НАБОРНАЯ СВАЯ, СПОСОБ СБОРКИ НАБОРНОЙ СВАИ И СПОСОБ ЕЁ ПОГРУЖЕНИЯ МЕТОДОМ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ БЕЗ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ВЕРХНИЙ ТОРЕЦ СВАИ
SET PILE, ASSEMBLY METHOD OF COMPOSITE PILE AND IMMERSION METHOD THEREOF BY METHOD OF ROTARY DRILLING WITHOUT AXIAL LOAD ON UPPER END OF PILE

Группа изобретений относится к строительству и может быть использована для сооружения фундаментов, а также любых опор на открытом грунте, в помещениях и под водой (причалы, мосты и т.п.), служить усилением несущей способности винтовых свай с использованием отдельных опорных элементов наборной сваи.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известна свая (Патент РФ №2499100 опубликован 20.11.2013 г.), имеющая внутреннюю продольную полость, заполненную бетоном с арматурой. Тело сваи выполнено из последовательно установленных заостренного лидирующего, промежуточных с увеличением поперечных размеров и головного железобетонных элементов, имеющих внутренние продольные соосные цилиндрические каналы одинакового диаметра с образованием внутренней продольной полости сваи. Технический результат состоит в повышении удобства в возведении и несущей способности, снижении материалоемкости, уменьшении размеров и веса составных частей тела сваи.
Известная свая является наиболее близким аналогом заявленного решения в части конструкции.
Недостатком конструкции данной сваи является то, что она обладает условным боковым сцеплением, последовательно установленные элементы не скрепляются с осью сваи, что может создавать трудности при ее монтаже в нестабильные грунты, а также отсутствует возможность сборки сваи на поверхности. Кроме того, несущая способность известной сваи имеет прямо-пропорциональную зависимость от поперечных размеров промежуточных элементов и может иметь ограничения границами участка для сооружения свайного фундамента. Погружение сваи не может производится без предварительно пробуренной лидерной скважины.
Недостатком известного способа изготовления и погружения сваи, по сравнению с заявляемым, является то, что для изготовления сваи предварительно требуется лидирующая скважина, заполненная водоцементным раствором, для бурения которой из-за возможной низкой стабилизации грунтов требуется дополнительная обсадка стальными трубами или стабилизация стенок скважины цементно-глинистым раствором, который необходимо либо приготовить на месте, либо доставить спецтехникой, что ведет к увеличению материальных и временных затрат. Кроме того, последовательное насаживание внутренних продольных элементов в необходимом количестве может быть неосуществимо из-за оплывания стенок скважины, что исключено при поступательно-вращательном погружении свай. А также, глубина предварительно пробуренной скважины и, следовательно, несущая способность известной сваи имеет прямо-пропорциональную зависимость от поперечных размеров промежуточных элементов и может иметь ограничения размерами участка для сооружения свайного фундамента. Известна свая (Патент полезную модель РФ №83078 опубликован 20.05.09 г.),
1. Сборная железобетонная бурозавинчиваемая свая, состоящая из железобетонного ствола переменного сечения с арматурным каркасом из продольных стержней и поперечной навивки арматуры, закрепленной на боковой поверхности ствола винтовой навивки и разрыхляющего наконечника, отличающаяся тем, что железобетонный ствол сваи имеет форму параболоида вращения, а винтовая навивка на боковой поверхности ствола выполнена предварительно напряженной непрерывной или прерывистой с переменным шагом в соответствии с распределением усилий в стволе, возникающих при ввинчивании сваи в грунт, и зафиксирована на продольном стержне арматурного каркаса железобетонного ствола, причем винтовая навивка на боковой поверхности ствола выполнена в направлении, противоположном поперечной навивке арматуры арматурного каркаса железобетонного ствола.
2. Сборная железобетонная бурозавинчиваемая свая по п. 1, отличающаяся тем, что винтовая навивка на боковой поверхности железобетонного ствола выполнена по длине сваи с переменным шагом, изменяемым прямо пропорционально диаметру сечения ствола.
3. Сборная железобетонная бурозавинчиваемая свая по п. 1, отличающаяся тем, что винтовая навивка на боковой поверхности железобетонного ствола выполнена по длине сваи с переменным шагом, изменяемым обратно пропорционально диаметру сечения ствола.
