способ изготовления набивной сваи и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления набивной сваи, включающий проходку скважины с радиальным уплотнением грунта, расширение ее поперечного сечения последующей проходкой с радиальным уплотнением грунта и заполнением ее полости инертным материалом и бетонным раствором, отличающийся тем, что расширение поперечного сечения скважины осуществляют неравномерно с большей интенсивностью по сектору в направлении грунтового массива и формуемого уступа, причем заполнение скважины инертным материалом и бетонным раствором ведут до уровня формируемого уступа.

2. Способ изготовления набивной сваи по п.1, отличающийся тем, что расширение поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта осуществляют на части ее длины.

3. Способ изготовления набивной сваи по п.1, отличающийся тем, что расширение поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта осуществляют на всю длину сваи.

4. Способ изготовления набивной сваи по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что до операции по расширению поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта в полость скважины у стенки, противоположной направлению уплотнения, устанавливают экран.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что экран устанавливают на глубину пройденной скважины.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что при использовании пневмопробойника для проходки скважины в грунте ударный импульс производят эксцентрично продольной оси скважины в направлении от формуемого уступа набивной сваи.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что расширение поперечного сечения скважины осуществляют неравномерно с большей интенсивностью по нескольким секторам в направлении грунтового массива.

8. Устройство для осуществления способа изготовления набивной сваи, содержащее ударный узел - пневмопробойник с расширителем, отличающееся тем, что поперечное сечение расширителя выполнено овалообразным, а ударный узел - пневмопробойник закреплен в поперечном сечении асимметрично относительно меньшей оси симметрии, при этом одна из частей поверхности расширителя выполнена как половина цилиндра, а другая как половина усеченного конуса с овалообразным основанием, причем меньший диаметр овала, расположенного в хвостовой части устройства, равен диаметру цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и предназначено для формования набивных свай, устройства свайных фундаментов. Широко известны набивные сваи, формуемые в грунте, конструкция которых имеет симметричную форму в поперечном сечении. Они эффективны при нагружении их осевой нагрузкой. Однако на практике существуют условия, когда на сваю крепится конструкция сбоку, для чего у нее имеется боковой уступ. В результате возникает нагружающий момент, изгибающий сваю относительно продольной ее оси.

Известен способ формования бетонных свай в грунте по а.с. СССР №431281, Kл. E 02 D 5/00, содержащий операции по завинчиванию в грунт ведущей штанги с не извлекаемым винтовым наконечником, заполнение скважины бетонной смесью через кольцевое пространство между стенкой скважины и штангой, нагнетание одновременно с подачей бетонной смеси гидроизоляционного состава с последующим вытеснением последнего из полости штанги песчано-цементным раствором. Конструкция сваи имеет повышенную несущую способность за счет выполнения ее винтообразной. Недостатками известной сваи являются сложность ее изготовления, большие энергозатраты, и свая предназначена в основном для симметричных нагрузок. Первое связано с тем, что при ввинчивании в грунт возникают большие тангенциальные усилия, а при извлечении из грунта ведущей штанги может происходить разрушение образованных в грунте винтовых уступов. Второе связано с тем, что в поперечном сечении скважина имеет симметричную форму (в вертикальном направлении винтовые уступы сваи не работают или работают недостаточно, т.к. нижележащий уступ воспринимает всю вертикальную нагрузку).

Известно устройство для формования в грунте набивной сваи по патенту РФ №2126072, Кл. Е 02 D 5/36. Способ, реализованный посредством устройства для формования в грунте набивной сваи, включает операции по проходке в грунте скважины, заполнению ее бетонным раствором или полусухой бетонной смесью с последующим радиальным уплотнением бетонной смеси и вокруг лежащего грунта по оси набивной сваи, при этом формуют набивную сваю звездообразной формы, контур которой имеет чередующиеся участки с вогнутой и выпуклой поверхностями.

Недостатком известного способа является то, что набивная свая выполнена симметричной и не имеет боковых уступов для фундаментных балок или фундаментов мелкого заложения.

