способ возведения противофильтрационной инженерно-защитной конструкции

Формула изобретения

1. Способ возведения противофильтрационной инженерно-защитной конструкции преимущественно в сложных гидрогеологических условиях, включающий выполнение в грунте на расстоянии друг от друга элементов ограждения в виде свай, а затем выполнение свай на участках между возведенными сваями, отличающийся тем, что сваи выполняют путем погружения в грунт по периметру участка грунта защищаемой территории для фундамента имеющих в нижней части разрыхляющий наконечник и винтовую навивку на внешней поверхности тел вращения в виде полой трубы или в виде монолитного тела вращения, причем погружение каждого тела вращения в грунт осуществляют за счет одновременного вращения его и вдавливания в грунт под внешним усилием или под собственным весом, затем в устье образованной скважины с вставленным телом вращения между витками винтовой навивки подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание тела вращения на дневную поверхность за счет его обратного вращения для уплотнения грунтовой стенки скважины в зоне пяты скважины и боковой стенки скважины указанными трамбуемыми закрепным и/или противофильтрационным материалом с одновременным заполнением полости скважины для образования сваи указанным материалом, подаваемым во время вывинчивания по внешней поверхности тела вращения, при этом погружаемые вначале тела вращения располагают на расстоянии не менее максимального диаметра винтовой навивки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вывинчивание тела вращения производят под собственным весом этой трубы или под дополнительным осевым усилием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к способам возведения ограждающих инженерно-защитных конструкций для исключения изменения состояния геомассива при организации защищаемой территории в условиях близко расположенных ранее возведенных застроек.

Известен способ возведения ограждающей инженерно-защитной конструкции, заключающийся в том, что стержнеобразные тела вращения, выполненные полыми или монолитным из металла или железобетона с разрыхляющим наконечником в нижней части и винтовой навивкой на внешней поверхности, погружают в грунт до проектной отметки, а затем для образования скважины в грунте обратным вращением вывинчивают указанное тело на дневную поверхность и полость скважины заполняют твердеющим раствором, при этом у обсадной трубы 3-5 нижних винтовых выступов выполнены в 1,5-2,0 раза больше, чем последующие верхние, а каждый винтовой выступ располагают относительно вертикали под углом , тангенс которого равен 0,50-0,66 (RU патент 2073084, E 02 D 5/38, 5/56, опубл. 10.02.1997).

Данный способ возведения ограждающей конструкции наиболее эффективен, так как предусматривает ввинчивание элементов ограждения в грунт, что исключает появления динамических нагрузок, приводящих к изменению состояния геомассива. Исключаются также динамические воздействия на близко расположенные здания. Однако при использовании этого способа процесс уплотнения грунта при погружении сваи производится только на участке нижних винтовых витков. Так как верхние винтовые витки примерно в два раза меньше по высоте, чем нижние, то уплотнение грунта в зоне стенки отверстия производится на половинную глубину выбранного грунта. Однако такой степени уплотнения недостаточно для формирования позиционно устойчивых свай в слабонесущих и обводненных грунтах.

Известен способ возведения противофильтрационной инженерно-защитной конструкции преимущественно в сложных гидрогеологических условиях, включающий выполнение в грунте на расстоянии друг от друга элементов ограждения в виде свай, а затем выполнение свай на участках между возведенными сваями (см. , например, Федоров Б.С., Смородинов Б.И. "Стена в грунте" - прогрессивный способ строительства, М.: Стройиздат, 1975 г., с.4, рис.1.).

Недостатком данного способа является то, что полость грунтового отверстия заполняется бетоном непосредственно по мере вывинчивания обсадной трубы без проведения операций по укреплению стенок скважины. Несмотря на то, что при ввинчивании трубы в грунт стенки грунтового отверстия уплотняются, их несущая способность, особенно в слабонесущих грунтах или грунтах обводненных, недостаточна для обеспечения позиционной устойчивости бетонного столба. Возможна деформация бетонного столба в продольном направлении за счет сдвиговых смещений пластов слабонесущего грунта, что негативно сказывается на несущей способности самой сваи и на несущую способность ограждающей конструкции в целом. При этом при таком способе погружения трубы с такими конструктивными особенностями винтовых выступов замена выбуриваемого грунта телом трубы в текущий момент времени производится за счет выхода на дневную поверхность грунта объемом, большим, чем объем грунта, утрамбовываемого в стенки скважины. Стенки в такой скважине не обладают достаточной плотностью и поэтому не оказывают устойчивого воздействия на позиционное положение сваи. Если учесть, что после возведения ограждающей конструкции производится выемка грунта, то появляется возможность изменения состояния геомассива.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению повышенной плотности утрамбованного грунта в зоне стенок грунтового отверстия в скважине под сваю по всей длине стенки и позиционной устойчивости сваи в данном грунтовом отверстии для обеспечения общей позиционной устойчивости противофильтрационной ограждающей конструкции с увловиях слабых грунтов.