4. Сборная железобетонная бурозавинчиваемая свая по п. 1, отличающаяся тем, что свая выполнена с постоянным коэффициентом армирования по длине ствола.
5. Сборная железобетонная бурозавинчиваемая свая по п. 1, отличающаяся тем, что ее бетонная поверхность выполнена волнистой, с глубиной впадин не более 1/3 диаметра.
Известная свая является также и близким аналогом заявленного решения в части конструкции.
Недостатком конструкции известной сваи является отсутствие возможности установки сваи в плотные грунты, так как свая не имеет породоразрушающий инструмент, у которого диаметр резца равен или и больше диаметра сваи, формирующий начальный ствол скважины.
Известная свая без предварительно пробуренной лидерной скважины погружается только до максимально уплотненного грунта, как и винтовая свая. Каждый отдельный составной элемент известной сваи, погружаемый в грунт, имеет большой вес, создавая сложность в доставке к месту фундамента и погружения сваи в грунт. Имеет один способ погружения, путем завинчивания.
Известен способ погружения сваи, (Заявка на изобретение РФ№2011 144 146 Публикация заявки РСТ: WO 2010/112832 (07.10.2010),
1. Заключающийся в установке одной или более колонн/ сваи в вертикальном положении на опорной поверхности (3), образуемой озерным, морским или речным дном, содержащий этапы, на которых опускают устанавливаемую колонну/ сваю (4) со вспомогательного судна (1) до контакта с опорной поверхностью, с использованием нижнего конца/пятки колонны/ сваи (4) в качестве бурового инструмента таким образом, что при вращении колонны/ сваи образуется скважина в опорной поверхности, в которой размещают нижний участок колонны/ сваи (4), и оставляют колонну/ сваю на месте в скважине после завершения операция бурения.
2. Способ по п. 1, включающий в себя этап, на котором используют обратную циркуляцию текучей среды во время операции бурения таким образом, что отходы бурового шлама отводятся в воду около головной части колонны/ сваи (4) с использованием потока сжатого воздуха, подводимого от вспомогательного судна (1) с помощью гибкого составного шланга (15, 16).
3. Способ по п. 1, и включающий в себя этап, на котором используют прямую циркуляцию текучей среды во время операции бурения таким образом, что отходы бурового шлама отводятся в воду на дне (3) водоема, в котором бурение имеет место с использованием потока текучей среды, подаваемого со вспомогательного судна (1) с помощью гибкого составного шланга (15, 16).
Известный способ погружения сваи является наиболее близким аналогом заявленного решения в части способа погружения.
Недостатком вышеуказанного способа по сравнению с заявляемым, является погружение сваи методом бурения с промывкой, требующим принудительного давления на породоразрушающий инструмент, при помощи тяжелых буровых агрегатов с буровыми насосами, осложняющий установку сваи с плавающих платформ, имеющих ограничение по тоннажу и балансу на воде.
Так как бетонная составная свая не имеет спиралевидной реборды, то у нее отсутствует возможность шнекового бурения, позволяющего создавать давление на забой за счет конструкции бурового инструмента, которая бы устремляла сваю вниз, а также обеспечивала постоянное направление погружение сваи, в случаях бурения с плавающих платформ, которые при бурении с промывочной жидкостью нужно постоянно удерживать дополнительными опорами.
Технические проблемы, решаемые группой изобретений заключаются в том, что изготовление железобетонных буровых свай имеет сложности при заливке бетона в нестабильные грунты - требует дополнительную обсадку скважин, применение габаритной спецтехники для изготовления бетонных растворов, использование специализированных методов закачивания бетона либо изготовление бетонного раствора непосредственно в условиях строительной площадки при различных температурах, что негативно сказывается на качестве бетонных растворов. Изготовление фундаментов из забивных бетонных свай также связано с применением габаритной спецтехники и тяжелого забивного оборудования, которое не всегда может разместиться на строительной площадке или выполнять маневрирование в стесненных условиях. При использовании стальных винтовых свай невозможно обеспечить их оптимальную несущую способность из-за слабых механических и антикоррозионных характеристик по сравнению с железобетонными сваями. А также стальные винтовые сваи имеют ограничения по глубине их установки.
