СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ИЗГОТОВЛЯЕМОЙ В ГРУНТЕ СВАИ
METHOD OF IDENTIFICATION AND ELIMINATION OF DEFECTS PRODUCED IN GROUND PILES

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии изготовления буровых и набивных свай.
Основной проблемой при изготовлении свай в грунте является обеспечение сплошности ствола, то есть выявление и устранение вывалов грунта в скважину, пережимов ствола и других дефектов.
Контроль качества ствола сваи может выполняться после набора бетоном прочности путем измерения времени прохождения продольной волны или с помощью ультразвукового зондирования.
В первом методе по верхнему торцу сваи наносят удар. Возникающая при этом ударная волна перемещается по стволу и отражается на границе бетона с другой средой, например с грунтом. Измеряя время возвращения ударного импульса, определяют полную длину сваи или расстояние от верхнего торца до имеющегося дефекта (M.N. Hussein, G. Likins. Deep foundations quality control and quality assurance testing methods. Florida Engineering Society Journal, March, 2005, p. 10-13).
Во втором методе в стволе сваи устраивают «каналы доступа», размещая в скважине до начала бетонирования вертикальные трубки. Наличие дефектов определяют, перемещая в двух параллельных каналах излучатель и датчик-ресивер (K. Beckhaus, Н. Heinzelmann. Ultrasonic Integrity Testing for Bored Piles - A Challenge. Proceedings of the Int. Symp. on Non Destructive Testing in Civil Eng. NDT - CE, 2015, Berlin).
Недостатком рассмотренных методов является осуществление контроля после набора бетоном прочности, когда устранение дефектов ствола невозможно, поэтому требуемая несущая способность свайного фундамента обеспечивается за счет устройства дополнительных свай-дублеров.
Существуют также способы контроля, осуществляемые в процессе производства работ.
Известен способ контроля характеристик жидкой колонны, например сваи, в процессе ее образования, включающий нагнетание в массив грунта вяжущего состава, обладающего магнитной восприимчивостью, например, за счет включения в его состав 0,5-1,5% порошка карбонильного железа, электротехнической стали или магнетита, и определение характеристик колонны до начала схватывания вяжущего состава, путем замеров магнитной проницаемости среды. С этой целью на L-образной штанге для нагнетания состава в грунт размещаются датчики, например, в виде катушек индуктивности. Вращая и поднимая штангу, регистрируют изменение индуктивности катушек, определяя тем самым размеры колонны и ее однородность (Патент РФ №2165495, МПК E02D 5/46, 1999 - аналог).
Недостатком метода является зависимость измеряемых значений магнитной проницаемости среды от положения элементов арматурного каркаса. Кроме того, при вращении L-образной штанги происходит перемешивание включений грунта в дефектных зонах ствола с бетонной смесью, поэтому для устранения выявленного дефекта потребуется полная откачка указанной смеси из скважины без возможности ее повторного использования.
Известен способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции, создаваемой посредством струйной цементации, заключающийся в добавлении в цементный раствор порошкообразного графита в количестве 1-10% от массы цемента и замере электропроводности выделяемой из скважины грунтоцементной пульпы. Исходя из условия пропорциональности содержания цементного раствора в пульпе и ее электропроводности, определяют массу цемента, ушедшего на закрепление грунта (Патент РФ №2513567, МПК E02D 3/12, 2012 - аналог).
Метод является малоинформативным, так как известно, что при струйной цементации формируется неоднородный грунтоцементный массив, в котором содержание цемента уменьшается от центра к периферии. При этом пульпа, истекающая на поверхность вдоль штанги, не может использоваться для оценки состава грунтоцемента на некотором удалении от нее.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ использования устройства для контроля изготовления свай, включающий последовательное выполнение операций формирования скважины, установки в ней и закрепления на каркасе, например арматурном, датчиков, прокладки линий связи, подачи в скважину отверждаемого состава, например бетонной смеси, мониторинга его температуры с помощью датчиков. Измерение температуры позволяет контролировать процесс заполнения скважины отверждаемым составом, а также выявлять по температурным аномалиям дефекты ствола. С учетом того, что реакция гидратации цемента является экзотермической, по температуре бетона, измеряемой с помощью датчиков, можно следить за набором им прочности (Патент РФ №2538362, МПК G01K 13/00, 2011 - прототип).
Недостатком способа является зависимость температурных полей в свае от внешних факторов - теплопроводности грунта, вмещающего сваю, температуры и скорости движения грунтовых вод и др. Существенное влияние на показания датчиков оказывает и каркас, на котором они закреплены, с отличными от бетона значениями теплоемкости и теплопроводности.
