СПОСОБ УСТРОЙСТВА ИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF INJECTION PILE

Изобретение относится к строительству, в частности к способам возведения свайных оснований и фундаментов преимущественно в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, как при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции зданий, так и при возведении новых зданий и сооружений.
7
Известен способ устройства буроинъекционной сваи, в котором устройство скважины производят без извлечения грунта. Согласно этому способу устройство скважины осуществляют путем вдавливания с вращением наконечника, жестко установленного на штанге бурового станка и имеющего диаметр, равный диаметру скважины, при этом на штанге бурового станка установлен пневмоударник, к которому прикреплен наконечник. Затем в скважину устанавливают арматуру и производят инъецирование твердеющего материала (Заявка RU №2000117934/03, МКИ  E02D 5/34, 5/44).
Преимуществом этого способа является то, что скважину устраивают без извлечения грунта - установленный на штанге буровой установки наконечник с вращением вдавливают в грунт, обеспечивая уплотнение грунта в основании скважины. Однако предварительное образование скважины при этом не исключается. Эта дополнительная технологическая операция приводит к увеличению срока возведения буроинъекционной сваи и, как следствие, к увеличению ее стоимости. При этом в слабых водонасыщенных грунтах не обеспечивается устойчивость стенок скважины после ее устройства. Кроме того, уплотнение грунта вокруг устроенной таким образом сваи недостаточно велико, что отражается на несущей способности сваи - она в свою очередь также не велика.
Известны другие два способа возведения набивной сваи (пат. 1280084, E02D 5/34, опубл. 30.12.86; пат. 1656928, E02D 5/34, опубл. 15.12.93), в которых формирование ствола сваи осуществляется при вдавливании сначала трубы с кольцевым уширительным наконечником с одновременным заполнением образующегося кольцевого пространства между трубой и стенкой скважины бетонной смесью. Затем труба поднимается, и кольцевое пространство внутри трубы дополнительно заполняется бетонной смесью по пат. №1656928 и песком по пат. №1280084. Таким образом заполняется все кольцевое поперечное сечение сваи.
Недостатками этих двух способов являются отсутствие последующего расширения ствола сваи (увеличения диаметра) по ее длине, а также формирование сваи кольцевого сечения с внутренним включением грунта, что не обеспечивает высокую несущую способность сваи по грунту и по материалу. Преимуществом является то, что устойчивость стенок скважины обеспечивается одновременным заполнением образуемого при вдавливании кольцевого пространства вокруг трубы бетонной смесью.
Из уровня техники известны два варианта способа возведения инъекционной сваи по патенту RU 2263745, МПК E02D 5/34, E02D 5/46, опубл. 10.11.2005. Способ используется преимущественно для слабых грунтов и включает погружение в грунт обсадной трубы с теряемым наконечником и установленной внутри нее инъекторной трубой. Согласно этому способу проводят поэтапное по длине сваи инъектирование твердеющего раствора снизу вверх, сначала в зону скважины между наконечником и нижним упором, установленным в обсадной трубе. Затем обсадную трубу вместе с инъекторной трубой приподнимают и фиксируют. При этом на инъекторную трубу устанавливают дополнительный упор выше нижнего упора и между упорами эту часть инъекторной трубы в одном из вариантов выполняют перфорированной. Инъектируют новую зону, нагнетая под давлением твердеющий раствор, и операции повторяют до извлечения обсадной трубы из грунта. Зону инъектирования устанавливают в пределах однородного грунта, а твердеющую смесь подают с давлением, определяемым для грунта этой зоны. При достижении дополнительным упором поверхности грунта обсадную трубу убирают, а перфорированную часть инъекторной трубы оставляют в скважине. Она выполняет функцию арматуры. Во втором варианте инъекторную трубу выполняют без перфорации, и ее извлекают полностью из скважины. Подачу твердеющего раствора осуществляют только через торцевое отверстие инъекторной трубы. В этом варианте арматурный каркас размещают между упорами и по мере извлечения обсадной и инъекторной труб оставляют в скважине на проектной отметке. Подача твердеющей смеси с давлением, учитывающим характеристики грунта, позволяет получить плотную, однородную по всей высоте сваю и тем самым повысить ее несущую способность.
