ГРУНТОВЫЙ АНКЕР ИЛИ БУРОВАЯ СВАЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРУНТОВОГО АНКЕРА ИЛИ БУРОВОЙ СВАИ
GROUND ANCHOR OR DRILLING PILE AND MANUFACTURING METHOD OF GROUND ANCHOR OR DRILLING PILE

Изобретения относятся к области строительства, в частности к грунтовым анкерам для крепления котлованов, откосов, строительных конструкций, например вантовых растяжек и т.п., а также к буровым сваям с уплотнением грунта вдоль их ствола и технологии их изготовления.
Известны буронабивные сваи с несколькими удаленными друг от друга по длине ствола сваи уширениями, вырезанными в грунте механическими инструментами, с увеличением диаметра скважины в 2,5-3,5 раза (сечения в 7-12 раз). При этом экспериментально установлено, что одно уширение дает увеличение несущей способности сваи на 70-80%, два уширения на 240-243%, три уширения на 255% сваи без уширений. При этом шаг уширений от 1 диаметра скважины до 3,2 диаметра [Проектирование и устройство свайных фундаментов. Беленький С.Б., Дикман Л.Г., Кондратьев А.И., Косоруков И.И. и др. - М.: Высш. Шк., 1983, стр.184-186, табл.10.1]. В таблице 10.3 [там же] для буронабивных свай диметром 600 мм и длиной 12 м приведены предельные нагрузки при отсутствии уширений 160 т, при одном уширении 205 т (после интерполяции к длине 12 м), при двух уширениях 225 т и при трех уширениях 275 т; при длине свай 16 м без уширений 175 т, при одном уширении 200 т, при двух уширениях 348 т (после интерполяции к длине 16 м) и 450 т при трех уширениях. Анализируя неполные данные, можно предположить, что второе уширение у свай длиной 12 м и первое уширение у свай длиной 16 м выполнены в грунтах менее прочных, чем остальные уширения, поэтому получились несколько искаженные предельные сопротивления.
При вырезании уширений в грунте его механические свойства (прочность на сжатие, модуль деформации, сцепление, угол внутреннего трения) изменяются в сторону ухудшения строительных свойств. В связи с чем требуются такие огромные уширения, диаметром 1,6 м и более. Вырезать уширения таких размеров не всегда и не во всяких грунтах удается. В малопрочных и слабоустойчивых грунтах, где уширения больше всего нужны, вырезать их практически невозможно, т.к. грунт неустойчив.
Известен способ изготовления буронабивной сваи, включающий устройство скважины, заполнение ее твердеющим составом, формирование камуфлетных уширений электрическими разрядами импульсов тока (электровзрывами) между электродами и перемещение электродной системы вдоль скважины по определенной программе соответственно для получения уширения постоянного сечения или уширения с увеличивающимся сечением в направлении забоя скважины, или уширения с увеличивающимся сечением в направлении устья скважины [описание изобретения к патенту РФ №1688790, E02D 5/44, 23.03.93 г.].
По этому способу одновременно с формированием уширений улучшаются строительные свойства грунта в зоне уширений, что позволяет изготавливать впрессованные уширения значительно меньших размеров чем при их вырезании в грунте механическим способом.
Однако удельная несущая способность грунта, вмещающего сваю с уширениями постоянного сечения или с уширениями с увеличивающимся сечением в направлении забоя скважины, или с уширениями с увеличивающимся сечением в направлении устья скважины, многократно ниже удельной несущей способности бетона ствола сваи, поэтому материал сваи расходуется нерационально.
Наиболее близким является грунтовый анкер, включающий заделку и арматурную тягу, которая выполнена в виде центрального стержня и упруго прикрепленных периферийных элементов, реализованный в способе возведения грунтового анкера, включающем погружение на проектную глубину обсадной трубы с теряемым башмаком, опускание излучателя энергии в погруженную до проектной отметки обсадную трубу, выбивание теряемого башмака-наконечника, заполнение обсадной трубы твердеющим материалом, подъем нижнего конца обсадной трубы до отметки начала заделки анкера, фиксацию положения излучателя на 1,0-2,0 диаметра ниже конца обсадной трубы, обработку стенок скважины электрическими разрядами импульсов тока (электровзрывами), создаваемыми излучателем в твердеющем материале, перемещая излучатель вместе с обсадной трубой по длине заделки для формирования заделки, с непрерывной подачей дополнительного количества твердеющего материала в обсадную трубу. После окончания формования заделки излучатель извлекают, а в обсадную трубу опускают арматурную тягу, извлекая полностью обсадную трубу [патент РФ №2131495, E02D 5/80, 10.06.1999 г.].
