устройство для сооружения буронабивных винтовых свай

Формула изобретения

1. Устройство для сооружения буронабивных винтовых свай, состоящее из корпуса, верхняя часть которого выполнена в виде полого многогранного ниппеля с отверстием под замковый палец, и породоразрушающего приспособления с юбкой, отличающееся тем, что средняя и нижняя части корпуса выполнены в виде цельных цилиндров с поперечным сечением различного диаметра, причем средняя часть - большего, а нижняя - меньшего диаметров, при этом в средней цилиндрической части выполнены система отверстий, полость для инъекции бетонной смеси и поперечный паз, в котором на вертикальной оси, размещенной в вертикальном отверстии корпуса, с возможностью вращения смонтирован щелеобразующий нож, задняя и передняя грани рабочей части которого образованы пересечением двух цилиндрических поверхностей различного радиуса, оси которых параллельны оси устройства и лежат в одной плоскости, а ось цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, совпадает с осью устройства, при этом нижний и верхний торцы выполнены с радиусными фасками, а щелеобразующий нож установлен с возможностью взаимодействия с подпружиненным толкателем для выдвижения щелеобразующего ножа в рабочее положение, а в нижней цилиндрической части корпуса выполнен сквозной продольный паз с размещенным в нем ограничителем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, равен радиусу корпуса устройства.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей переднюю грань щелеобразующего ножа, в 0,8-1,25 раза больше радиуса цилиндрической поверхности, образующей его заднюю грань.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний и нижний торцы передней грани щелеобразующего ножа выполнены с радиусными фасками равной величины, находящейся в пределах 0,5-0,75 S, где S - ширина щелеобразующего ножа.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний торец средней цилиндрической части корпуса расположен выше верхней плоскости поперечного паза, который в транспортном положении перекрыт кожухом, жестко связанным с юбкой породоразрушающего приспособления.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сквозной продольный паз в нижней цилиндрической части корпуса имеет длину, большую, чем расстояние от верхнего торца кожуха до нижнего торца поперечного паза.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость в корпусе для инъекции бетонной смеси в скважину расположена на одном уровне с поперечным пазом и смещена назад по ходу вращения устройства относительно поперечного паза.

Описание изобретения к патенту

Устройство для сооружения буронабивных винтовых свай относится к области горной промышленности и строительства и может быть использовано при строительстве фундаментов зданий, опор ЛЭП, радиомачт, мостов, эстакад, путепроводов и других специальных сооружений.

Известен способ изготовления буронабивной сваи, по которому формирование ее производится устройством путем завинчивания в грунт бурильной колонны, состоящей из инвентарной трубы и винтового наконечника. При достижении глубины, соответствующей длине изготавливаемой сваи, в полость инвентарной трубы подают твердеющий материал с одновременным извлечением инвентарной трубы и оставлением винтового наконечника в скважине (Строительство и городское хозяйство в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, 2003, № 60).

К недостаткам данного способа относятся большие энергетические затраты для внедрения винтового наконечника в грунт и отсутствие возможности создавать значительные осевые усилия при бурении в стесненных условиях малогабаритными буровыми установками. Из-за того, что винтовой наконечник не извлекается из скважины, значительно увеличивается стоимость возведения фундамента.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для сооружения буронабивных винтовых свай, состоящее из корпуса, верхняя часть которого выполнена в виде полого многогранного ниппеля с отверстием под замковый палец, и породоразрушающего приспособления с юбкой (Патент Японии № 36-575, кл. 86 А 321, опубл. 1961).

Данное устройство имеет ряд существенных недостатков. Для образования винтовой скважины без выноса разрушенного грунта на поверхность, даже в грунтах со средней несущей способностью, требуется применение тяжелых буровых установок со значительным крутящим моментом, которые невозможно применить вблизи существующих фундаментов из-за их значительных габаритов и ограниченности пространства. После образования винтовой скважины в слабонесущих грунтах не исключена возможность обрушения ее стенок и ликвидация винтовой нарезки. Кроме того, вывинчивание формующего элемента обратным вращением строго по винтовой нарезке, образованной прямым ходом, соответствующей шагу этого элемента, осуществить на практике невозможно, что приводит к нарушению стенок винтовой скважины. Оставление башмака на забое скважины влечет за собой удорожание стоимости сваи.

