Способ возведения свай в скальных и мерзлоскальных грунтах
METHOD FOR CONSTRUCTION OF PILES IN ROCK AND PERMAFROST SOILS

Область техники
. Изобретение относится к строительству фундамента и оснований на скальных грунтах, в том числе для особых целей /E02D 27/35/ на вечномерзлых грунтах, конкретно к способу возведения свай в скальных и мерзлоскальных грунтах Крайнего Севера.
Уровень техники.
Известен способ возведения свай в вечно мерзлом грунте, включающий бурение скважины, установку в нее ствола сваи, заполнение пространства между стволом сваи и стенками скважины кусками мерзлого водонасыщенного грунта, после чего с помощью паровой иглы производят оттаивание верхней части пространства до превышения уровня образующейся при оттаивании грунтовой массы над кусками мерзлого грунта (RU 2039158С1, дата приоритета 06.01.1993, дата публикации 09.07.1995, автор Хафизов P.М.).
Недостатком известного способа /RU 2039158/ является малая сопротивляемость сваи от действия крутящего момента, потеря устойчивости при внезапном оттаивании.
Известен способ возведения свай на вечномерзлом грунте /RU 2692394, 24.06.2019, Автор: Преснов О.М./, заключающийся в бурении лидерной ступенчатой скважины с уменьшающимся по глубине диаметром, установке в пробуренную скважину паровой иглы, оттаивание грунта скважины до необходимой для беспрепятственной установки сваи глубины, извлечение паровой иглы, заливку скважины горячим раствором глины с цементом и погружению в неё сваи с помощью вибропогружателя с последующим заполнением пространства между сваей и стенками скважины указанным цементирующим раствором до верхнего уровня скважины.
Недостатком известного способа /RU 2692394/ является повышенный расход жидкого цементирующего раствора из-за повышенных размеров лидерной скважины с диаметром устья до единиц метров. Вследствие этого возникает необходимость развертывания бетонных заводов по приготовлению больших объемов жидкого раствора в непосредственной близости от места возведения свай. Это приводит к снижению производительности возведения свай. Кроме того, пониженная зимняя температура в районах Крайнего Севера из-за быстрого охлаждения и замерзания жидкости затрудняет доставку цементирующего раствора автобетоносмесительным транспортом с бетонных заводов в место установки свай, а также затрудняет применение доставленного замерзшего раствора для крепления сваи в лидерной скважине. Следствием этого является дополнительное снижение производительность известного способа возведения сваи на скальных и мерзлоскальных грунтах из-за простоев автобетоносмесительного транспорта и соответствующего оборудования бетонных заводов в зимнее время.
Известен способ возведения свай в скальных и мерзлоскальных грунтах /RU 2584019, 20.05.2016, авторы: Козлов М.А., Момот О.Н, Щербинко А.В., Шустов Э.И./, не требующий применения замерзающего жидкого цементирующего раствора и включающий погружение в грунт стальной опорной сваи с винтовым оперением путем её завинчивания на проектную глубину ниже уровня сезонного оттаивания грунтов. После завинчивания сваи в грунт полость сваи засыпают сухой пескоцементной смесью (ПЦС), обеспечивающей уменьшение внутренней коррозии сваи и увеличения её прочности.
Непосредственное ввертывание сваи в мерзлоскальный грунт обепечивает ускоренное возведение свай и не требует применения жидких пескобетонных растворов (ПБР) для крепления винтовых свай в грунтах в момент их установки. В свою очередь, исключение необходимости применения жидких ПБР позволяет обеспечить круглогодичную установку свай в районах Крайнего Севера и дополнительно повысить производительность производства свайного фундамента в мерзлоскальных грунтах. При этом за счет использования сухой ПЦС для засыпки только полости сваи снижается расход цемента и исключается необходимость постройки соответствующих заводов по производству жидких ПБР в месте возведения свай.
Известный /RU 2584019/ способ возведения свайного фундамента в мерзлоскальных и скальных грунтах требует применения высокопрочных свай и высокомощного бурильного оборудования.