Недостатком способа является его нетехнологичность ввиду наличия множества операций: погружение обсадной трубы с установленной внутри нее инъекторной трубой, их поэтапный подъем, обрезка перфорированной части (1 вариант), установка дополнительной арматуры (2 вариант). На все это требуется время и дополнительные трудозатраты. Кроме того, в стесненных условиях реконструкции погружение и последующее извлечение обсадной и инъекторной труб является труднодостижимой, практически невыполнимой задачей.
Известен другой способ устройства инъекционной сваи, включающий устройство скважины без извлечения грунта путем вдавливания в грунт инъекторной трубы с наконечником и инъектирование под давлением твердеющего раствора через инъекторную трубу после достижения ею проектной отметки и тампонирования устья скважины. Инъекторная труба перфорирована отверстиями по всей длине с закрепленным на нижнем конце конусным наконечником, состоящим из диска, диаметром большим диаметра инъекторной трубы и режущих пластин, края которых выступают за основание диска. При вдавливании инъектора с наконечником такой конструкции на стенках скважины нарезаются продольные пазы и между стенкой скважины и инъекторной трубой образуется зазор. Зазор необходим для снижения усилия вдавливания при погружении инъекторной трубы и дальнейшего равномерного расширения стенок скважины при инъектировании твердеющей смеси. Инъекторная труба после инъекции твердеющего раствора и формирования ствола сваи остается в теле сваи и выполняет роль арматуры. Ствол сваи при инъекции формируется в виде вертикального стержня с волнообразной боковой поверхностью (пат. RU 2238366, МПК E02D 5/34, опубл. 20.10.04). Указанный способ наиболее близок к заявляемому и принят за прототип.
Недостатком этого способа является возможность оплывания (обрушения) стенок скважины в слабых грунтах на этапе между образованием скважины и инъекцией твердеющей смеси, что сказывается на формировании сплошного сечения устроенной сваи, ее несущей способности и технологичности в процессе выполнения.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение формирования сплошного сечения ствола сваи с повышением ее несущей способности и технологичности изготовления в слабых грунтах.
По заявляемому способу устройства инъекционной сваи, как и по способу, принятому за прототип, устройство скважины производят без извлечения грунта путем вдавливания в грунт перфорированной инъекторной трубы с закрепленным снизу конусным наконечником, состоящим из диска, диаметр которого превышает диаметр инъекторной трубы и режущих пластин. В инъекторную трубу нагнетают под давлением твердеющий раствор, заполняя им устроенную скважину. Как и в прототипе, устье скважины тампонируют, а по достижению конусного наконечника проектной отметки и окончанию инъектирования инъекторную трубу с конусным наконечником оставляют в скважине.
В отличие от прототипа согласно заявляемому способу в грунт вдавливают инъекторную трубу, у которой перфорирована только нижняя часть. Нагнетание твердеющего раствора для заполнения устраиваемой скважины производят одновременно с вдавливанием инъекторной трубы, при этом нагнетание твердеющего раствора производят поэтапно сверху вниз по мере погружения нижней перфорированной части инъекторной трубы в процессе вдавливания. В отличие от прототипа устье скважины тампонируют перед нагнетанием твердеющего раствора сразу после вдавливания в грунт конусного наконечника инъекторной трубы. Помимо этого, на первом этапе дополнительно обеспечивают защиту от выхода наружу нагнетаемого твердеющего раствора, например, с помощью кожуха, надетого на перфорированную часть инъекторной трубы и установленного над тампонирующим устройством. После погружения на первом этапе перфорированной части инъекторной трубы в грунт с заполнением скважины твердеющим раствором на высоту зоны перфорации дополнительно проводят расширение ствола сваи путем дополнительного нагнетания под давлением твердеющего раствора. Затем продолжают вдавливание инъекторной трубы на высоту зоны перфорации с одновременным нагнетанием твердеющего раствора для заполнения скважины и расширяют ствол сваи в этой зоне. Все указанные операции на каждом последующем этапе погружения инъекторной трубы повторяют вновь в той же последовательности до достижения конусного наконечника инъекторной трубы проектной отметки.
