет передачи воздействий инструмента на грунт через слой материала, заполняющего скважину во время повторяющихся циклов погружений и извлечений инструмента в пределах скважины, отличающийся тем, что силовые воздействия на грунт непосредственно и через материал, заполняющий скважину, осуществляют инструментом, имеющим на нижнем конце участок с винтовыми выступами, например, трапецеидальной формы сечения, которому сообщают вращательные и осевые поступательные воздействия в различных сочетаниях по величине, направлению и скорости, назначаемых в зависимости от свойств грунтов, соотношения диаметров винтового участка инструмента и выполняемой сваи, геометрических параметров винтовых выступов, возможностей базовой установки в части воздействия на инструмент, требованиям по производительности и энергозатратам, при этом характеристики заполняющего скважину материала по жесткости на сжатие при погружении инструмента и по проходимости его в создаваемых участком инструмента с винтовыми выступами каналах корректируют по количеству поступления материала в скважину с поверхности грунта при работе инструмента, а размеры сваи на каждом уровне работы винтового участка определяют с учетом общего количества материала, поступившего в устье скважины за время его работы на этом уровне.

2. Способ изготовления набивной сваи по п.1, отличающийся тем, что характеристики материала для заполнения скважины корректируют в зависимости от свойств грунта, длины участка инструмента с винтовыми выступами и требуемой степени расширения скважины путем соответствующего изменения гранулометрического состава твердых частиц для получения необходимой жесткости на сжатие, а также изменения количества жидкости, вяжущего и пластификатора для получения необходимой подвижности с учетом будущей прочности тела сваи.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к области строительства, предназначен для выполнения в различных грунтах без выноса их на поверхность и без динамического воздействия на них железобетонных и бетонных свай, анкерных устройств, а также пригоден для глубинного уплотнения грунтов, в том числе и сжимаемой зоны под существующими фундаментами, введением в эту зону несвязного материала.

Наиболее близким к предлагаемому способу строительства сваи является способ формирования набивной сваи по а.с. SU 1821530 A1 от 15.06.1993, при котором двусторонне заостренный формующий элемент, связанный через штангу с базовой установкой, многократно погружают в грунт и извлекают осевыми ударными или вдавливающими воздействиями базовой установки одновременно с подачей в скважину жесткого бетона через устье скважины.

В результате первоначальную скважину в грунте расширяют за счет воздействия инструмента на грунт через слой заполняющего скважину бетона.

Недостатком данного способа является то, что исключается переток бетона под действием гравитационных сил из зоны над формующим элементом в зону скважины под ним в процессе извлечения его из скважины. При погружении формующего элемента в слабые водонасыщенные грунты происходит сужение скважины за формующим элементом, а жесткий бетон может зависать в скважине и не создавать необходимого противодавления на стенки скважины.

В результате скважина плохо заполняется бетоном, особенно при малых зазорах между стволом инструмента и стенками скважины. При извлечении формующего элемента образуется вакуум под ним, также приводящий к сужению скважины.

Целью изобретения является возможность в результате использования инструмента с рабочим винтовым участком для введения в грунт несвязного материала без выноса грунта на поверхность и без динамического воздействия на грунт выполнять бетонные, железобетонные и анкерные сваи в грунте с диаметром, превышающим диаметр инструмента, а также выполнять глубинное уплотнение грунтов, в том числе и уплотнение сжимаемой зоны под существующими фундаментами.

Для этого в способе изготовления набивной сваи, включающем образование скважины в грунте за счет уплотнения грунта приданным базовой установке инструментом с заостренным концевым участком, подачу в скважину с поверхности грунта материала для заполнения скважины, а также последующее расширение скважины за счет передачи воздействий инструмента на грунт через слой материала, заполняющего скважину во время повторяющихся циклов погружений и извлечений инструмента в пределах скважины, силовые воздействия на грунт непосредственно и через материал, заполняющий скважину, осуществляют инструментом, имеющим на нижнем конце участок с винтовыми выступами, например, трапецеидальной формы сечения, которому сообщают вращательные и осевые поступательные воздействия в различных сочетаниях по величине, направлению и скорости, назначаемых в зависимости от свойств грунтов, соотношения диаметров винтового участка инструмента и выполняемой сваи, геометрических параметров винтовых выступов, возможностей базовой установки в части воздействия на инструмент, требованиям по производительности и энергозатратам, при этом характеристики заполняющего скважину материала по жесткости на сжатие при погружении инструмента и по проходимости его в создаваемых участком инструмента с винтовыми выступами каналах корректируют по количеству поступления материала в скважину с поверхности грунта при работе инструмента, а размеры сваи на каждом уровне работы винтового участка определяют с учетом общего количества материала, поступившего в устье скважины за время его работы на этом уровне.

При этом характеристики материала для заполнения скважины могут корректировать в зависимости от свойств грунта, длины участка инструмента с винтовыми выступами и требуемой степени расширения скважины путем соответствующего изменения гранулометрического состава твердых частиц для получения необходимой жесткости на сжатие, а также изменения количества жидкости, вяжущего и пластификатора для получения необходимой подвижности с учетом будущей прочности тела сваи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - 7 представлены некоторые примеры использования винтонабивной технологии использования винтового инструмента для выполнения набивных свай.