Как показала буровая практика заявителей, на современном уровне бурильной техники противоречие между высокой прочностью скального грунта, с одной стороны, и недостаточной прочностью свай, и ограниченной мощностью бурильного оборудования, с другой, остается пока неразрешимой проблемой, приводящей к поломке винтовых свай и/или бурильного оборудования при ввертывании винтовых свай в цельный скальный грунт.
Желательна разработка способа возведение свай на скальных и мерзлоскальных грунтах, обладающего повышенной производительностью и не требующего возведения заводов по производству ПБС и ПЦС в непосредственной близости от места возведения свай.
В известном уровне техники таких способов не обнаружено.
Задачей изобретения
является разработка способа возведение свай в мерзлоскальных и скальных грунтах, обладающего повышенной производительностью и не требующего возведения заводов по производству ПБС и ПЦС в непосредственной близости от места возведения свай.
Техническим результатом,
обеспечивающем решение этой задачи, является повышение скорости бурения скважины в скальном грунте под требуемый диаметр сваи и одновременно резкое снижение требуемых объемов жидкой ПБС для крепления сваи в скважине.
Сущность изобретения.
Для достижения заявленного технического результата и, как следствие, решения поставленной задачи предложенный способ возведения свай в скальных и мерзлоскальных грунтах включает последовательность выполнения следующих операций.
Вначале в месте установки каждой сваи бурят узкую лидерную скважину на проектную глубину погружения сваи скальным буром.  Одновременно выводят бурильный шлам из зоны бурения сжатым воздухом, подаваемым через полость бура и отверстие в резаке бура. Затем образованную лидерную скважину расширяют расширительным долотом, снабженным ударником и пустотелым направляющим патрубком – пилотом с торцевыми зубьями. Лидерную скважину расширяют до поперечных размеров, соответствующих диаметру лопастей винтовой сваи указанным долотом или последовательным применением долот увеличенного диаметра. В процессе расширения скважины из не выводят буровой шлам путем подачи сжатого воздуха в зону расширения через центральное отверстие в расширительном долоте. Одновременно на переносной бетономешалке готовят жидкую пескобетонную смесь (ПБС) в объеме достаточном для жесткого крепления сваи в расширенной скважине. После готовности ПБС и очистки расширенной скважины от шлама вынимают расширительное долото и в нижнюю часть расширенной скважины через соответствующий желобок мобильной бетономешалки заливают жидкую ПБС на глубину, обеспечивающую полную заливку ПБС винтового оперения сваи при нахождении её на дне расширенной скважины. Затем в частично заполненную жидкой ПБС скважину погружают сваю путем её вкручивания или вдавливания до упора её торцевых зубьев в дно скважины. После упора торцевых зубьев сваи в дно скважины сваю прокручивают до полного закрытия доступа ПБС из скважины во внутреннюю полость сваи. Далее сваю центрируют и пустоты между внешними боковыми поверхностями сваи и внутренними стенками расширенной скважины заполняют жидкой ПБС с одновременным её уплотнением путем вибрации и/или вращения сваи. После заполнения указанных пустот и затвердевания в них ПБС производят засыпку внутренней полости сваи 2 сухой пескоцементной смесью (ПЦС).
Доказательство достижения заявленного технического результата и решения поставленной задачи изобретения
Бурение узкой лидерной скважины скальным буром с последующем её расширением расширительным долотом, снабженным ударником с пустотелым направляющим патрубком – пилотом с торцевыми зубьями, до диаметра не менее диаметра лопастей погружаемой винтовой сваи с одной стороны позволяет ускорить процесс формирования скважины в скальном грунте, а с другой – обеспечить минимальный зазор между внутренними стенками скважины и внешними стенками сваи. Уменьшение зазора между указанными стенками приводит к снижению требуемого объема ПБС на бетонное крепление сваи в скважине, а также - к возможности быстрого приготовления ПБС из составляющих компонентов непосредственно на месте возведения сваи. Это исключает необходимость развертывания бетонных заводов, сокращает временные затраты на возведение свай.
В целом указанные технические преимущества позволяют обеспечить достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи.