С учетом того, что выделение тепловой энергии бетонной смесью происходит при наборе прочности, для выявления дефектов ствола на начальной стадии, то есть сразу после подачи бетонной смеси в скважину, для обеспечения контрастных значений температуры бетонной смеси и грунта перед подачей в скважину потребуется выполнять подогрев смеси, что связано с дополнительными затратами.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности изготовляемых в грунте свай за счет обеспечения возможности контроля сплошности ствола и устранения дефектов в процессе производства работ.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе, включающем формирование скважины, установку в нее арматурного каркаса, прокладку линий связи, подачу в скважину отверждаемого состава, например бетонной смеси, перед установкой арматурного каркаса на нем закрепляют электроды и соединяют их с линиями связи, после подачи в скважину отверждаемого состава осуществляют мониторинг его электропроводности, а при обнаружении дефекта ствола выполняют частичную откачку отверждаемого состава, устраняют дефект и повторно подают отверждаемый состав в скважину.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вертикальный разрез сваи с дефектом, а на фиг. 2 - ее горизонтальный разрез, а на фиг. 3 и 4 - вертикальный разрез сваи в ходе работ по устранению дефекта.
Способ осуществляется следующим образом.
В массиве грунта одним из известных способов формируют скважину 1. В частности, при изготовлении буровой сваи скважину формируют путем выбуривания грунта под защитой обсадной трубы, а набивной сваи - вытеснением грунта с помощью инвентарной обсадной трубы с теряемым или раскрывающимся наконечником (башмаком). На арматурном каркасе 2, выполненном из неметаллического материала, например стеклопластика, или из стали, при условии покрытия стержней арматуры электроизоляционным составом, закрепляют электроды 3 и соединенные с ними линии связи (на чертеже не показаны). Электроды равномерно распределяют с заданным шагом в поперечном сечении сваи и по высоте.
Заполнив скважину 1 отверждаемым составом 4, выполняют замеры электропроводности вещества между смежными электродами в горизонтальном и вертикальном направлениях одним из известных методов. Наличие дефектов 5, таких как вывалы грунта, пережимы ствола, определяют по аномальным значениям электропроводности, благодаря отличию электрической проводимости грунта и бетонной смеси.
При обнаружении дефекта осуществляется погружение обсадной трубы 6 на такую глубину, чтобы ее торец оказался ниже выявленного дефекта 5 (фиг. 3). Из скважины от устья до дефекта 5 откачивают отверждаемый состав 4 и сохраняют его для повторной подачи в скважину. Дефект устраняют одним из известных способов, например, размывая струей воды вывал грунта или пережим ствола и откачивая из скважины образовавшуюся пульпу 7, представляющую собой смесь отверждаемого состава, грунта и воды. При выполнении указанных операций осуществляют контроль электропроводности вещества, заполняющего скважину. Пульпу 7 откачивают до глубины, на которой значения электропроводности вещества являются характерными для отверждаемого состава, верхнюю часть скважины повторно заполняют ранее удаленным составом и, добавив необходимый объем состава для заполнения скважины, извлекают обсадную трубу.
Для обеспечения значений электропроводности отверждаемого состава, существенно отличающихся от электропроводности околосвайного грунта, в отверждаемый состав может добавляться порошок электропроводного материала, например магнетита.
В лабораторных исследованиях при помощи прибора - измерителя иммитанса Е7-20М исследовалась электрическая проводимость цементного раствора и грунта. Состав раствора выражался соотношением массы цемента и песка 1:2; водоцементным отношением 0,5. В качестве добавки использовался порошок магнетита с размерами зерен не более 0,1 мм. Содержание магнетита составляло 1%, 3% и 5% от массы цемента. В качестве исследуемого грунта использовался суглинок мягкопластичный с влажностью W=46%.
В таблице представлены результаты измерений электрической проводимости цементного раствора.
Удельная электрическая проводимость суглинка при частоте 50 Гц составила σ=0,0092 См/м, при 60 Гц - σ=0,0102 См/м.
Следует заметить, что добавка 5% магнетита от массы цемента приводит к повышению прочности бетона (Pawel Sikora, Elzbieta Horszczaruk, Krzysztof Cendrowski, and Ewa Mijowska. The Influence of Nano-Fe3O4 on the Microstructure and Mechanical Properties of Cementitious Composites. Nanoscale Res Letters. 2016).
Так как электропроводность грунтов зависит от их состава, влажности и других факторов и может изменяться в широком интервале, следует определять эту характеристику на стадии инженерно-геологических изысканий.
Предлагаемый способ позволяет определить наличие, положение и размеры дефектов изготовляемой в грунте сваи, а также устранить выявленные дефекты без снижения качества отверждаемого состава на смежных бездефектных участках ствола.
Возможно применение предлагаемого способа при изготовлении конструкций по технологии «стена в грунте».