конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием и способ ее погружения в многолетнемерзлый грунт

Формула изобретения

1. Конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием для погружения в многолетнемерзлый грунт включающая полый трубчатый корпус, отличающаяся тем, что полый трубчатый корпус выполнен с открытым нижним торцом, наружная стенка трубчатого корпуса на уровне нижней границы его защитного покрытия снабжена расширителем, выполненным в виде прямой трехгранной призмы, основаниями которой являются прямоугольные треугольники, при этом одно из ребер каждого основания располагается по образующей трубчатого корпуса, другое ребро каждого основания перпендикулярно ей, а величины ребер и оснований призмы расширителя определяются из соотношений

= 2V/ (1),



где , - размеры ребер прямой трехгранной призмы, м;

V - скорость погружения трубчатой сваи, м/мин;

- скорость вращения трубчатой сваи, об/мин;

D_св ^н - наружный диаметр трубчатой сваи, м;

Н_n - расстояние от нижнего торца трубчатой сваи до расширителя, м;

- плотность оттаянного грунта, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

- коэффициент внутреннего трения грунта,

₀ - коэффициент бокового трения грунта,

L_V - теплота таяния единицы объема мерзлого грунта, Дж/м³,

_покр - толщина покрытия, м.

2. Способ погружения трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт, включающий одновременное воздействие на трубчатую сваю крутящего момента и осевого усилия до образования в грунте под торцом трубчатой сваи и вдоль ее стенок оттаянной зоны в виде полого цилиндра и заглубление в нее трубчатой сваи, отличающийся тем, что в процессе погружения трубчатой сваи вдоль ее стенок в интервале от дневной поверхности до нижней границы защитного покрытия создают зону оттаянного грунта, толщина которой превышает толщину зоны оттаянного грунта вдоль стенок трубчатой сваи ниже защитного покрытия не меньше, чем на толщину защитного покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства фундаментов наземных сооружений в областях распространения многолетнемерзлых пород.

Известен способ погружения трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт, включающий образование в грунте оттаянной зоны и заглубление в нее сваи [1. СНиП 2.02.04.-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах: М., Стройиздат, 1988 г., с.5].

Недостатком данного способа является то, что грунты оттаивают в зоне до 2-х диаметров трубчатой сваи, что обуславливает большой расход энергии, увеличивает продолжительность процесса вмерзания трубчатой сваи в многолетнемерзлый грунт и соответственно период до загрузки трубчатой сваи.

Наиболее близким к заявляемому является термовращательный способ погружения полой металлической трубчатой сваи с помощью бурового станка в многолетнемерзлый грунт с одновременным воздействием на трубчатую сваю крутящего момента и осевого усилия. В процессе погружения сваи происходит трение торца и боковой поверхности сваи о многолетнемерзлый грунт с переходом передаваемой от станка свае механической энергии в тепловую и оттаиванием вмещающего грунта [2. М. Р. Гохман, Д.И. Федорович, Ю.О. Таргулян и др. Экспериментально-теоретическое обоснование нового термовращательного способа погружения свай в вечномерзлые грунты. Труды ВНИИ оснований и подземных сооружений: М., 1990 г., вып. 94, с. 105-106].

Недостаток этого способа заключается в том, что при погружении трубчатой сваи указанным способом наблюдаются повреждения защитного покрытия трубчатой сваи, что обусловлено механическим воздействием оттаянного грунта, заключенного в "обойму" между стенкой трубчатой сваи и многолетнемерзлым грунтом и тем самым лишенным возможности уплотняться.

Задача - создание способа, повышающего срок использования металлической трубчатой сваи.

Цель изобретения - предотвращение повреждения защитного покрытия металлической трубчатой сваи в процессе ее погружения.

Указанная цель достигается тем, что конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием для погружения в многолетнемерзлый грунт включает полый трубчатый корпус, выполненный с открытым нижним торцом, наружная стенка трубчатого корпуса на уровне нижней границы его защитного покрытия снабжена расширителем, выполненным в виде прямой трехгранной призмы, основаниями которой являются прямоугольные треугольники, при этом одно из ребер каждого основания располагается по образующей трубчатого корпуса, другое ребро каждого основания перпендикулярно ей, а величины ребер и оснований призмы расширителя определяются из соотношений:

= 2V/ (1)



где , - размеры ребер прямой трехгранной призмы, м,

V - скорость погружения трубчатой сваи, м/мин,

- скорость вращения трубчатой сваи, об/мин,

D_св ^Н - наружный диаметр трубчатой сваи, м,

Н_n - расстояние от нижнего торца трубчатой сваи до расширителя, м;

_t - плотность оттаянного грунта, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

t_g - коэффициент внутреннего трения грунта,

₀ - коэффициент бокового трения грунта,

L_V - теплота таяния единицы объема мерзлого грунта, Дж/м³,

_покр - толщина покрытия, м,

при этом в способе погружения трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт, включающем одновременное воздействие на трубчатую сваю крутящего момента и осевого усилия до образования в грунте под торцом трубчатой сваи и вдоль ее стенок оттаянной зоны в виде полого цилиндра и заглубление в нее трубчатой сваи, в процессе погружения трубчатой сваи вдоль ее стенок в интервале от дневной поверхности до нижней границы защитного покрытия создают зону оттаянного грунта, толщина которой превышает толщину зоны оттаянного грунта вдоль стенок трубчатой сваи ниже защитного покрытия не меньше, чем на толщину защитного покрытия.