Наиболее близким прототипом является набивная свая с уширением по стволу (см., например, "Инструкция по устройству набивных свай при помощи пневмопробойников" ВСН 6610-78 Минстрой СССР, М., 1978), для формования которой необходимо пройти в грунте скважину с радиальным уплотнением, затем ее заполнить бетонной смесью на высоту необходимого уширения и вновь пройти пневмопробойником, расширяя при этом диаметр набивной сваи за счет радиального уплотнения бетонной смеси и грунта. Эти операции можно повторить, получая при этом требуемый диаметр сваи в ее уширенной части. Затем оставшуюся верхнюю часть скважины заполняют бетонной смесью, в результате чего эта часть набивной сваи имеет диаметр скважины. Подобной конструкции набивная свая с уширенной частью диаметра позволяет изготавливать фундаменты на свайных основаниях, когда необходимо устанавливать на торец уширенной части балку.

Недостатком известной конструкции набивной сваи является симметричность поперечного сечения ее уширенной части, в то время как для монтажа элемента конструкции, например, балки, необходим один уступ (иногда два). В итоге лишний расход бетонной смеси, а при расширении диаметра скважины дополнительное уплотнение грунта по всем секторам ее поперечного сечения приводит к дополнительным энергозатратам и, как следствие, к уменьшению скорости проходки при расширении скважины и образовании уширения диаметра набивной сваи.

Технической задачей предлагаемого технического решения является изготовление набивной сваи с направленным локальным уширением (уступом) с одновременным снижением энергоемкости процесса формования уширения, уменьшением расхода бетона и повышением производительности.

Поставленная задача в части объекта “способ” решается за счет того, что в способе изготовления набивной сваи, включающем проходку скважины с радиальным уплотнением грунта, расширение ее поперечного сечения последующей проходкой с радиальным уплотнением грунта и заполнением ее полости инертным материалом и бетонным раствором, согласно изобретению расширение поперечного сечения скважины осуществляют неравномерно с большей интенсивностью по сектору в направлении грунтового массива и формуемого уступа, причем заполнение скважины инертным материалом и бетонным раствором ведут до уровня формируемого уступа.

Это позволяет изготовить асимметричную сваю, что, с одной стороны, увеличивает ее поперечное сечение, повышая тем самым несущую способность набивной сваи, а с другой стороны - при установке на образованный уступ набивной сваи балки или иного элемента конструкции уменьшается возникающий момент, а несоосность тела набивной сваи обеспечивает лучшую сопротивляемость нагрузки. Кроме того, уменьшается сопротивление со стороны грунта, т.к. его уплотнение при расширении скважины ведется по сектору, а не по всему сечению скважины, что приводит к уменьшению энергозатрат.

Целесообразно расширение поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта осуществлять на части ее длины. Такая операция позволяет уменьшить затраты бетонной смеси, изготовляя при этом набивную сваю с необходимой несущей способностью и уступом, на который может быть установлена строительная конструкция.

Целесообразно также расширение поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта осуществлять на всю длину набивной сваи. Такая операция позволяет повысить несущую способность набивной сваи, что особо важно в слабых грунтах, за счет увеличения площади боковой поверхности.

Целесообразно до операции по расширению поперечного сечения скважины радиальным уплотнением грунта в полость скважины, у стенки, противоположной направлению уплотнения, устанавливать экран. Такая операция позволяет управлять направлением уплотнения, т.е. управлять ориентацией асимметричности изготовляемой набивной сваи.

Целесообразно также устанавливать экран на всю глубину пройденной скважины. Такая операция гарантирует формование асимметричной набивной сваи на всю ее длину.

Целесообразно при использовании пневмопробойника для проходки скважины в грунте ударный импульс производить эксцетрично продольной оси скважины в направлении от формуемого уступа набивной сваи. Такая операция позволяет формовать в грунте скважину в направлении фундамента сооружения.

Целесообразно расширение поперечного сечения скважины осуществлять неравномерно с большей интенсивностью по нескольким секторам в направлении грунтового массива. Такая операция позволяет изготавливать набивную сваю с несколькими уступами, т.е. возникает возможность установки на набивную сваю нескольких строительных конструкций.