Технический эффект, ожидаемый от использования изобретения, заключается в повышении производительности при сооружении буронабивных винтовых свай и их несущей способности в устойчивых и средней устойчивости грунтах, а также в снижении стоимости буровых работ.

Указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве для сооружения буронабивных винтовых свай, состоящем из корпуса, верхняя часть которого выполнена в виде полого многогранного ниппеля с отверстием под замковый палец, и породоразрушающего приспособления с юбкой, средняя и нижняя части корпуса выполнены в виде цельных цилиндров с поперечным сечением различного диаметра, причем средняя часть - большего, а нижняя - меньшего диаметра, при этом в средней цилиндрической части выполнены система отверстий, полость для инъекции бетонной смеси и поперечный паз, в котором на вертикальной оси, размещенной в вертикальном отверстии корпуса, с возможностью вращения смонтирован щелеобразующий нож, задняя и передняя грани рабочей части которого образованы пересечением двух цилиндрических поверхностей различного радиуса, оси которых параллельны оси устройства и лежат в одной плоскости, а ось цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, совпадает с осью устройства, при этом нижний и верхний торцы выполнены с радиусными фасками, а щелеобразующий нож установлен с возможностью взаимодействия с подпружиненным толкателем для выдвижения щелеобразующего ножа в рабочее положение, а в нижней цилиндрической части корпуса выполнен сквозной продольный паз с размещенным в нем ограничителем. Изобретение отличается и тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, равен радиусу корпуса устройства, а также тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей переднюю грань щелеобразующего ножа, в 0,8-1,25 раза больше радиуса цилиндрической поверхности, образующей его заднюю грань, и тем, что верхний и нижний торцы передней грани щелеобразующего ножа выполнены с радиусными фасками равной величины, находящейся в пределах 0,5-0,75 S, где S - ширина щелеобразующего ножа, а также тем, что верхний торец средней цилиндрической части корпуса расположен выше верхней плоскости поперечного паза, который в транспортном положении перекрыт кожухом, жестко связанным с юбкой породоразрушающего приспособления, тем, что сквозной продольный паз в нижней цилиндрической части корпуса имеет длину большую, чем расстояние от верхнего торца кожуха до нижнего торца поперечного паза, и тем, что полость в корпусе для инъекции бетонной смеси в скважину расположена на одном уровне с поперечным пазом и смещена назад по ходу вращения устройства относительно поперечного паза.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематическое изображение устройства в разрезе в положении бурения пилотной скважины под сваю, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 с указанием диаметров породоразрушающего приспособления d2 и реборды шнека d1, на фиг.3 - схематическое изображение устройства в разрезе в положении образования винтовой щели, на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3 при различных диаметрах цилиндрической поверхности, образующей переднюю грань щелеобразующего ножа, на фиг.5 - схематическое изображение щелеобразующего ножа на плоскости с видом по А и сечением по Б-Б при R1=1,2R и различных значениях r.

Устройство состоит из корпуса 1, верхняя часть которого представляет собой полый многогранный ниппель 2 с отверстием под замковый палец 3 для соединения со шнековым снарядом. Средняя 4 и нижняя 5 части корпуса 1 - цельные цилиндры различного диаметра. При этом средняя часть 4 имеет больший диаметр, чем нижняя часть 5. В средней цилиндрической части 4 корпуса 1 имеются полость 6 для инъекции твердеющей смеси, которая соединена с полым многогранным ниппелем 2 посредством отверстия (на фиг.1 не показано), поперечный паз 7, в котором на вертикальной оси 8, размещенной в корпусе 1, смонтирован щелеобразующий нож 9. Задняя 23 и передняя 24 грани рабочей части щелеобразующего ножа 9, внедряющиеся в стенки пилотной скважины, образованы пересечением двух цилиндрических поверхностей различного радиуса R и R1, оси которых параллельны оси устройства и лежат в одной плоскости. Ось цилиндрической поверхности, которая образует заднюю 23 грань щелеобразующего ножа 9, совпадает с осью устройства. Радиус R цилиндрической поверхности, образующей заднюю 23 грань щелеобразующего ножа 9, равен радиусу корпуса устройства 1, а радиус R1 цилиндрической поверхности, образующей переднюю 24 грань щелеобразующего ножа, в 0,8-1,25 раза больше радиуса R цилиндрической поверхности, образующей его заднюю 23 грань. Верхний 25 и нижний 26 торцы передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 выполнены с радиусными фасками равной величины, находящейся в пределах 0,5-0,75 S, где S - ширина щелеобразующего ножа.