На фиг. 1 изображена конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт, общий вид, на фиг. 2 - крепление расширителя к стенке трубчатого корпуса, общий вид.

Конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием включает трубчатую сваю 1 с открытым нижним торцом 2. Участок защитного покрытия 3 на внешней поверхности стенки трубчатой сваи 1 задается проектом и ограничивается интервалом от верхнего торца 4 трубчатой сваи 1 до границы сезонного оттаивания грунта 5, так как ниже ее агрессивная активность среды - многолетнемерзлого грунта - практически отсутствует. На уровне нижней границы 6 защитного покрытия 3 трубчатой сваи 1 жестко закреплен, например, сваркой расширитель 7, выполненный в виде прямой трехгранной призмы, основаниями которой являются прямоугольные треугольники. Крепление расширителя 7 к стенке трубчатой сваи 1 выполнено по одной из его граней таким образом, чтобы одно ребро каждого основания располагалось по образующей трубчатой сваи 1, другое - перпендикулярно ей. Размеры ребра и ребра призмы расширителя 7 определяются из соотношений:

= 2V/ (1)



где , - размеры ребер прямой трехгранной призмы, м,

V - скорость погружения трубчатой сваи, м/мин,

- скорость вращения трубчатой сваи, об/мин,

D_св ^Н - наружный диаметр трубчатой сваи, м,

Н_n - расстояние от нижнего торца трубчатой сваи до расширителя, м;

_t - плотность оттаянного грунта, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

t_g - коэффициент внутреннего трения грунта,

₀ - коэффициент бокового трения грунта,

L_V - теплота таяния единицы объема мерзлого грунта, Дж/м³,

_покр - толщина покрытия, м.

Конкретный расчет параметров устройства для заявленных соотношений.

Металлическая свая диаметром D_св ^Н=325 мм=0,325 м и длиной Н_n=10 м погружается с помощью буровой установки "КАТО" (модель PF-1200) в суглинки, полутвердые при оттаивании _t = 1720 кг/м³, t_g = 0,45, ₀ = 0,176, L_V= 10113610³ Дж/м³, g=9,8 м/с²). Скорость погружения сваи V=1 м/мин, скорость ее вращения =20 об/мин, толщина покрытия сваи _покр = 3 мм = 0,003 м.

Из приведенных соотношений получаем следующие размеры ребер расширителя:





При соответствии геометрических размеров расширителя величинам, полученным из указанных соотношений при погружении трубчатой сваи в пределах ее защитного покрытия, образуется зона оттаянного грунта, обеспечивающая сохранность защитного покрытия, а толщина стенок полого цилиндра оттаянного грунта ниже защитного покрытия обеспечивает минимальные сроки смерзания трубчатой сваи многолетнемерзлым грунтовым массивом.

Способ погружения трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт реализуется следующим образом.

С помощью известных машин и механизмов, например буровой установки, трубчатой сваю 1, оборудованную расширителем 7 на уровне защитного покрытия 6, под действием крутящего момента и осевого усилия погружают в массив многолетнемерзлого грунта 8 с созданием оттаянной зоны 9 в виде полого цилиндра за счет дополнительных тепловыделений, создаваемых расширителем 7 при вращении трубчатой сваи 1, увеличивается объем оттаянного грунта в интервале от дневной поверхности 11 до нижней границы защитного покрытия 3. При погружении трубчатой сваи 1 происходит отжатие от стенок трубчатой сваи 1 и уплотнение оттаянной грунтовой массы 9 без повреждения защитного покрытия 3, что обуславливается тем, что твердость защитного покрытия 3 превышает твердость водонасыщенной оттаянной грунтовой массы 9, и при движении расширителя 7 кроме отепления грунта происходит его разрыхление. Зона оттаянного грунта 9 в пределах защитного покрытия 3 трубчатой сваи 1 располагается в интервалах глубин (от дневной поверхности 11 до границы сезонного протаивания грунтов 5), которые согласно нормативным документам не учитываются при расчете нагрузок на трубчатую сваю, таким образом, продолжительность смерзания трубчатой сваи 1 с многолетнемерзлым массивом 8 в этом интервале не скажется на сроке ввода трубчатой сваи 1 в эксплуатацию.

Предлагаемые конструкция и способ решают проблему целостности защитного покрытия при помощи одной технологической операции (погружение), что приводит к снижению затрат на сооружение сваи, повышая при этом сроки ее использования, не снижая срока ввода трубчатой сваи в эксплуатацию после погружения.