Устройство для осуществления способа изготовления набивной сваи, содержащее ударный узел - пневмопробойник с расширителем, и согласно предлагаемому техническому решению, поперечное сечение расширителя выполнено овалообразным, а ударный узел - пневмопробойник закреплен в поперечном сечении асимметрично относительно меньшей оси симметрии, при этом одна из частей поверхности расширителя выполнена как половина цилиндра, а другая как половина усеченного конуса с овалообразным основанием, причем меньший диаметр овала, расположенного в хвостовой части устройства, равен диаметру цилиндра. Обе части расширителя жестко соединены между собой методом сварки. Такая конструкция устройства позволяет осуществить способ изготовления набивной сваи с уступом и асимметричным поперечным сечением.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показана операция по проходке в грунте скважины; фиг.2 - сечение А-А фиг.1; фиг.3 - операция по расширению скважины ударным узлом - пневмопробойником уплотнением грунта по сектору в сторону фундамента; фиг.4 - сечение Б-Б фиг.2; фиг.5 - операция по расширению скважины по двум секторам, сдвинутым друг относительно друга на 180°; фиг.6. - сечение В-В фиг.3; фиг.7 - операция по установке экрана в скважину ниже уступа; фиг.8 - сечение Г-Г фиг.7; фиг.9 - устройство для реализации способа изготовления набивной сваи; фиг.10 - сечение Д-Д фиг.9 (пневмопробойник не разрезан).

Принцип осуществления способа изготовления набивной сваи покажем на примере конкретного исполнения.

Около фундамента 1, который необходимо укрепить, проходят в грунте 2 скважину 3 на требуемую глубину. Глубина скважины, а следовательно, и длина набивной сваи определяется расчетом из требуемой несущей способности набивной сваи в зависимости от параметров грунта, диаметра набивной сваи и площади ее боковой поверхности. После первой проходки поперечное сечение скважины 3 - круглое. В результате второй проходки расширяют скважину 3 по сектору в направлении фундамента 1.

Для выполнения этой операции в скважину 3 устанавливают экран 4 (фиг.3,7), препятствующий радиальному уплотнению грунта 2 в направлении экрана 4. Затем скважину 3 заполняют инертным материалом (песок, щебень), причем скважина 3 заполняется инертным материалом до уровня формируемого уступа. Затем в скважину 3 устанавливают ударный узел - пневмопробойник 5 (фиг.9), имеющий в поперечном сечении симметричную форму. Экран 4 может быть установлен в скважину до поверхности (фиг.3) или до уступа (фиг.7). Затем скважина 3 заполняется бетонным раствором до уровня уступа набивной сваи. При вторичной проходке пневмопробойником 5 на незаполненном участке (до экрана 4) диаметр скважины 3 не меняется. Если в этой части скважины 3 имеется экран 4 (фиг.2), то скважина 3 сместится на толщину 5 (толщина экрана 4) в направлении фундамента 1. Если экран 4 будет установлен до уровня уступа (фиг.7), то скважина 3 симметричным пневмопробойником 5 будет смещена в направлении фундамента 1 на толщину экрана 4 в этой части скважины. При проходке ударным узлом - пневмопробойником 5 по заполненному участку скважины 3 инертный материал и грунт вытесняются в радиальном направлении в сторону, противоположную экрану 4. Повторяя операцию по засыпке полости скважины 3 до уровня уступа в изготавливаемой набивной свае при последующей проходке ударным узлом - пневмопробойником 5 можно область уплотняемого грунта и инертного материала увеличить в направлении фундамента 1. Обычно инертный материал засыпается в скважину 3 вместе с бетонным раствором, поэтому со временем он затвердевает и тем самым образует набивную сваю с соответствующей прочностью. Поперечное сечение набивной сваи с одной стороны ограничено экраном 4, а с другой - не ограничено, поэтому поперечное сечение будет вытянуто в направлении фундамента 1. Если расширение набивной сваи осуществлять на всю глубину сваи, то и асимметричная (вытянутая) в поперечном сечении конфигурация будет на всю длину набивной сваи. На верхней части скважины 3, которая не засыпалась инертным материалом и бетонным раствором, диаметр скважины 3 будет неизменным, что приведет к образованию уступа в набивной свае. Уступ должен находиться на одной глубине с фундаментом 1, что обеспечит опирание фундамента 1 на набивную сваю, точнее на ее уступ. Асимметричность поперечного сечения набивной сваи обеспечивает одновременно достижение нескольких эффектов, а именно:

- фундамент будет опираться на уступ сваи;

- не возникает изгибающего момента относительно вертикальной оси набивной сваи из-за того, что эта ось при каждой проходке сдвигается в сторону фундамента 1;

- несущая способность набивной сваи увеличивается за счет увеличения площадей боковой и торцевой поверхностей;

- при проходке скважины до уступообразной части сваи уменьшается сопротивление грунта по сравнению с проходкой круглой скважины увеличенного диаметра, а следовательно, повышается производительность.