Из фиг.2 видно, что при R1=2R, где R1 и R радиусы передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 и корпуса 1 устройства соответственно, передняя грань щелеобразующего ножа представляет собой практически плоский прямоугольник при диаметре пилотной скважины под сваю, равном 210 мм, и максимально возможном в данном случае диаметре корпуса устройства 160 мм. При такой геометрии передней грани щелеобразующего ножа разрушение грунта будет происходить преимущественно в режиме резания практически без смятия, что повлечет за собой смешивание разрушенного грунта с твердеющей смесью и ухудшению ее прочностных свойств, а следовательно, и уменьшению прочности сваи.

При R1=1,2R передняя 24 грань щелеобразующего ножа 9 будет производить работу преимущественно в режиме смятия грунта, т.е. практически весь объем грунта, находящийся перед передней гранью ножа при его поступательном движении будет вдавлен в стенки винтообразной полости, исключая смешивание разрушенного грунта с твердеющей смесью. В данном случае не будут нарушены прочностные характеристики твердеющей смеси.

Уменьшение R1 до величины 0,85R при ширине щелеобразующего ножа 5 см, как показали наши расчеты, приводит к увеличению объема грунта, вдавливаемого в стенки винтообразной полости на 23,4% (с 32,4 см³ при R1=1,2R до 40 см³ при R1=0,85R). Для вдавливания такого объем грунта в стенки винтообразной полости при сооружении сваи в грунтах со средней несущей способностью потребуются дополнительные затраты энергии на вращателе буровой установки, т.е. необходимо применять более мощные установки, что не всегда возможно и оправдано,

Исполнение верхнего 25 и нижнего 26 торцов передней грани 24 щелеобразующего ножа 9 по радиусным фаскам равной величины (например r1, фиг.5) способствует смятию и вдавливанию грунта в кровлю и почву винтовой полости, полностью исключая его резание, а следовательно, и смешивание с твердеющей смесью, т.е. не нарушая прочностных характеристик этой смеси. Для определения наиболее оптимальной величины радиуса этих фасок нами проведены аналитические расчеты, которые показали следующее: при r3, равном 0,9 и 1,1S, где S - ширина щелеобразующего ножа 9, радиусные фаски на передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 представляют собой кривые, приближающиеся к прямым, т.е. передняя грань становится практически плоской, что ухудшает условия смятия и вдавливания грунта в стенки винтообразной щели и требует значительных энергетических затрат; при r2, равном 0,5-0,65S, верхний и нижний торцы передней грани щелеобразующего ножа имеют достаточную скругленность, что обеспечивает смятие и вдавливание грунта перед передней гранью щелеобразующего ножа в стенки винтообразной полости.

Исходя из сказанного, мы пришли к выводу, что при сооружении свай в грунтах со средней несущей способностью радиус передней грани щелеобразующего ножа R1 должен находиться в пределах 1,1-1,25R и r1 в пределах 0,65-0,7S, а при сооружении свай в слабонесущих грунтах R1 можно уменьшать до 0,8R и r1 до 0,5S.

Проведенные расчеты справедливы также и для сваи любого другого диаметра с различными геометрическими параметрами щелеобразующего ножа.

Щелеобразующий нож 9 приводится в рабочее положение толкателем 10 при помощи пружины 11, с внешней стороны зафиксированной заглушкой 13. Толкатель 10 смонтирован с возможностью перемещения в полости 12. Полость 6 посредством отверстия 21 (см. фиг.2) соединена с полостью 22 (см. фиг.1) в корпусе породоразрушающего приспособления 17.

В нижней цилиндрической части 5 корпуса 1 выполнен сквозной продольный паз 14, в котором с возможностью перемещения находится ограничитель 15, установленный в сквозные отверстия юбки 16 (на фиг.1 и 2 не показаны), жестко соединенной с породоразрушающим приспособлением 17, выполненным в виде конической насадки, и удерживающий их в транспортном положении, т.е. когда происходит бурение пилотной скважины под сваю, и в рабочем положении, когда в пилотной скважине происходит образование винтовой щели.

