ГРУНТОБЕТОННАЯ АРМИРОВАННАЯ СВАЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
SOIL-CONCRETE REINFORCED PILE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении фундаментов, конструкций укрепления откосов и дамб, берегоукреплений и гидротехнических сооружений, обладающих высокими прочностными и жесткостными характеристиками.
Известен способ (патент РФ №2321703, 2008) строительства свайно-плитного фундамента, включающий устройство свай и объединение их плитой-ростверком, заключающийся в том, что предварительно пробуривают скважины, через которые посредством струйной геотехнологии выполняют горизонтальную полость и заполняют ее фибробетоном на основе базальтового волокна, затем пробуренные скважины заполняют бетоном и погружают арматурный каркас. Фундаментные сваи по данному способу формируются из мелкозернистого бетона, а их армирование осуществляется путем погружения в указанный бетон арматурных каркасов.
Недостатками данного способа являются: высокая стоимость, длительность и сложность процесса. К недостаткам получаемых указанным способом фундаментных свай следует отнести трудоемкость их изготовления, обусловленную необходимостью использования арматурных каркасов, и их низкую прочность на изгиб при сжатии, обусловливающую невозможность использования сваи на восприятие бокового давления грунта без применения анкерных креплений.
В качестве наиболее близкого аналога заявленного способа целесообразно принять известный из патентного документа СА 2132661 A1 способ строительства подземных структур на месте. Данный способ включает фазу предварительного бурения, в течение которой может быть введен смазочный жидкий раствор, и фазу заключительного бурения. Фаза заключительного бурения разделена на нисходящую и восходящую фазы. Жидкий строительный раствор вводится непосредственно при нисходящей или восходящей фазах заключительного бурения и смешивается с почвой. Такая технология с использованием энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором в режиме "mix-in-place" (перемешивание на месте) получила название «Jet Grouting». По сравнению с традиционными технологиями инъекционного закрепления грунтов струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов - от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов.
Несмотря на все достоинства данного метода возведения подземных структур, получаемые им грунтобетонные сваи не обладают достаточным запасом прочности на изгиб при сжатии, что имеет первостепенное значение при возведении подземных конструкций, обладающих высокими прочностными характеристиками, способными воспринимать активное боковое давление грунта.
Техническим результатом заявленного изобретения в части способа является разработка способа, снижающего трудоемкость, длительность и упрощающего процесс изготовления грунтобетонных свай.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что заявленный способ получения грунтобетонной армированной сваи представляет собой технологический процесс, при котором осуществляют подачу под давлением в полученную скважину бетонной смеси и формирование, бурение скважины сваи, для чего перед подачей бетонной смеси в скважину в смесь добавляют армирующий наполнитель в виде короткомерных отрезков базальтового волокна диаметром от 13 до 20 мкм и длиной от 3 до 13 мм, обеспечивая при этом их равномерное распределение по всему объему и весовое соотношение 1-4% от общего веса грунтобетонной сваи.
Техническим результатом заявленного изобретения в части устройства является снижение трудоемкости изготовления, повышение прочности материала и несущей способности готового изделия на изгиб.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что заявленная грунтоцементная армированная свая формируется из бетонной смеси, которая дополнительно содержит армирующий наполнитель в виде базальтового волокна, представляющего собой короткомерные отрезки, равномерно распределенные по объему твердого компонента, диаметр которых составляет от 13 до 20 мкм, а длина - от 3 до 13 мм соответственно, причем весовое соотношение армирующего наполнителя составляет 1-4% от общего веса твердого компонента.
Реализуется заявленный способ следующим образом.
Устройство сваи выполняют в два приема - прямого и обратного хода буровой колонны. Во время прямого хода производят бурение скважины. Буровой раствор поступает через открытый прямой клапан в буровой наконечник для удаления шлама в процессе бурения. В качестве бурового раствора используется вода, бентонитовый или цементный раствор.