На фиг. 1 и 2 показаны соответственно моменты погружения и извлечения инструмента в первом цикле.

На фиг. 3 и 4 - соответственно моменты погружения и извлечения во втором и последующих циклах.

На фиг. 5 - готовая железобетонная свая с установленным арматурным каркасом и расширенной пятой.

На фиг. 6 - уплотнение грунта под фундаментом.

На фиг. 7 - анкерная свая.

Способ осуществляется следующим образом:

Винтовой участок 1 инструмента 2 погружают в грунт завинчиванием, т.е. совместными действиями крутящего усилия 3 и поступательного усилия 4, на полную высоту винтового участка 1, а затем извлекают вывинчиванием, т.е. усилиями 5 и 6, с величиной осевого перемещения на один оборот инструмента, меньшей, чем шаг t винтовых выступов 7.

Это позволит винтовым выступам 7 сместить сначала грунт, расположенный между выступами 7, в зону 8 скважины с уплотнением, а затем и материал 9 по образованной винтовыми выступами цилиндрической скважине и также с уплотнением.

Такая последовательность действий позволяет материалу 9 (несвязному, разнозернистому, например, водонасыщенному до текучего состояния) очистить винтовой участок 1 от налипшего на него глинистого грунта и проникнуть затем в освобождаемое винтовым участком пространство под ним. При этом допустимо частичное смешивание грунта с материалом 9.

При повторном погружении инструмента завинчиванием (действиями усилий 3 и 4) давлением винтового участка 1 через слой материала 9, ранее заполнившего эту зону, снова расширяют скважину в грунте до положения 10, затем вводят винтовой участок 1 через зону 8 в грунт естественного сложения. Извлечением инструмента по аналогии с первым циклом поднимают его до исходного положения для начала третьего цикла.

Уровень крайнего верхнего положения острия винтового участка для каждого цикла определяют из условия необходимости дальнейшего расширения скважины, расположенной ниже этого уровня.

Поступление в скважину материала 9 менее расчетного количества при каждом цикле, например, в результате неудачно выбранного диапазона перемещений инструмента снижает производительность, т.к. увеличивает количество циклов.

Аналогичными цикличными действиями, например, в устойчивых грунтах, сразу в пределах длины секции штанги, или всей длины сваи, или в пределах нескольких диаметров сваи достигают проектной величины расширения скважины на данном участке, определяемой количеством материала 9, поступившим за этот период в скважину через ее устье с учетом степени уплотнения.

В результате получают скважину одинакового сечения по всей глубине или, например, уширение 11 в выбранной зоне (у нижнего конца сваи или в слабой прослойке грунта).

Однако, чем больше диапазон перемещений, тем труднее получить уверенность в достаточности уширения скважины по всей длине диапазона.

Для стекания материала 9 вниз под действием преимущественно гравитационных сил, а также для создания давления на стенки скважины, препятствующего сужению скважины в слабых грунтах, необходима соответствующая подвижность материала 9.

Способы изменения подвижности бетонных смесей и растворов хорошо изучены и изложены в нормативных материалах по применению их в строительстве. Подвижность материала 9 тем выше, чем больше размер частиц, чем больше содержание жидкости в материале, чем больше в составе пластифицирующих добавок и чем больше зазор, по которому должен проходить материал.

Подвижность материала выше также в зоне примыкания к движущимся предметам, например в непосредственной близости к инструменту 1. Подвижность бетона, раствора, смеси песка с водой снижается при контакте со стенками скважины в ненасыщенных водой грунтах в результате уменьшения содержания жидкости в материале 9 и увеличения капиллярных сил, сжимающих твердые частицы.

Жесткость материала 9 на сжатие необходима для снижения величины смещения материала вверх за зону давления на него винтового участка, чтобы обеспечить более лучшие условия передачи давления на стенки скважины и продвижения материала 9 вслед за винтовым участком 1. Жесткость материала 9 тем выше, чем больше размеры твердых частиц, чем плотнее уложены они в сжимаемом объеме, чем меньше пластифицирующих добавок и чем больше сопротивление смещению материала по скважине вверх, т.е. длиннее винтовой участок. Более крупные частицы материала 9 быстрее оседают вниз при полном насыщении его жидкостью.

Такие факторы, как влажность грунта, величина зазоров, по которым проходит материал 9, изменяются в широких пределах в процессе выполнения практически каждой сваи, поэтому критерием правильности подбора характеристик материала 9 является соответствие количества уходящего в скважину материала проектным значениям размеров сваи для каждого формируемого участка. Изменением содержания жидкости, гранулометрического состава, количества пластификатора, числа циклов достигают в конечном счете необходимых значений поступления материала 9 в скважину. В отдельных случаях допустимы полное извлечение инструмента из скважины и радикальное изменение состава материала, а также смена винтового участка. Это в конечном счете не помешает получению надежного качества заполнения скважины в каждом конкретном случае.