Возможно расширение скважины 3 осуществлять, используя асимметричный ударный узел - пневмопробойник 5, как описано выше. В этом случае после каждой проходки образуется скважина диаметром, равным диаметру корпуса 6 ударного узла - пневмопробойника 5. Асимметричность поперечного сечения набивной сваи получается за счет направленного смещения заполняющего скважину инертного материала и грунта в направлении от экрана 4 (под фундамент). В связи с тем, что часть скважины 3, находящаяся выше уступа, не заполняется инертным материалом и бетонным раствором, то диаметр этой части скважины, а значит, и набивной сваи будет меньше другой ее части.

Возможно использование устройств с расширителем 7, закрепленным на корпусе 6 ударного узла - пневмопробойника 5 (фиг.9, 10) для проходки скважины 3 и ее расширения. В этом случае можно на большее расстояние сместить вертикальную ось симметрии скважины 3 при ее расширении, т.к. диаметр расширителя 7 больше диаметра корпуса 6 ударного узла - пневмопробойника 5. И в этом случае скважину 3 после ее проходки заполняют инертным материалом с бетонным раствором до начала формуемого уступа. При повторной проходке устройство с расширителем 7 сначала проходит по незаполненной части скважины 3, а затем - по заполненной части скважины 3 (фактически полость скважины 3 заполнена инертным материалом с бетонным раствором, т.е. полости у скважины на этом участке нет), что приводит к радиальному сдвигу инертного материала и бетонного раствора, а также вокруг лежащего грунта в сторону, противоположную от экрана 4. В итоге, можно за меньшее количество проходок получить тот же результат, что и при использовании симметричных устройств без расширителя.

Устройство для изготовления набивной сваи в грунте (фиг.9, 10) содержит ударный узел - пневмопробойник 5, расширитель 7, прикрепленный к корпусу 6 ударного узла - пневмопробойника 5. Расширитель 7 имеет две поверхности 8, 9, одна из которых цилиндрическая 8, а другая - коническая 9. В передней и задней частях поверхности 8, 9 выполнены заостренными, т.е. с коническими поверхностями 10 и 11. Конструктивно расширитель 7 может быть выполнен из двух половин цилиндра и конуса, жестко соединенных между собой. Расширитель 7 жестко закреплен к корпусу 6 ударного узла - пневмопробойника 5 любым способом. На чертеже это крепление показано в виде гайки 12, навинчиваемой на пику 13.

Принцип работы устройства для изготовления набивных свай в грунте

При проходке скважины 3 в грунте можно использовать только ударный узел - пневмопробойник 5, который погружается сначала в грунт, образуя скважину 3, в которую устанавливают экран 4, а затем заполняют полость скважины 3 инертным материалом и бетонным раствором, при этом верхний торец экрана 4 и поверхность инертного материала в скважине располагают на уровне формуемого уступа набивной сваи. При следующей проходке ударным узлом - пневмопробойником 5 происходит радиальное смещение грунта в направлении, противоположном от экрана 4, в результате чего образуется скважина 3 того же диаметра, что и диаметр корпуса 6 ударного узла - пневмопробойника 5. Пространство над экраном 4 скважины 3 не заполняется инертным материалом, поэтому ее диаметр не меняется и не меняется объем уплотненного грунта вокруг нее. Многократно повторяя проходку и заполнение скважины инертным материалом, образуют асимметричное поперечное сечение уплотненного инертного материала и бетонного раствора в сторону, противоположную от экрана 4. Последними операциями являются извлечение экрана 4 (его можно и оставлять в грунте) и заполнение свободного пространства и верхней части скважины 3 инертным материалом и бетонным раствором. После схватывания бетона образуется набивная свая с уступом, ниже которого набивная свая в поперечном сечении имеет асимметричную форму.