Ссылка на чертежи
.
Сущность изобретения поясняется чертежами и фотографиями, представленными на фиг. 1 - фиг. 8.
На фиг. 1 – представлены схема экономного крепления сваи в скальном грунте жидкой пескобетонной смесью (ПБС) и засыпкой полости скважины сухой пескоцементной смесью (ПЦС). На фиг. 2 – пример скального бура - долота для сверления лидерного отверстия в скальном грунте. На фиг. 3 – схема расширения лидерного отверстия (скважины) под размеры погружной сваи. На фиг. 4 – пример конструктивного исполнения пустотелого расширительного долота, содержащего ударник и пилот с торцевыми зубьями для рыхления и вывода шлаков из зоны мельчения скальных пород. На фиг. 5 – вид расширительного долота с нижней стороны. На фиг. 6 – фото экспериментального расширителя с торцевыми зубьями - конструкции авторов, позволяющего исключить заклинивание расширительного долота в скважине. На фиг. 7 – фото облегченных винтовых свай с торцевыми зубьями конструкции авторов, позволяющих ограничить доступ жидкого ПБС в полость сваи и, как следствие, обеспечить экономию жидкого раствора при монтаже сваи. На фиг. 8 – эксперимент погружения универсальной бурильной машиной УБМ-85 винтовой сваи в лидерную скважину, пробуренную ударно-бурильной машиной УРБ2-ИСТ.
На фиг. 1-8 обозначены:
1 – грунт;
2 -  винтовая свая;
2.1 – торцевые зубья сваи 2;
2.2 - проушины сваи для соединения с ударно-бурильной машиной;
2.3 - винтовое оперение сваи 2;
2.3.1 – лопасти винтового оперения сваи 2;
2.3.2 – торцевые резцы лопастей 2.3.1;
2.4 – внешняя поверхность сваи 2;
3 – скважина;
3.1 – проектная глубина скважины;
3.2 - дно скважины 3;
3.3 - внутренняя боковая поверхность скважины 3;
4 - уровень сезонного оттаивания грунтов;
5 – сухая пескоцементная смесь (ПЦС);
6 – лидерное отверстие;
6.2 – дно лидерного отверстия (скважины) 6 в скальном грунте;
7- скальный бур - долото;
7.1 – резец бура;
7.2 – отверстие для подачи сжатого воздуха в зону бурения;
8 – пневмоударник;
9 – расширительное долото;
9.1 – ударник для обрушения боковых стенок лидерной скважины;
9.2– пилот (направляющий патрубок) для стабилизации движения ударника 9.1 в лидерной скважине;
9.3– зубья пилота 9.2 для рыхления шлама;
9.4 – воздуховодное отверстие для подачи сжатого воздуха в зону бурения для вывода шлама;
10 – жидкая пескобетонная смесь (ПБС);
11 – универсальная бурильная машина УБМ-85 для ввертывания свай;
12 – привод вращения УБМ-85;
13- бетономешалка (смеситель ПБС 11 и/или ПЦС 6);
-
14ударно-бурильная машина УРБ2-ИСТ для сверления и расширения лидерных скважин.
Раскрытие сущности изобретения.
Согласно фиг. 1-8 предложенный способ возведения свай в скальных грунтах и скально-мерзлых грунтах Крайнего Севера включает последовательность выполнения следующих операций.