Сущность изобретения состоит в том, что непосредственно на строительной площадке, собирается наборная свая из готовых чередующихся опорных элементов-блоков из железобетона или из любого другого прочного, твердого не коррозионного материала в виде объемной геометрической фигуры со сквозным отверстием любого профиля в центре оснований и эллипсовидных пластин - реборд со смещенным относительно центра отверстием и имеющих деформацию края реборды в виде лопасти винта, устанавливаемых на ось штанги любого геометрического профиля, на торце которой закреплен породоразрушающий инструмент, и фиксирующихся к штанге сваркой или любым механическим способом, причем, первым опорным элементом является эллипсовидная пластина - реборда, а последним - усиленная пластина - реборда. Готовая наборная свая доставляется до проектной глубины погружения методом бурения самой сваей. Это происходит за счет разрушения грунта породоразрушающим инструментом и за счет пластин-реборд, расположенных в виде спирали, и увлекающих за собой сваю вниз, что позволяет использовать сваю как буровой инструмент без создания осевой нагрузки на саму сваю. Так, наборные сваи Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8 погружаются способом вращения. Наборная свая Фиг. 2 -вибрационным либо забивным способом. Наборная свая Фиг. 4 после погружения может быть дополнительно усилена инъекциями отвердевающего раствора через перфорации.
Изобретение осуществляется следующим образом - для изготовления фундамента из наборных свай, в зависимости от геолого-технических условий, выбирается наборная свая определенной конструкции. Конструктивные особенности сваи - наличие породоразрушающего элемента и реборды шнека позволяют погружать сваю методом бурения, используя саму сваю как буровой инструмент, а опорные железобетонные элементы - блоки с инъекционными каналами и увеличение количества железобетонных опорных элементов-блоков позволяют увеличить несущую способность наборной сваи. Кроме того, готовые опорные блоки не требуют основных бетонных работ, что существенно сокращает сроки изготовления фундамента. Для изготовления наборной сваи необходимы следующие комплектующие: - опорные железобетонные элементы - блоки Фиг. 12, Фиг. 17, Фиг. 19, пластины -реборды Фиг. 11, Фиг.18 либо опорные железобетонные элементы - блоки со встроенной ребордой Фиг. 14, Фиг. 20, Фиг. 21, штанги - оси свай Фиг. 9, Фиг. 16, усиленные опорные элементы Фиг. 10, породоразрушающий инструмент Фиг. 13. Например - сборка наборной сваи Фиг. 1 производится путем нанизывания и чередования опорных элементов - железобетонных блоков Фиг. 12 и опорных пластин - реборд Фиг. 11 на штангу Фиг. 9 с установленным на ней породоразрушающим инструментом Фиг. 13, начиная с пластины-реборды Фиг. 11 и заканчивая усиленным опорным элементом Фиг. 10 с обязательной фиксацией элементов относительно друг друга. Далее, буровая машина, поднимая наборную сваю в собранном виде Фиг. 1 за штангу, направляет ее в место установки и начинает погружать сваю методом вращения, вибрационным или забивным методом (в зависимости от выбранных конструкций опорных элементов сваи). В случаях использования опорных элементов с инъекционными каналами Фиг. 17, производят закачку отвердевающего бурового раствора через штангу Фиг. 16 сваи.
Сборка сваи производится в следующем порядке:
- на ствол сваи-штангу Фиг. 9 с прикрепленным к нему породоразрушающим инструментом Фиг. 13 поочередно надеваются опорные элементы Фиг. 11, Фиг. 12, располагая их так, чтобы из выдающихся за пределы сваи пластин-реборд образовывалась спираль, т.е. условный буровой шнек с разорванной ребордой. Последний - усиленный опорный элемент Фиг. 10 обязательно скрепляют сваркой или иным способом со стволом сваи- штангой. Количество опорных элементов определяют, исходя из требуемой несущей способности сваи.