Достигаемый при этом технический результат заключается в геотехнически безопасной возможности погружения трубы за счет замены выбуриваемого грунта телом трубы в текущий момент времени, повышения несущей способности сваи для выхода грунта на дневную поверхность меньшим объемом, чем объем погружаемой трубы, и возможности организации свайной противофильтрационной ограждающей инженерно-защитной конструкции для защищаемой территории в стесненных городских условиях. Также в качестве результата можно рассматривать повышение производительности труда без увеличения энергетических ресурсов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе возведения противофильтрационной инженерно-защитной конструкции, преимущественно в сложных гидрогеологических условиях, включающем выполнение в грунте на расстоянии друг от друга элементов ограждения в виде свай, а затем выполнение свай на участках между возведенными сваями, при этом выполняют путем погружения в грунт по периметру участка грунта защищаемой территории для фундамента имеющих в нижней части разрыхляющий наконечник и винтовую навивку на внешней поверхности тел вращения в виде полой трубы или в виде монолитного тела вращения, причем погружение каждого тела вращения в грунт осуществляют за счет одновременного вращения его и вдавливания в грунт под внешним усилием или под собственным весом, затем в устье образованной скважины с вставленным телом вращения между витками винтовой навивки подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание тела вращения на дневную поверхность за счет его обратного вращения для уплотнения грунтовой стенки скважины в зоне пяты скважины и боковой стенки скважины указанными трамбуемыми закрепным и/или противофильтрационным материалом с одновременным заполнением полости скважины для образования сваи указанным материалом, подаваемым во время вывинчивания по внешней поверхности тела вращения, при этом погружаемые вначале тела вращения располагают на расстоянии не менее максимального диаметра винтовой навивки.

При этом вывинчивание тела вращения производят под собственным весом этой трубы или под дополнительным осевым усилием.

Указанные признаки взаимосвязаны и являются существенными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

На фиг.1 показана противофильтрационная инженерно-защитная конструкция, вид в плане;

на фиг.2 - сечение А-А по фиг.1;

на фиг.3 - свая в виде цилиндрического тела;

на фиг.4 - свая в виде конического тела;

на фиг.5 - составная свая из стыкуемых между собой секций;

на фиг.6 показано расположение элементов крепления для звеньев винтовой навивки;

на фиг.7 показано закрепление винтовых звеньев шнека на наружной поверхности сваи.

Согласно изобретению способ возведения противофильтрационной инженерно-защитной конструкции (фиг.1, 2) преимущественно в сложных гидрогеологических условиях заключается в том, что стержнеобразное тело вращения, выполненное полым в виде трубы или монолитным из металла или железобетона, например, в виде обсадной трубы с разрыхляющим наконечником в нижней части и винтовой навивкой на внешней поверхности, погружают в грунт до проектной отметки, а затем для образования скважины в грунте обратным вращением вывинчивают указанное тело на дневную поверхность с заполнением полости скважины соответствующим раствором.

Для данного способа применяют обсадную трубу (фиг.3), представляющую собой вытянутое по длине цилиндрическое тело, выполненное, например, в виде полой металлической трубы или полого или монолитного стержня 1 из железобетона. Труба может быть выполнена металлической полой, полость ее заполняется или заполнена соответствующим материалом. Труба в общем случае представляет собой тело вращения. В нижней части ее расположен наконечник 2 (например, крестообразный нетеряемый), а на внешней поверхности сваи смонтирован по длине тела винтовой шнек 3. Верхний конец указанного тела выполнен с элементами 4 связи с устройством, обеспечивающим равномерную передачу крутящего момента свае и создания осевой нагрузки (устройство не показано). Труба выполнена с постоянным или переменным поперечным сечением по длине. На фиг.4 показана труба, тело вращения которой выполнено конусным.

Смонтированный на внешней поверхности винтовой шнек 3 выполнен из металлического проката постоянного сечения с заданными постоянными или переменными шагом и углом навивки. Винтовой шнек выполнен составным по длине из отдельных стыкуемых между собой винтовых звеньев 5. Указанное тело трубы по длине выполнено с продольно расположенными и закрепленными на внешней поверхности в теле элементами крепления 6, предназначенными для жесткого прикрепления винтовых звеньев 5 шнека. Каждое винтовое звено 5, например, может быть выполнено из арматуры круглого сечения в виде полуколец и приварено к жестко заанкеренным в теле элементам крепления 6 (фиг.7). Элементы крепления 6 выполняются на противоположных сторонах наружной поверхности сваи (фиг.6).