Поступление сверху новых порций чистого материала 9 и движение его вниз преимущественно по зоне контакта с инструментом, а также оттеснение к стенкам скважины более ранних порций, возможно загрязненных грунтом в результате очищения инструмента от налипшего на него глинистого грунта, обеспечивают чистоту материала 9 в центральной зоне сечения сваи. Поэтому арматура 12, например, вдавленная усилием 13 в центральную зону заполненной скважины, будет защищена от коррозии.

В винтовом участке 1, например, с трапецеидальной формой сечения винтовых выступов давление на грунт и материал в разных точках винтовых выступов различно в зависимости от величины осевого перемещения, приходящегося на один оборот.

Так, например, при извлечении винтового участка вывинчиванием с отставанием осевого перемещения на один оборот по сравнению с шагом t винтовой линии винтовой участок работает как шнек, грунт и материал смещает вниз и частично задавливает в стенки скважины передней поверхностью винтовых выступов.

В то же время у задней поверхности винтовых выступов в скважине образуется винтовой канал, по которому материал 9 для заполнения скважины перетекает сверху вниз по зоне действия винтового участка 1 инструмента 2.

Допустимы и другие сочетания скоростей и направлений вращательных и осевых движений инструмента, имеющие свои положительные и отрицательные особенности. Например, при переходе от погружения ввинчиванием действием усилий 3 и 4 к извлечению из грунта без изменения направления вращения, т.е. действием усилий 3 и 6, винтовые выступы 7 вдавливают грунт в стенки скважины задними гранями. При этом скважине придают форму цилиндра на всем пути извлечения винтового участка. Это увеличивает объем уплотнения окружающего грунта за один цикл и увеличивает производительность установки.

Одностороннее вращение на всех этапах работы позволяет использовать широко применяемые буровые штанги с резьбовыми замковыми соединениями секций и свободным внутренним каналом для дополнительного заполнения скважины раствором при извлечении.

Однако на первых циклах в глинистых грунтах при извлечениях инструмента возможны затруднения с перетоком материала 9 сверху вниз через зону действия винтового участка, из-за налипания глинистого грунта в зазорах между винтовыми выступами, что создаст вакуум и вызовет поступление в скважину грунта из слабых нижерасположенных прослойков. Кроме того, повысится износ винтовых выступов, особенно в песчаных грунтах.

Направление вращения при извлечении инструмента перестает иметь существенное значение после расширения скважины до величины, при которой зазор между стенками скважины и винтовыми выступами будет достаточен для перетекания части материала 9 за пределами кромок винтовых выступов 7 под воздействием гравитационных сил и разрежения ниже винтового участка.

Винтовой участок 1 с винтовыми выступами, например, трапецеидального профиля инструмента 2 преобразует прилагаемые к нему преимущественно вращательные усилия в сочетании с осевыми поступательными усилиями в локальные статические воздействия на грунт и материал 9 с преимущественно радиальной направленностью (энергетически выгодной). Это позволяет превзойти многие известные статические и динамические технологии (вдавливание, удар, вибрация, взрыв) в части величины усилий, производительности, а также в части снижения веса оборудования.

Энергозатраты уменьшаются с уменьшением суммы произведений усилий трения на величину путей по поверхности винтового участка, а также внутреннего трения частиц грунта и материала 9 в процессе их уплотнения.

Корректировкой в этом направлении геометрических параметров винтовых выступов, режима воздействий на инструмент с учетом свойств грунта достигают минимума энергозатрат и износа инструмента в конкретных случаях.

Кроме того, для инструмента с винтовым участком проще выполнение скважин под разным углом к вертикали, т.к. оборудование для создания крутящего момента легче и проще, чем оборудование, способное создавать эквивалентное по воздействию на грунт осевое усилие. Поэтому винтовым инструментом проще изготавливать наклонные скважины (сваи), что облегчает создание анкерных конструкций 14, а также уплотнение грунта, например, песчаными сваями в сжимаемой зоне 16 под существующим фундаментом 17 для стабилизации осадки, а в ряде случаев и возвращения фундамента в исходное положение.

Для реализации способа пригодны известные, например, разнообразные буровые установки, снабженные дополнительным сменным инструментом с винтовым участком вместо бурового.

Пригодны также известные устройства для выполнения винтонабивных свай, использующих полый винтовой инструмент, например устройства (1), (2).

В этом случае одновременная подача материала по полости винтового инструмента и по скважине позволит заполнять скважину материалами разного состава (по скважине, например, с меньшим содержанием вяжущего или антикоррозионными составами), что повысит экономичность и качество сваи. Кроме того, такие устройства позволяют выполнять сваи с более рельефной винтовой формой поверхности.

Осевые ударные воздействия на инструмент существенно снижают требуемый крутящий момент, чем удобно пользоваться при преодолении отдельных крупных твердых включений и плотных прослойков.

Армирование твердым сплавом кромок винтовых выступов позволяет преодолевать твердые препятствия бурением с выносом разрушенной породы и вдавливанием ее в прилегающие более слабые слои грунта.

Источники информации

1. СССР, а.с. N 761664, E 02 D, 16.11.1978.

2. патент РФ N 2076173, e 02 D, 06.05.1995.