Перед установкой сваи 2 в скальные и скально-мёрзлые грунты 1 в последних скальным буром 7 сверлят лидерное отверстие (лидерную скважину) 6 на проектную глубину 3.1 погружения сваи 2. Сверление лидерной скважины 6 производят ударно-бурильной машиной типа УРБ2-ИСТ 14. Для этого УРБ2-ИСТ 14 снабжена комплектом скальных буров 1 диаметром от 8 до 20 см и расширительных долот 9 диаметром от 12 до 40 см, компрессором, пневмоприводом 12 вращения с пневмоударником 8, снабженным быстросъемным разъемом для подключения скальных буров 7 и расширительных долот 9, включающих ударник 9.1 с пустотелым патрубком – пилотом 9.2 с торцевыми зубьями 9.3 для ворошения и вывода бурового шлама. Для сверления лидерной скважины 3 из комплекта скальных буров 7 выбирают бур 7 с диаметром, наиболее близким к диаметру устанавливаемой сваи 2 и способным обеспечить оперативное и надежное сверление лидерного отверстия 6 в скальном грунте 1 на требуемую глубину 3.1 установки сваи 2. Далее выбранный бур 7 подключают к пневмоударнику 8 машины УРБ2-ИСТ 14 и сверлят лидерную скважину 6 на проектную глубину 3.1 погружения сваи 2. В процессе сверления лидерной скважины 6 образующийся бурильный шлам выводят из зоны бурения сжатым воздухом, подаваемым от компрессора (на фигурах не показано) машины УРБ2-ИСТ 14 через полость бура 7 и отверстие 7.2 в резаке 7.1 бура 7. После образования лидерной скважины 6 на требуемую глубину установки сваи 2 скважину 6 расширяют расширительными долотами 9 до размеров устанавливаемой сваи 2. Для этого отсоединяют от пневмоударника 8 машины 14 бур 7 и на его место устанавливают расширительное долото 9 с диаметром ударника 9.1, равным или менее диаметра сваи 2, и диаметром пилота 9.2, равным диаметру просверленной лидерной скважины 6. Одновременно пневматический выход компрессора машины УРБ2-ИСТ 14 через пневмоударник 8 соединяют с полостью воздуховодного отверстия 9.4 расширительного долота 9. При этом, перед подключением расширительного долота 9 к пневмоударнику 8 на свободном конце пустотелого патрубка – пилота 9.2 вырезают 6 торцевые зубья 9.3. Образованные зубья 9.3 обеспечивают рыхление осыпавшегося шлама и свободный вывод его из скважины 6 сжатым воздухом в процессе расширения скважины 6 до поперечных размеров 3 погружной сваи 2. Далее штангой машины 14, подключенной через пневмоударник 8 с расширительным долотом 9, вводят пилот 9.2 долота 9 в устье лидерной скважины 6 и включают привод вращения машины 14. При этом под действием вращательного и ударного воздействия расширителя 9.1 происходит обрушение краев лидерной скважины 6 и формирование (фиг. 2) расширенной скважины 3 с поперечными размерами, равными диаметру (20-40 см) внешнего оперения погружной сваи 2. При продвижении расширительного долота 9 происходит обрушение ударником 9.1 краев скважины 6 и скопление обрушенного шлама в лидерной скважине 6 ниже долота 9. При этом за счет вращательного движения расширительного долота 9 происходит рыхление шлама зубьями 9.3 пилота 9.2 и образование воздушных протоков в шламе. Это позволяет сжатому воздуху, поступающему в зону рыхления через центральное отверстие 9.4 долота 9 от компрессора машины 14 выдавливать шлам из зоны рыхления в полость между вращающимся ударником 9.1 и стенками 3.3 расширенной скважины 3 и далее через её устье во внешнюю среду. При необходимости дальнейшего расширения скважины  3  на прневмоударинике 8 подключают долото 9 с увеличенными диаметрами ударника 9.1 и  пилота 9.2. Одновременно с процессом расширения и очистки скважины 3 от шлама на переносной бетономешалке 13 готовят жидкую пескобетонную смесь (ПБС) 10 в объеме достаточном для жесткого крепления сваи 2 в расширенной скважине 3. При этом для изготовления в бетономешалке 13 жидкого бетонного раствора используют сухую ПБС не ниже марки М300 заводского изготовления. После готовности жидкого ПБС 10 и очистки расширенной скважины 3 от шлама из последней вынимают расширительное долото 9 с пневмоударником 8 и в нижнюю часть, расширенной скважины 3, через желобок переносной бетономешалки 13, заливают