По этому же способу заделку выполняют полисферической формы с увеличением диаметра сфер от начала заделки к концу, а тягу выполняют с концентраторами деформации бетона на расстоянии в 1-3 диаметра бетонного сечения заделки друг от друга.
Однако по известному способу скважина в грунте формируется методом вытеснения грунта (забивкой, вибропогружением, вдавливанием, вдавливанием с вращением или комбинацией перечисленных способов). Возникает существенное ограничение области применения известного анкера и способа его возведения. Это физико-механические характеристики грунтов (прочные суглинки и глины, плотные пески, крупнозернистые и гравелистые пески или даже их прослои), в которые невозможно погрузить обсадную трубу методом вытеснения грунта. В рыхлых песках и грунтах, содержащих включения гравия, гальки или щебня, повторное погружение обсадной трубы без наконечника после осуществления нескольких электровзрывов впереди обсадной трубы абсолютно невозможно, тем более что обрушившиеся со свода наклонной скважины включения гравия, гальки и щебня зажмут излучатель так, что вытащить его будет большой проблемой. В результате анкер не будет установлен. Кроме того, при погружении обсадной трубы методом вытеснения грунта в условиях плотной застройки и наличия подземных коммуникаций окажет на них негативное влияние.
Однако удельная несущая способность грунта, даже с учетом улучшения его строительных свойств в локальных зонах полисферических уширений (выполнение заделки с полисферическими уширениями повышает несущую способность по грунту и снижает расход твердеющих материалов), вдоль корня анкера, снабженного концентраторами деформации бетона, многократно ниже удельной несущей способности бетона и тем более стальной анкерной тяги, поэтому материал в корне анкера расходуется нерационально. Выполнение тяги с концентраторами деформации бетона в полисферических уширениях ведет к еще большему перерасходу материала, так как менее прочным материалом в данной системе является грунт, в котором размещен корень анкера.
При изготовлении набивной сваи [патент РФ №2039156, E02D 5/34, 09.07.1995 г.], где указан шаг подъема разрядника равный 400 мм (источника, создающего импульсы давления для формирования локальных уширений) при диаметре скважины 230 мм, экспериментальной проверкой установлено, что при таком шаге подъема разрядника формируемые уширения соединяются между собой. Ствол сваи представляет ровную по макрогеометрии поверхность, хотя свая воспринимает весьма большую вдавливающую нагрузку, однако при таком шаге подъема разрядника уширения соединяются, что не дает существенного прироста несущей способности по грунту, а на создание соединяющихся уширений идет повышенный расход твердеющего материала.
Задачей изобретения является снижение расхода твердеющего материала, повышение производительности труда при изготовлении буровых свай и грунтовых анкеров одновременно с повышением их несущей способности за счет эффективного использования несущей способности грунта.
Поставленная задача достигается благодаря указанному дискретному расположению формируемых зон уплотнения указанным способом грунта вдоль ствола сваи или вдоль корня анкера и заполнению полостей, полученных в результате локального уплотнения грунта, твердеющим материалом, например бетонной смесью или цементным раствором.
Техническим результатом является обеспечение удельной несущей способности грунта вдоль корня анкера, сопоставимой с удельной несущей способностью бетона анкера, в том числе и в локальных зонах уширений. При этом напряженно-деформированное состояние прилегающего к уширению грунта достигает величины напряженно-деформированного состояния грунта в основании сваи.
Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления грунтового анкера или буровой сваи включает формирование скважины в дисперсном грунте, заполнение ее пластичным твердеющим материалом, уплотнение грунта, окружающего ствол изготавливаемой сваи или корень анкера, дискретно с образованием динамическим и/или статическим воздействием уширений, которые формируют путем уплотнения и частичного вытеснения грунта в каждом уширении так, чтобы напряженно-деформированное состояние прилегающего к уширению грунта достигло величины напряженно-деформированного состояния грунта в основании сваи, при этом максимальное расстояние l между центрами уширений вдоль оси скважины определяют по формуле
где
l - расстояние между уширениями, м;
c
d - диаметр скважины, м;
n-1
Δh - величина осадки твердеющего материала в устье скважины при формировании предыдущего уширения, м;
или по формуле
где
l - расстояние между уширениями;
c
r - радиус скважины;
n-1
Vb - объем предыдущего уширения;
а после создания уширений в скважину погружают арматурный каркас.
При этом для изготовления грунтовых анкеров и свай, работающих на выдергивающие нагрузки, центр наиболее удаленной от устья скважины зоны уплотнения размещают от забоя скважины на расстоянии 1,5-2d скважины, а арматурный каркас в нижнем конце выполняют с анкерными приспособлениями.