Для инъектирования твердеющего раствора может быть использована сплошная труба с перфорированной нижней частью. Но более целесообразным, особенно в стесненных условиях реконструкции, является вариант использования инъекторной трубы, состоящей из нескольких сваренных друг с другом секций одинакового диаметра. В этом случае нижняя секция выполняется перфорированной, а верхние секции, которыми наращивают инъекторную трубу в процессе вдавливания ее в грунт - неперфорированные (глухие). Длина секции выбирается в зависимости от условий погружения трубы (применяемого оборудования) и разнородности напластования грунтов по глубине ее погружения. Наращивание инъекторной трубы выполняют с помощью патрубков, концы которых вставляют в отверстия соединяемых секций, после чего соединяемые секции сваривают по кругу.
При необходимости дополнительно для уплотнения твердеющего раствора и улучшения свойств грунта в окружающем сваю массиве после окончания работы по формированию сваи по всей ее длине проводят опрессовку околосвайного массива грунта высоким давлением.
Расширение ствола сваи на каждом этапе погружения инъекторной трубы возможно путем повышения давления нагнетания твердеющего раствора, или, например, путем увеличения времени нагнетания твердеющего раствора в конкретной зоне.
Свая по заявляемому способу формируется в виде вертикального стержня с волнообразной боковой поверхностью с уширением ствола по всей длине сваи. Путем регулирования объема нагнетаемого твердеющего раствора можно обеспечивать уширения разного диаметра по длине ствола сваи с учетом свойств грунтов.
Применение совокупности заявленных признаков при изготовлении инъекционной сваи обеспечивает решение поставленной задачи по обеспечению формирования сплошного сечения ствола сваи, повышению ее несущей способности и технологичности изготовления в слабых грунтах.
Обеспечение формирования сплошного сечения ствола сваи обеспечивается одновременным заполнением формирующейся скважины твердеющим раствором (бетонной смесью) по мере погружения инъекторной трубы сверху вниз. Такая технология исключает обрушение стенок скважины. Повышение несущей способности сваи обеспечивается формированием дополнительного уширения ствола по длине сваи сверх диаметра конусного наконечника с одновременным уплотнением грунта. Совмещение всех операций по устройству сваи производится одним оборудованием, исключаются операции по его перестановке и смене, что повышает технологичность изготовления сваи.
Заявителю не известны способы устройства инъекционных свай, содержащие совокупность всех заявляемых признаков и характеризующих изобретение. Это подтверждает новизну изобретения. Из уровня техники не выявлено поэтапное инъектирование твердеющего раствора через инъекторную трубу сверху вниз с одновременным расширением ствола сваи на каждом этапе. Явным образом способ не следует из уровня техники, что подтверждает наличие изобретательского уровня.
Далее способ устройства инъекционной сваи поясняется примером конкретного выполнения.
На фиг.1 показана нижняя (пилотная) перфорированная секция инъекторной трубы с наконечником; на фиг.2 показаны наращиваемые глухие секции инъекторной трубы; на фиг.3 показан узел стыковки секций инъекторной трубы; на фиг.4-11 - технологические схемы поэтапного устройства инъекционной свай по предлагаемому способу (поэтапное инъектирование); на фиг.12 показана инъекционная свая, устроенная предлагаемым способом.
Способ устройства инъекционной сваи осуществляют следующим образом.