Погружение наборной сваи может осуществляться несколькими способами:
- погружение с вращением - собранную сваю в вертикальном положении прикрепляют к буровому вращателю за верхний торец штанги Фиг. 9, начинают вращательное бурение, при этом свая погружается в грунт за счет его разрушения породоразрушающим инструментом Фиг. 13, прикрепленным к штанге снизу, и пластин-реборд Фиг. 11, расположенных на оси штаги в виде ступеней спирали шнека, выполняющих роль зацепляющей лопасти, увлекающей сваю вниз, при этом вынося лишний грунт, образовавшийся при бурении, на поверхность, а оставшийся грунт уплотняя, создавая боковое сцепление сваи со стенками скважины, далее продолжают погружение сваи до проектной глубины, после чего штангу сваи открепляют от бурового вращателя. При использовании опорных наборных элементов с инъекционными каналами Фиг. 17, а также полой штанги с перфорированной стенкой Фиг. 16 и пластины-реборды Фиг. 18, производят закачку твердеющего раствора через торец штанги буровым насосом высокого давления. Закачанный раствор, проникая между опорными элементами, фиксирует их друг с другом.
- вибрационным способом;
- забивным способом.
При использовании вибрационного и забивного способов установки свай применяют определенную конструкцию сваи - Фиг. 2 с использованием пластин-реборд, расположенных вертикально в опорных блоках.
Технический результат заключается в сокращении сроков возведения свайного фундамента в целом, удешевлении и упрощении изготовления сваи, а также улучшении технических характеристик сваи путем заявляемой конструкции наборной сваи, способа ее сборки и способа ее погружения.
Технический результат при применении наборной сваи достигается тем, что:
- позволяет изменять несущую способность сваи за счет увеличения либо уменьшения количества чередующихся опорных элементов, а также изменять их диаметры или габаритные размеры;
- в изготовлении сваи с высокими техническими показателями в различных геологических, полевых и погодных условиях, т.к. при изготовлении сваи используются готовые заводские опорные элементы, что исключает изготовление бетонного раствора на объекте или доставку раствора на объект с помощью спецтехники;
- в скорости изготовления сваи и погружения ее в грунт за счет ее простой сборки из готовых наборных опорных элементов на поверхности строительной площадки с дальнейшим погружением сваи посредством бурения самой сваей либо погружения целостной конструкции сваи в лидерную скважину, либо установки штанги с нижним конечным элементом на забой лидерной скважины и нанизыванием на нее чередующихся опорных элементов, либо установки сваи с помощью ударной или вибрационной нагрузки;
- в установке сваи в не скальные грунты повышенной плотности без принудительной осевой нагрузки на торец сваи за счет конструкции сваи, которая в собранном состоянии выполнена в виде бурового шнека с направляющим буровым пером и наличия в конструкции сваи зацепляющихся за грунт эллиптических пластин-реборд, расположенными на штанге в виде ступеней спирали, производит полноценное бурение при ее вращении;
- в повышении срока службы по сравнению со сваями, выполненными только из металла, за счет применения для изготовления опорных элементов не коррозийных материалов, например, железобетона, полимеров и т.п., скрепляя их между собой твердеющим раствором для высокой степени надежности;
- в высокой стабилизации в грунтах, сравнимой с установкой сваи вибропогружателями, за счет того, что при погружении сваи методом вращения происходит уплотнение грунтов вокруг сваи, благодаря ее конструкции, которая работает, как шнек-раскатка, а также наличия эллипсовидных пластин-реборд, создающих эффект бокового сцепления со стенками скважины;
- в сокращении сроков строительства за счет быстрого изготовления фундамента, благодаря простой конструкции наборной сваи, а также комплектующих сваи к месту установки без применения негабаритной техники.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее:
Графические изображения, фигуры с 1 по 8 - разновидности наборных свай:
- Фиг. 1 - свая с накладными пластинами-ребордами;
- Фиг. 2 - свая с встроенными пластинами-ребордами, параллельными оси штанги;
- Фиг. 3 - свая по типу Фиг. 1 с несколькими штангами;
- Фиг. 4 - свая по типу Фиг. 1 с опорными элементами, имеющими инъекционные каналы;
- Фиг. 5 - свая с опорными элементами с основаниями под углом к оси штанги;
- Фиг. 6 - свая, в опорные элементы которой под углом встроена пластина-реборда;
- Фиг. 7 - свая по типу Фиг. 6 с несколькими штангами;
- Фиг. 8 - свая с опорным элементом, имеющим полный виток шнека.