Грунтовый анкер или буровая свая из затвердевшего пластичного материала с арматурным каркасом и уширениями ствола, размещенными в окружающем их дисперсном грунте, уплотненном до величины напряженно деформированного состояния, равного величине напряженно деформированного состояния грунта в основании сваи, при этом центры уширений вдоль оси анкера или скважины расположены на расстоянии не более величины
где
l - расстояние между уширениями, м;
c
d - диаметр скважины, м;
n-1
Δh - величина осадки твердеющего материала в устье скважины при формировании предыдущего уширения, м;
или на расстоянии не более величины
где
l - расстояние между уширениями;
c
r - радиус скважины;
n-1
Vb - объем предыдущего уширения.
А для грунтовых анкеров и свай, работающих на выдергивающие нагрузки, центр наиболее удаленной от устья скважины зоны уплотнения размещен от забоя скважины на расстоянии 1,5-2 d скважины, а арматурный каркас на нижнем конце имеет анкерные приспособления. В качестве твердеющего материала используют цементный раствор, мелкозернистую бетонную смесь и т.п.
Таким образом, в предложенных технических решениях рассматривается система «свая - грунт» или «анкер - грунт», обеспечивающая совместно решение поставленной задачи с достижением указанного выше результата. Установлено, что шаг уширений обратно пропорционален прочности грунта, в котором расположены уширения, и определяются по расходу визуальному снижению уровня. Если расстояние меньше диаметра скважины, то зоны уплотнения соединяются и эффект дискретности исчезает полностью. Расстояние равное 10 диаметрам установлено из условия распространения в грунте усилия от точки приложения. При увеличении расстояние между зонами уплотнения более 10 диаметров скважины несущая способность массива не обеспечивает достижения заявленного результата по несущей способности. Минимальное расстояние между центрами определяется как сумма диаметров двух последовательно расположенных по оси скважины уширений.
Техническое решение проверено расчетами и подтверждено экспериментально.
Техническое решение поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен общий вид (фото) свай с дискретно размещенными уширениями, изготовленных в грунте с использованием электрических разрядов импульсов тока и выкопанных для исследований.
На фиг.2 приведено продольное сечение грунтового анкера, изготовленного по заявляемому техническому решению.
На фиг.3 приведено продольное сечение сваи, изготовленной по заявляемому техническому решению, работающей на выдергивающую нагрузку.
На фиг.4 приведено продольное сечение сваи, изготовленной по заявляемому техническому решению, работающей на вдавливающую нагрузку.
На фиг.5 приведена фотография грунтового анкера с дискретно расположенными камуфлетными уширениями, после испытания выдергивающей нагрузкой, доведенной до разрушения анкерной тяги - 62,5 тс, а) - в момент откопки, б) - на стропах крана, в) - начало развития трещины в бетоне в ближнем, наиболее нагруженном, бетонном уширении.
На чертежах обозначено: буровая скважина 1, заполненная твердеющим материалом 2, в скважине дискретно с шагом S=(1-10)d буровой скважины сформированы уширения 3 путем уплотнения и частичного вытеснения грунта, так чтобы напряженно-деформированное состояние прилегающего к уширению грунта достигло напряженно-деформированного состояния грунта в основании забивной сваи. В скважину погружен арматурный каркас 4, снабженный центраторами 5. Первое уширение выполнено от забоя скважины на расстоянии 1,5…2d скважины. Арматурный каркас в нижнем конце снабжен анкерными приспособлениями 6.
При изготовлении грунтовых анкеров и свай, работающих на выдергивающие нагрузки, для эффективного включения в работу бетона сваи или корня анкера, а также окружающего грунта, на наиболее удаленном от устья скважины конце армирующего элемента, выполняют анкерные приспособления, а центр наиболее удаленной от устья скважины зоны уплотнения размещают на 1,5…2 диаметра скважины ближе к ее устью, считая от наиболее удаленной точки армирующего элемента.
Помимо разрядно импульсного способа, с использованием электродной системы, могут использоваться и другие способы создания дискретных зон повышенной плотности грунта вокруг ствола сваи или корня анкера, как динамические, так и статические воздействия на грунт в локальных зонах.
Экспериментально (на строящемся у Можайского шоссе объекте) установлено, что грунтовые анкеры в полутвердых суглинках с тремя камуфлетными уширениями, выполненными с шагом 1,5 м, в скважине первоначальным диаметром 15 см, обеспечили заделку корня анкера, выдержавшую до разрыва анкерной тяги из винтовой арматурной стали марки Ст. 950/1050 (производство Германии) на усилии 62,0…62,2 тс, аналогично с заделкой корня анкера, в котором камуфлетные уширения создавались с шагом, равным диаметру скважины. Время формирования уширений в первом случае было на 15 минут меньше.