Высота навивки по длине трубы выполнена постоянной и равной 0,02-0,06 диаметра трубы по внешней ее поверхности. Погружение трубы в грунт осуществляют за счет одновременного вращения и вдавливания ее в грунт под внешним усилием или за счет вращения с погружением под собственным весом.

При выполнении высоты навивки менее 0,02 диаметра трубы по внешней ее поверхности наличие винтового шнека не оказывает никакого влияния на процесс уплотнения, при этом затрудняется погружение трубы в грунт, требуется увеличение осевой нагрузки. При выполнении высоты навивки более 0,06 диаметра трубы по внешней ее поверхности винтовой шнек начинает работать в режиме выдачи выбираемого грунта на дневную поверхность в больших объемах, снижая плотность трамбуемого грунта в стенках скважины.

Так как труба выполнена с закрепленными в ее теле по длине заанкеренными элементами, а винтовые звенья из арматуры круглого сечения являются участками винтовой линии, то при таком исполнении имеется возможность изготавливать сваю по месту изготовления ограждающей конструкции. Изготовление производится за счет размещения каждого винтового звена 5 под заданным углом и шагом (в зависимости от параметров грунта) на внешней поверхности тела и сварки звена с рядом расположенным элементом крепления 6. Затем стыкуемые концы смежно расположенных винтовых звеньев свариваются между собой, образуя неразрывную винтовую линию. В зависимости от размеров трубы и типа грунта приваривание может производиться только в местах вывода на наружную поверхность элементов крепления. А для металлической трубы сварка может производиться не только в местах расположения элементов крепления, но и по длине винтового звена, что обеспечивает повышенную позиционную жесткость для винтового шнека.

Использование в качестве проката арматуры круглого сечения позволяет максимально упростить процесс создания винтового шнека и закрепления его звеньев на наружной поверхности сваи.

Труба может быть выполнена составной по длине из стыкуемых между собой секций 7 и 8 (фиг.5), каждая или часть которых выполнена полой или монолитной. Секции могут стыковаться между собой сваркой (для металлической трубы) или с помощью закладных элементов 9, размещаемых в полостях стыкуемых секций.

Труба может быть выполнена с продольной полостью или каналом 10 в ее теле для подачи закрепного и/или противофильтрационного материала к пяте для увеличения несущей способности возводимой сваи.

Погружение стержнеобразного тела в грунт осуществляют за счет одновременного вращения его и вдавливания в грунт под внешним усилием или под собственным весом, затем в устье образованной скважины с вставленным стержнеобразным телом между витками винтовой навивки подают закрепный и/или противофильтрационный материал и производят вывинчивание стержнеобразного тела за счет его обратного вращения. При вывинчивании производится уплотнение грунтовой стенки скважины в зоне пяты скважины и боковой стенки скважины указанным трамбуемым закрепным и/или противофильтрационным материалом.

Вывинчивание стержнеобразного тела можно производить под собственным весом этого тела или под дополнительным осевым усилием. При этом можно чередовать подачу закрепного и противофильтрационного материала и грунта.

Для образования противофильтрационной инженерно-защитной конструкции сначала осуществляют погружение в грунт указанных тел вращения с выполнением скважин, располагаемых на расстоянии друг от друга не менее максимального диаметра винтовой навивки, а затем осуществляют погружение тел вращения на участках между возведенными сваями. В результате ограждение приобретает характеристики, сходные со "стеной в грунте".

Комбинируя очередность подачи закрепного либо/и противофильтрационного состава и материала, обладающего высоким коэффициентом фильтрации, можно создавать противофильтрационные завесы, имеющие различные геометрические характеристики в профиле, что весьма важно в условиях плотной городской застройки.

При вывинчивании стержнеобразного тела осуществляют подачу закрепного и/или противофильтрационного материала через отверстия между витками винтовой навивки.

Особенностью погружения трубы как технологического процесса является то, что обсадную трубу погружают в грунт за счет одновременного вращения и вдавливания ее в грунт под внешним усилием или за счет вращения с погружением под собственным весом. Такие особенности погружения обеспечивают повышенную плотность трамбуемого грунта, что особенно важно при возведении скважины в слабых грунтах и вблизи уже существующих фундаментов. В результате использования данного способа при погружении трубы с винтовой навивкой на внешней поверхности образуется грунтовая скважина с уплотненной грунтовой стенкой.