Графические изображения, фигуры с 9 по 21 - отдельные конструктивные элементы наборных свай:
- Фиг. 9. Штанга сваи, выполненная из металла или твердого и прочного полимера, любого геометрического профиля. Для всех представленных свай
- Фиг. 1-8, кроме сваи Фиг. 4.
- Фиг. 10 Усиленный опорный элемент в виде конструкции, состоящей из пластины с выступающими краями-ребордами, трубы любого профиля и ребер жесткости, соединенных между собой. Для всех представленных свай.
- Фиг. 11 Эллипсовидная пластина-реборда - пластина, выполненная из металла или полимера с деформированным в виде сегмента винта краем, выполняющем роль реборды, со смещенным относительно центра основания пластины сквозным отверстием любого профиля, соответствующим профилю используемой штанги. Для свай Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 5.
- Фиг. 12 Опорный элемент, выполненный из железобетона или любого другого твердого прочного не коррозионного материала блок в виде объемной геометрической фигуры из прочного твердого материала со сквозным отверстием через основание, любого профиля. Для свай Фиг. 1, Фиг. 3.
- Фиг. 13. Породоразрушающий инструмент любой конфигурации. Для свай Фиг. 1-8.
- Фиг. 14 Опорный элемент, выполненный из железобетона или любого другого твердого прочного не коррозионного материала в виде любой объемной геометрической фигуры со сквозным отверстием любого профиля в центре оснований, имеющий несколько встроенных пластин-реборд в виде трапеций, установленных длинным основанием вверх и расположенных параллельно оси штанги, выступающих за края боковых поверхностей опорного элемента. Для сваи Фиг. 2.
- Фиг. 15 Реборда в виде трапеции, устанавливаемая длинным основанием вверх. Для сваи Фиг. 2.
- Фиг. 16 Полая штанга, выполненная из металла или твердого и прочного полимера, любого геометрического профиля, имеющая перфорацию стенки в виде любых геометрических отверстий. Для сваи Фиг. 4.
- Фиг. 17 Опорный элемент, выполненный из железобетона или любого другого твердого прочного не коррозионного материала в виде любой объемной геометрической фигуры со сквозным отверстием в центре оснований, любого геометрического профиля, имеющий инъекционные каналы от центра сквозного отверстия опорного элемента к краям оснований под произвольным углом. Для сваи Фиг. 4.
- Фиг. 18 Эллипсовидная пластина-реборда - пластина, выполненная из металла или полимера с деформированным в виде сегмента винта краем, выполняющем роль реборды, со смещенным относительно центра основания пластины сквозным отверстием любого профиля, соответствующим профилю используемой штанги, и перфорацией, выполняющей роль инъекционных каналов. Для сваи Фиг. 4.
- Фиг. 19 Опорный элемент, выполненный из железобетона или любого другого твердого прочного не коррозионного материала, в виде любой объемной геометрической фигуры со сквозным отверстием в центре оснований любого геометрического профиля, и имеющим основания, выполненные под некоторым углом менее 90 градусов к оси штанги и параллельными друг другу. Для сваи Фиг. 5.
- Фиг. 20 Опорный элемент, выполненный из железобетона или любого другого твердого прочного не коррозионного материала в виде любой объемной геометрической фигуры со встроенной эллиптической пластиной-ребордой со сквозным отверстием в центре оснований любого профиля. Для свай Фиг. 6, Фиг. 7.
- Фиг. 21 Опорный элемент в виде любой объемной геометрической фигуры, выполненный из железобетона или любого другого твердого и прочного материала со сквозным отверстием любого геометрического профиля, имеющий частично встроенную в него металлическую трубу, любого геометрического профиля с приваренным к ней витком реборды шнека, преходящим на объемный опорный элемент. Для сваи Фиг. 8.
Заявителю не известны свая и способ сборки сваи, обладающие вышеуказанными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же технического результата, поэтому заявитель считает, что заявляемое изобретение (техническое решение) соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые свая и способ ее изготовления могут найти широкое применение в строительстве, в частности, в конструкциях свай, предназначенных для устройства свайных фундаментов и способах возведения таких свай, поэтому они соответствуют критерию «промышленная применимость».