Можно ускорить процесс изготовления набивной сваи с уступом и асимметричным поперечным сечением ниже уровня уступа. Для этого необходимо использовать расширитель 7, закрепленный к ударному узлу - пневмопробойнику 5. Диаметр ствола задней части расширителя 7 больше диаметра корпуса 6 ударного узла - пневмопробойника 5, поэтому за один проход большая часть инертного материала, находящегося в полости скважины 3 и вокруг лежащего грунта, сдвигается в направлении, противоположном от экрана 4, размещенного в скважине 3. В техническом плане использование расширителя 7 идентично применению ударного узла - пневмопробойника 5. Также пробивается скважина 3, затем в ее полость устанавливается устройство, содержащее ударный узел - пневмопробойник 5 с расширителем 7. Под действием ударных импульсов, создаваемых ударным узлом - пневмопробойником 5, устройство погружается в грунт, образуя скважину 3 с диаметром, равным наибольшему диаметру расширителя 7. Отметим, что первоначально сдвиг грунта в радиальном направлении осуществляется конической поверхностью 10, а затем конической поверхностью 9. Цилиндрическая поверхность 8 сдвигает грунт на величину разности ее диаметра и диаметра корпуса 6 ударного узла - пневмопробойника 5. В основном расширение скважины 3 осуществляется конической поверхностью 9. При запуске в грунт устройство должно быть установлено таким образом, чтобы коническая поверхность 9 была бы ориентирована в направлении уступа набивной сваи. После проходки скважины 3 включается реверс и устройство извлекается из скважины, кроме того, дополнительно при извлечении устройства может использоваться лебедка. Коническая поверхность 11 исключает забуривание устройства в грунт при реверсе. После выхода устройства из скважины 3 в последнюю устанавливают экран 4, верхний торец которого размещен на уровне формуемого уступа набивной сваи. Затем полость скважины 3 заполняют инертным материалом и бетонным раствором также до уровня уступа набивной сваи. Следующим этапом запускают повторно устройство по незаполненной верхней части скважины 3, располагая его цилиндрической поверхностью 8 к экрану 4. Сначала устройство погружается в скважину 3 по ее полости. При встрече с засыпанным в полость скважины 3 инертным материалом и бетонным раствором произойдет их радиальное смещение в направлении грунтового массива, т.к. экран 4 будет препятствовать сдвигу инертного материала. Ударный импульс создается пневмопробойником 5. В силу того, что он размещен эксцентрично расширителю 7, то ударный импульс получается эксцентричным всему устройству.

После достижения требуемой глубины устройство извлекают на поверхность, в результате чего образуется скважина 3 с конфигурацией расширителя 7. Затем можно повторить операции по засыпке полости скважины 3 ниже уступа инертным материалом и повторной проходки. Количество этих операций определяется поперечным размером набивной сваи. Глубина набивной сваи определяется расчетом, т.е. требуемой несущей ее способностью. Заключительной операцией является заполнение полости скважины 3 инертным материалом и бетонным раствором. В силу того, что верхняя часть (выше уступа) скважины 3 не заполнялась инертным материалом и бетонным раствором, уплотненная зона грунта в процессе следующих проходок осталась неизменной. В итоге, после схватывания бетонного раствора образуется набивная свая с уступом, на который можно монтировать строительную конструкцию.

На фиг.5, 6 показан вариант изготовления набивной сваи с двумя уступами, смещенными друг к другу относительно вертикальной оси на 180°. Это достигается за счет использования экрана 4 соответствующей конструкции, например двутавра, обеспечивающего сдвиг инертного материала с бетонным раствором и грунтом в противоположных направлениях. Соответственно можно использовать при этом устройство с расширителем (или без него), имеющего симметричную относительно малой оси поперечного сечения конфигурацию. Если необходимо изготовить набивную сваю с двумя уступами, смещенными друг относительно друга под иным углом вокруг продольной оси набивной сваи, необходимо использовать экраны 4, обеспечивающие расширение инертного материала, бетонного раствора и грунта в требуемых направлениях к уступам.

При заполнении скважины 3 инертным материалом и бетонным раствором от поверхности на всю ее глубину уступы образуются на уровне грунтовой поверхности.