1
2
2
1
2
1
2
3
3
2
3
2
На поверхность грунта устанавливают нижнюю секцию инъекторной трубы 1, на конце которой закреплен конусный наконечник, состоящий из круглого диска 2 и режущих пластин 3. Диаметр диска 2 больше диаметра инъекторной трубы 1. Нижняя секция инъекторной трубы 1 перфорирована отверстиями 4 (фиг.1). Длина нижней перфорированной секции 1 и рядовых неперфорированных секций 7 инъекторной трубы назначаются исходя из возможностей их погружения в стесненных условиях, а также грунтовых условий площадки (последующего послойного расширения ствола сваи). Погружение трубы 1 с наконечником в грунт производят с помощью вдавливающего оборудования или вибропогружателя (на фигуре не показано), через соединительное устройство 11 с усилием вдавливания N. Так как диаметр трубы 1 меньше диаметра диска 2, в процессе погружения трубы образуется зазор 5 между трубой 1 и стенкой скважины 6, который препятствует засорению отверстий 4 трубы 1 грунтом (фиг.4-11). После погружения наконечника (части инъекторной трубы) и формирования устья скважины производят тампонирование устья скважины одним из известных способов. Например, вдавливая в скважину пробку 9 и удерживая ее нагрузкой. Одновременно с погружением инъекторной трубы 1, производится нагнетание твердеющего раствора в инъекторную трубу с обеспечением заполнения формирующегося зазора 5 и устойчивости стенки скважины 6 (фиг.4-9). Для исключения выхода твердеющего раствора за контур инъекторной трубы над тампонирующим устройством (пробкой 9) в период его нагнетания при погружении нижней перфорированной секции инъекторной трубы 1 над пробкой 9 устанавливается защитное устройство, например кожух 10. По мере увеличения глубины погружения вплоть до проектной отметки для обеспечения устойчивости стенки скважины и равномерного заполнения формирующегося зазора давление нагнетания P твердеющего раствора может увеличиваться. В качестве твердеющего раствора может применяться подвижная мелкозернистая бетонная смесь с необходимыми добавками, а при малых размерах формируемого зазора литая бетонная смесь. После погружения нижней секции инъекторной трубы 1 производят дополнительное расширение ствола сваи (сверх диаметра диска 2) путем дополнительного нагнетания твердеющего раствора под давлением P. Давление нагнетания P может превышать давление нагнетания P. Давление нагнетания P на каждом этапе расширения ствола по длине сваи может быть различным и назначается в зависимости от грунтовых условий площадки (свойств грунта в нагнетаемой зоне), глубины расположения нижней секции инъекторной трубы 1 с исключением гидроразрыва, неконтролируемой утечки твердеющего раствора в массив грунта и на поверхность. После погружения нижней секции инъекторной трубы 1 производят ее наращивание, например, приваривая к верхнему торцу инъекторной трубы 1 следующей секции неперфорированной трубы 7 с патрубком 8 (фиг.2, 3) меньшего диаметра, и продолжают погружение с нагнетанием твердеющего раствора с давлением P. Погружение нижней секции инъекторной трубы 1 с заполнением зазора 5 твердеющей смесью, наращиванием инъекторной трубы неперфорированными секциями 7 и послойное дополнительное расширение ствола сваи (сверх диаметра диска 2) осуществляют до момента достижения наконечником инъекторной трубы проектной отметки. При этом за счет регулирования объема нагнетаемого твердеющего раствора в каждой зоне по длине ствола сваи могут быть выполнены уширения разного диаметра с учетом свойств грунтов. После расширения ствола сваи давлением P последней зоны на проектной отметке расположения наконечника инъекторной трубы при необходимости производят опрессовку системы «свая-грунт» (выдержку во времени) давления P (фиг.11), что позволяет произвести уплотнение бетонной смеси, а также дополнительно улучшить свойства грунта в окружающем сваю массиве. Давление P назначается исходя из грунтовых условий площадки (свойств грунтов), используемых при расширении ствола сваи по глубине давлений P, а также из условий исключения гидроразрыва и неконтролируемой утечки твердеющего раствора в массив грунта. Из этих условий давление P может быть выше, чем наибольшее из давлений P, а может быть меньше. Инъекторную трубу с наконечником оставляют в скважине, и она выполняет функцию армирования в созданной предлагаемым способом свае.
Предлагаемый способ обеспечивает формирование сплошного сечения ствола сваи путем одновременного заполнения формирующейся скважины твердеющей (бетонной) смесью. Повышение несущей способности сваи обеспечивается формированием по длине ствола сваи дополнительного уширения сверх диаметра скважины с уплотнением грунта. Совмещение всех операций по устройству сваи производятся одним оборудованием, исключается операции по его перестановке и смене, что повышает технологичность изготовления сваи.