Предложенный способ образования грунтовой скважины для сваи позволяет уплотнить грунт в зоне стенок скважины на 75-80% от объема самой трубы, что существенно увеличивает устойчивость от горизонтальных статических и динамических воздействий на ограждающую конструкцию, отсекая эти воздействия от фундаментов рядом расположенных зданий. При завинчивании трубы отсутствуют удары и вибрация, не происходит нарушения и ослабления окружающего трубу грунта, особенно песчаного и обводненного. При завинчивании трубы на дневную поверхность уходит через шнек примерно 15-25% грунта. При погружении тела вращения за счет ее вращения в стенках отверстия в грунте происходит смещение грунта в сторону стенок скважины, так как на внешней поверхности сваи высота спирали винтовой навивки существенно меньше диаметра тела вращения. При таком исполнении при ввинчивании сваи выбираемый грунт практически не подается на дневную поверхность, а, уплотняясь, уходит в стенки скважины. Винтовая навивка шнека вследствие ее небольшой высоты в данном случае максимально направлена на выполнение функции направляющих для трубы и минимально на исполнение функции шнековой подачи грунта на дневную поверхность.

В результате создаваемого осевого усилия при вывинчивании трубы по поверхностям навивки закрепный либо/и противофильтрационный материал подается к пяте скважины, одновременно уплотняя боковую поверхность скважины и уплотняясь в пяте скважины. В результате уплотнения закрепного либо/и противофильтрационного материала тело вращения с навивкой поднимается вверх, продолжая постоянно подавать по навивке к стенкам и к пяте скважины закрепный либо/и противофильтрационный материал.

Вывинчивание происходит под собственным весом вертикального тела вращения с навивкой либо под дополнительным осевым усилием, чем достигается контроль плотности трамбуемого закрепного либо/и противофильтрационного материала. В результате получаем грунтовую скважину, обладающую высокими жесткостными либо/и противофильтрационными свойствами.

По сравнению с известными способами формирования в грунте полости для сваи предложенный способ за счет того, что вывинчивание обсадной трубы осуществляют обратным ее вращением под внешним осевым усилием, направленным к нижней части трубы, или обратным ее вращением с осевым усилием, направленным в сторону, противоположную нижней части трубы, обеспечивает дополнительное перемещение слоев грунта с одновременным перемешиванием с закрепным и/или противофильтрационным материалом с дополнительным уплотнением смешанных с раствором слоев грунта в стенке скважины, которые ранее располагались между витками вдавленной винтовой дорожки, сформированной при погружении трубы в грунт.

При погружении обсадной трубы за счет ее вращения в стенках отверстия в грунте происходит смещение грунта в сторону стенок скважины, так как на внешней поверхности сваи высота спирали винтовой навивки существенно меньше диаметра тела вращения. При таком исполнении при ввинчивании сваи выбираемый грунт практически не подается на дневную поверхность, а, уплотняясь, уходит в стенки скважины. Винтовая навивка шнека в данном случае максимально направлена на выполнение функции направляющих для трубы и минимально на исполнение функции шнековой подачи грунта на дневную поверхность.

Варьированием шага и угла навивки, а также сечением трубы и высотой винтового ребра (применительно к типу грунта) можно добиться высокой практически однородной по площади стенки отверстия скважины плотности утрамбованного грунта, что оказывает серьезное влияние на статическую и динамическую позиционную устойчивость грунтовых стенок скважины.

Варьированием ширины навивки и ее угла можно добиться разной степени величины уплотнения грунта стенок скважины. Скважина с минимальной шириной щели работает хорошо на восприятие вертикальных нагрузок, с увеличенной шириной щели образует хорошую защитную стенку, служащую для "отсекания" различных зон давлений друг от друга. Например, отсекание влияния динамических колебаний на новом строительстве от сложившегося напряженно-деформированного состояния массива грунта существующей застройки, либо отсекание влияния давления от веса строящегося сооружения на фундаменты существующей застройки.

Настоящий способ обеспечивает корреляционное воздействие в напряженно-деформированное состояние геомассива, направленное на взаимное влияние естественных (природных) и техногенных статических или динамических воздействий, формирующих состояние геосистемы грунтового массива.

При сохранении положительного эффекта в части укрепления стенок скважины за счет перемешивания грунта с закрепным и /или противофильтрационным материалом с последующим уплотнением смешанного грунта в стенке скважины формирование сваи осуществляется за счет постоянного трамбования скважины материалом, подаваемым во время вывинчивания трубы по внешней поверхности трубы.

Настоящее изобретение промышленно применимо. Эффективность способа подтверждена проведенными строительными работами по формированию свайного фундамента и устройства ограждающих и ограждающе-несущих конструкций котлованов более чем на 10 объектах в Москве, в основном в песчаном обводненном грунте непосредственно вблизи рядом расположенных зданий.