Верхний торец средней цилиндрической части 4 корпуса 1 расположен выше верхней плоскости поперечного паза 7, который в транспортном положении перекрыт кожухом 19, жестко связанным с юбкой 16 породоразрушающего приспособления 17. Щелеобразующий нож 9 в транспортном положении под действием пружины 11 упирается в кожух 19 и не дает юбке 16 с породоразрушающим приспособлением 17 опуститься в крайнее нижнее положение в случае встречи в разрезе скважины пустот или несвязных пропластков грунта. Кожух 16 в транспортном положении перекрывает и полость 6, высота которого равна высоте поперечного паза 7.

Сквозной продольный паз 14 в нижней цилиндрической части 5 корпуса 1 имеет длину, несколько большую, чем расстояние от верхнего торца кожуха 19 до нижней плоскости 20 поперечного паза 7. Полость 6 для инъекции твердеющей смеси в средней цилиндрической части 4 корпуса 1 расположена на одном уровне с поперечным пазом 7, что обеспечивает ее полное перекрытие кожухом 19 при бурении пилотной скважины, и смещена относительно поперечного паза 7 назад по ходу вращения устройства.

Смещение полости 6 относительно поперечного паза 7 назад по ходу вращения устройства выполнено с целью мгновенного заполнения образующейся щели бетонной смесью.

Устройство работает следующим образом. На устье скважины собирают шнековый буровой снаряд, состоящий из полых шнеков, и подсоединенного к ним устройства. Этим снарядом бурится пилотная скважина до проектной глубины сваи. Пробурив пилотную скважину, буровой снаряд несколько приподнимают от забоя, останавливают вращение шнекового снаряда и начинают подачу бетонной смеси под давлением через полый шнековый снаряд к устройству и через отверстие 21 в полость 22 породоразрушающего приспособления 17.

При достижении определенного давления, превышающего силу трения щелеобразующего ножа 9 о стенку кожуха 19, породоразрушающее приспособление 17 с юбкой 16 и кожухом 19 опускаются вниз до упора ограничителя 15 в нижнюю часть сквозного продольного паза 14 (см. фиг.3). При этом открываются полость 6 и поперечный паз 7 в средней части 4 корпуса 1 устройства, где размещен щелеобразующий нож 9. Это возможно за счет того, что сквозной продольный паз 14 в цилиндрической нижней части 5 корпуса 1 имеет длину большую, чем высота поперечного паза 7 и полости 6. После открытия поперечного паза 7 щелеобразующий нож 9 под действием пружины 11 толкателем 10 выдвигается за пределы диаметра пилотной скважины (фиг.4 - d2), образованного породоразрушающим приспособлением 17. Полное выдвижение щелеобразующего ножа 9 до диаметра винтовой щели (фиг.4 - d₃) происходит как за счет действия пружины, так и за счет силы сопротивления грунта разрушению при начале вращательного движения шнекового снаряда по часовой стрелке.

Далее в зависимости от степени устойчивости грунта, которая определена инженерными изысканиями перед началом строительства данного объекта, выбирают шаг винтовой щели, который будет образован при одновременном вращательном и поступательном вверх движении шнекового снаряда с выдвинутым щелеобразующим ножом 9, обеспечивающий наибольшую несущую способность сваи. При этом во время подъема шнекового снаряда нет необходимости придавать ему строго определенную скорость вращения и подачи, исходя из величины шага спирали винтового наконечника, как это имеет место при сооружении винтовых свай способом завинчивания с последующим вывинчивании винтового наконечника.

Таким образом, изобретение имеет следующие преимущества:

1. Обеспечивается сооружение буронабивных свай с винтовой нарезкой щели в стенках пилотной скважины с регулируемой величиной шага винтовой полости в зависимости от степени устойчивости грунта.

2. Нарезка винтовой полости в стенках пилотной скважины осуществляется при подъеме шнекового снаряда с одновременным вращением, для чего нет необходимости строго выдерживать соотношение скорости вращения и подъема бурового снаряда, достаточно только соблюдать равномерность этих величин.

3. Исключается возможность смешивания разрушенного грунта с твердеющей смесью, не ухудшая ее прочностных характеристик, при одновременном уплотнении стенок винтовой полости, что обеспечивает их устойчивость и повышает несущую способность.

4. Исключается необходимость применения мощных тяжелых буровых установок, что дает возможность сооружать буронабивные винтовые сваи в непосредственной близости от фундаментов ранее построенных зданий и сооружений.

5. Устройство обеспечивает высокую производительность буровых работ.