При обратном ходе буровой колонны с одновременным подъемом и вращением буровой колонны в сопла, расположенные на нижнем конце буровой колонны, под высоким давлением подают рабочую бетонную смесь с равномерно распределенным по объему смеси армирующим наполнителем, вес которого составляет от 1 до 4% от общего веса формируемой грунтобетонной сваи. В качестве армирующего наполнителя используется базальтовое волокно в виде короткомерных отрезков (фибры) с длиной от 3 до 13 мм и диаметром от 13 до 20 мкм.
При затвердевании смеси образуется грунтобетонная свая, содержащая твердый компонент в виде бетонной смеси о армирующим наполнителем в виде короткомерных отрезков базальтового волокна, равномерно распределенных по всему объему твердого компонента, диаметр которых составляет от 13 до 20 мкм, а длина - от 3 до 13 мм соответственно, причем весовое соотношение армирующего наполнителя составляет 1-4% от общего веса сваи. Такая свая обладает высокими механическими характеристиками, в частности повышенной долговечностью, значительной прочностью на сжатие, морозостойкостью и т.д., что следует из фиг.1, на которой приведена диаграмма, показывающая характеристики грунтобетонной сваи, армированной базальтовой фиброй (2% от общего веса сваи) в сравнении с характеристиками контрольного образца без базальтовой фибры (свойства которого приняты за нулевую отметку), содержащего портландцемент марки 400 при соотношении цемент : песок : щебень - 1:3:5.
На упомянутой диаграмме, под соответствующими позициями, показаны следующие характеристики грунтобетонной сваи: 1 - долговечность; 2 - прочность на сжатие; 3 - водонепроницаемость; 4 - прочность на раскалывание; 5 - морозостойкость; 6 - трещиностойкость; 7 - прочность на растяжение при изгибе; 8 - сопротивление истираемости; 9 - ударная прочность.
Высокие механические характеристики полученной сваи, количественная оценка которых приведена на диаграмме, объясняются тем, что структура бетона, армированного базальтовой фиброй, близка к структуре бетона, армированного стальной сеткой. Однако бетон, армированным базальтовой фиброй, обладает более высокой прочностью и стойкостью к деформациям, т.к. армирующая его фибра обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования бетонного камня и само базальтовое волокно обладает более высокой, чем стальная сетка, прочностью. Кроме того, бетон, армированный базальтовой фиброй, может переносить большие упругие деформации, потому что базальтовое волокно при растяжении не подвергается пластической деформации, при этом, чем короче волокно, тем в большей степени проявляется данный эффект, а по упругости превосходит сталь. Исследования, проведенные с помощью растрового электронного микроскопа, показали, что область контакта между фиброй и грунтобетоном-матрицей характеризуется плотным соприкосновением поверхностей и отсутствием трещин и зазоров.
В таблице 1 приведены значения несущей способности грунтобетонной сваи, армированной базальтовой фиброй, с длиной волокон 10, 20 и 40 мм, диаметром волокон 12, 20 и 25 мкм и расчетным сопротивлением растяжению базальтовых волокон 1000, 1500 и 2000 МПа. Коэффициент фибрового наполнения составил 0,02, т.е. 2%.
Как следует из приведенных в таблице 1 сведений, несущая способность грунтобетонной сваи, армированной базальтовой фиброй, в несколько раз превышает несущую способность сваи, неармированной указанной фиброй, расчетное значение которой составляет 63,6 кНм. Упомянутое превышение составляет от 2,5 до 5 раз. При этом определено, что диаметр фибры нецелесообразно принимать более 20 мкм, поскольку, например, при диаметре волокна в 25 мкм несущая способность сваи по сравнению со сваями, армированными базальтовой фиброй с длиной волокна 10 и 20 мм и диаметром волокна 12 и 20 мкм, меньше примерно на 9-11%. Следует указать, что данные сведения были получены для расчетного сопротивления растяжению базальтовых волокон 1000-2000 МПа.