Экспериментально установлено, что сваи длиной 23 м, диаметром скважины по диаметру долота 320 мм в мелах (Воронежская обл., территория нового цементного завода в пос. Подгоренском) с камуфлетными уширениями, выполненными с шагом 2 м, при испытании статической вдавливающей нагрузкой 210 тс, имели меньшую деформацию по сравнению со сваями, у которых камуфлетные уширения были сформированы с шагом 0,7-1,0 м.
Причем стабилизация деформаций свай и анкеров с камуфлетными уширениями, выполненными с большим шагом, наступала заметно быстрее.
L
Если корень анкера размещен в глинистых грунтах с J=0,2 на глубине 10 м, то после обработки участка корня анкера на длине 1 м разрядами импульсов тока (РИТ) диаметр скважины 150 мм увеличится в 1,25 раза и достигнет 0,15·1,25=0,1875 м, согласно ТР 50-180-06 (табл.3).
Объем цементного раствора, израсходованного на заполнение уширения, составит
2
2
3
V=π/4(0,1875-0,15)=0,00994 м.
Периметр скважины после обработки составит U=0,1875π=0,589 м.
L
2
Согласно актуализированной редакции СНиП 2.02.03-85 (табл.7.3) расчетное сопротивление на боковой поверхности сваи (корня анкера) в глинистых грунтах J=0,2 на глубине 10 м составит 6,5 тс/м. При диаметре ствола 0,1875 м сопротивление грунта, при устройстве анкера по известному способу, на длине 1 м составит
dбок
F=6,5·0,589·1=3,83 тс.
3
Если сформировать одно камуфлетное уширение, израсходовав 0,00994 м цементного раствора, получим диаметр уширения, условно принимая его в форме шара, равным 31 см. Площадь поперечного сечения этого уширения составляет
уш
2
2
А=π·0,31/4=0,0751 м.
скв
2
2
В состав этой площади входит площадь скважины А=0,15·π/4=0,01767 м.
При перемещении анкера под нагрузкой на грунт действует нагрузка по площади кольца
кольца
уш
скв
2
А=А-А=0,0751-0,01767=0,0574 м.
L
2
После создания в зоне камуфлетного уширения напряженно-деформированного состояния грунта, как под нижним концом забивной сваи, погруженной в этот же грунт на эту же глубину, сопротивление грунта можно принять по таблице 7.2 актуализированной редакции СНиП 2.02.03-85, как под нижним концом забивной сваи в глинистых грунтах с J=0,2 на глубине 10 м R=500 тс/м.
2
Усилие, воспринимаемое грунтом по кольцу площадью 0,0574 м, при устройстве анкера согласно изобретения, составит
кольца
Fd=500·0,0574=28,7 тс.
Как видим, при одинаковом расходе цементного раствора получаем существенное увеличение несущей способности.
dбок
По известному варианту F=6,5·0,5888·1=3,83 тс.
кольца
По заявляемому изобретению Fd=500·0,0574=28,7 тс.
В приведенном примере увеличение несущей способности составило 7,5 раз.
Описанный выше процесс выражен эмпирическими зависимостями, максимальное расстояние l (м) между центрами уширений вдоль оси скважины
где
c
d - диаметр скважины, м;
n-1
Δh - величина осадки твердеющего материала в устье скважины при формировании предыдущего уширения, м.
c
При d=0,15 м, в приведенном выше примере объем цементного раствора, израсходованного на заполнение уширения, составлял
3
2
скв
n-1
скв
V=0,00994 м, при площади буровой скважины A=0,01767 м, откуда Δh=V:A=0,00994:0,01767=0,56 м, подставляя полученные значения в формулу, получаем
c
n-1
l=10√d·Δh=10√0,15·0,56=2,9 м;
или
где
c
r - радиус скважины;
n-1
Vb - объем предыдущего уширения;
c
c
n-1
3
при r=0,5, d=0,075 м, Vb=0,00994 м, получаем
n-1
c
l=8√Vb:r=8√0,00994:0,075=8√0,1325=2,9 м.
Получаемый технический результат заключается не только в снижении расхода твердеющего материала на заполнение ненужных уширений, сколько в сокращении времени, затрачиваемого на создание камуфлетных уширений, так как общее время изготовления сваи и анкера ограничено временем начала схватывания цемента, используемого в качестве вяжущего в твердеющем материале, учитывая, что после создания уширений в скважину погружают арматурный каркас. Кроме того, при снижении затрат времени и материалов одновременно повышается качество и надежность свай и грунтовых анкеров, изготовленных по заявляемому изобретению.