жидкую ПБС 10 на глубину, обеспечивающую полную заливку ПБС 10 винтового оперения 2.3 сваи 2 при нахождении её на дне расширенной скважины 3. В качестве переносной бетономешалки 13 для приготовления жидкой ПБС 10 и сухой ПЦС 5 используют смесители типа «Парма» или «Калибр» с объемом барабана не более 130 л. Далее в частично заполненную жидкой ПБС 10 скважину 3 погружают сваю 2 путем её вкручивания или вдавливания до упора её торцевых зубьев 2.1 в дно 3.2 скважины 3 универсальной буровой машиной 11 типа УБМ 85. При установке в скважину 3 винтовой сваи 2 с диаметром винтовых лопастей 2.3.1, превышающих диаметр скважины 3 перед ввертыванием сваи 2 в скальный грунт на её лопастях 2.3.1 вырезают наклонные прорези, формируя резцы 2.3.2, ориентированные острыми гранями в сторону вращения сваи 2. В качестве свай 2 используют стальные трубы постоянного диаметра от 18 до 38 см с боковым оперением 2.3 высотой до 2 см. Для исключения затекания ПБС 10 в полость сваи 2 и уменьшения его расхода для крепления сваи 2 в скважине 3 перед загрузкой сваи 2 на погружных её концах выполняют торцевые вырезы - резцы 2.1. В процессе погрузки сваи 2 и после упора торцевых зубьев 2.1 сваи 2 в дно 3.2 скважины 3 сваю 2 прокручивают до полного закрытия доступа ПБС 10 из скважины 3 во внутреннюю полость сваи 2. Далее сваю 2 центрируют и пустоты между внешними боковыми поверхностями 2.4 сваи 2 и внутренними стенками 3.3 расширенной скважины 3 заполняют жидким раствором ПБС 10 с одновременным её уплотнением за счет вибрации при вращении сваи 2. После заполнения указанных пустот производят выдержку залитого ПБС 10 до его затвердевания и устойчивости сваи 2 в скважине 3. По достижению заданной прочности ПБС 10 производят засыпку внутренней полости сваи 2 сухой пескоцементной смесью (ПЦС) марки М150 заводского изготовления в мешках.
Данное изобретение не ограничивается приведенным примером его осуществления. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты его исполнения и применения, не выходящие за пределы сущности изобретения. Так для увеличения морозостойкости бетона и, следовательно, повышения прочности свай с компонентом составе ПБС 10 вместо гравийного щебня может быть использована гранитная крошка, обладающая повышенной морозостойкостью. Для сверления лидерных скважин 6, их расширения до поперечных размеров сваи 2 и погружения последней в скальный грунт может быть использована одна универсальная буровая машины УБМ-85 11 после соответствующей доработки ударно-бурильного оборудования и оснащения её скальными бурами 7 и расширительными долотами 9.
Промышленная применимость.
Изобретение разработано на уровне технического предложения, опытных образцов винтовых свай 2 и расширительных долот 9, включающих ударник 9.1 и пилот 9.2 с торцевыми зубьями 9.3. Проведены опытные испытания предложенного способа возведения свай с использованием ударно-бурильных машин УРБ2-ИСТ 14 и УБМ-85 11. Испытания предложенного способа возведения показали возможность возведения свай в районах Крайнего Севера без развертывания бетонных заводов, проводить круглогодичное возведение свайного фундамента. При этом за счет нарезки зубьев на торцах сваи 2 и врезки их в днище 3.2 скважины 3 при её вращении были исключены перелива жидкого раствора ПБС 10 из межтрубного пространства в полость сваи 2. При этом сократились затраты раствора ПБС 10 с 90 л до 30 л на каждую возведенную сваю. За счет нарезки зубьев на пилотах 9.2 расширительного долота 9 исчезли простои в работе расширительного оборудования, связанные с забоем шламом низа скважин за счет перекрытия доступа сжатого воздуха гладкой поверхностью торца пилота 9.2 известных типовых долот 9 промышленного производства. Только из-за снижения простоев бурильного оборудования, связанного с забоем скважин шламом, производительность возведения свай предложенным способом возросла не менее чем на 30 % по сравнению с известными способами возведения свай в скальных и мерзлоскальных грунтах. Изобретение может быть рекомендовано для круглогодичного использования в районах Крайнего Севера.