УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТА В ЗАБОЕ
DEVICE FOR COMPACTION OF SOIL IN BOTTOMHOLE

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для возведения буронабивных свай, в том числе в слабых и водонасыщенных грунтах.
Известны способы устройства буронабивных свай (Рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай с уплотнением грунта в забое скважины. М.: Производственные экспериментальные мастерские ВНИИОСП Госстроя СССР, 1982 г., с.4, 5), включающие засыпку щебня, его уплотнение с помощью сбрасываемой трамбовки, установку арматурного каркаса и бетонирование. Уплотнение грунта в забое скважины улучшает работу свай по нижнему концу, увеличивает их несущую способность.
Недостатком данных способов является возможность устройства буронабивных свай в глинистых сжимаемых грунтах, находящихся выше уровня грунтовых вод и способных удерживать стенки скважины от обрушения. Для водонасыщенных и слабых грунтов эта технология неприменима.
Наиболее близким к предлагаемому является способ возведения буронабивных свай (а.с. СССР №903473, опубл. 07.02.82, Бюл. №5), включающий образование в грунте скважины, установку цилиндрической обсадной трубы, дополнительной трубы внутри обсадной трубы, установку трамбовки в дополнительной трубе, подачу бетонной смеси в нижнюю часть скважины через дополнительную трубу с одновременным пригрузом обсадной трубы, извлечение дополнительной трубы, установку арматурного каркаса и заполнение остальной части скважины бетонной смесью для формирования ствола с одновременным извлечением обсадной трубы.
Способ по а.с. №903473 позволяет получить уширение пяты сваи за счет подачи бетонной смеси под давлением, что приводит к повышению несущей способности свай.
Однако наиболее эффективным является устройство уплотненной пяты сваи с использованием сухого твердого материала при непосредственном воздействии на него ударных, либо вибрационных нагрузок с наложением на процесс статических нагрузок. В известном способе твердый материал используется как компонента бетонной смеси. Поскольку давление создается в верхней части рабочего органа, а бетонная смесь имеет свойство расслоения с вытеснением воды наверх, то давление будет передаваться через жидкость по закону Паскаля по всем направлениям без изменения. При этом в твердой фазе каждая частица будет испытывать лишь обжатие этим давлением, но не вдавливаться в грунт. Если же в известном способе использовать сухой твердый материал, то имеется опасность заклинивания его в полости рабочего органа.
Известны также устройства для возведения набивных свай (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. М., Стройиздат, 1973, с.40-56), включающие обсадную трубу с теряемым башмаком.
Недостатком таких устройств является то, что область их применения ограничена сухими грунтами.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для возведения набивной сваи (а.с. СССР №654746, опубл. 30.03.79, Бюл. №12), включающее обсадную трубу, закрепленную в ней пробку с пропущенным сквозь нее бетоноводом, водоотводящей трубкой, один конец которой расположен в полости пробки, а другой подсоединен к насосу. Известное устройство позволяет возводить буронабивные сваи в условиях обводненности грунтов.
Основной недостаток устройства по а.с. №654746 заключается в том, что оно не позволяет устраивать буронабивные сваи с предварительным уплотнением грунта в забое скважины, а также использовать арматурный каркас при бетонировании.
Техническая задача, решаемая предлагаемыми способом и устройством, заключается в повышении несущей способности буронабивных свай, возводимых в обводненных и слабых грунтах.
Поставленная задача решается тем, что в способе возведения буронабивных свай, включающем образование в грунте скважины, установку в скважине обсадной трубы, установку в обсадной трубе рабочего органа и уплотнение грунта в забое скважины, извлечение рабочего органа, установку арматурного каркаса и заполнение остальной части скважины бетонной смесью с одновременным извлечением обсадной трубы, установку обсадной трубы осуществляют одновременно с образованием в грунте скважины, а уплотнение грунта в забое скважины осуществляют путем дозированной подачи в зону уплотнения жесткого материала и его трамбование.
Предлагаемая последовательность операций позволит существенно повысить несущую способность буронабивных свай, устраиваемых преимущественно в слабых и водонасыщенных грунтах.
Предлагаемое устройство для уплотнения грунта решает ту же техническую задачу - повышение несущей способности буронабивных свай, возводимых в обводненных и слабых грунтах.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для уплотнения грунта, включающем обсадную трубу и закрепленную в ней втулку с пропущенным сквозь нее рабочим органом, рабочий орган выполнен в виде полой трубы, на нижнем конце которой закреплены пята и уплотняющая насадка, а на верхнем конце - верхний и нижний упоры и инерционная масса, размещенная на полой трубе между верхним и нижним упорами со скользящей посадкой.
Предлагаемая конструкция рабочего органа позволяет создать надежное уплотнение забоя скважины путем трамбования в грунт жесткого материала. При этом исключается заклинивание материала в обсадной трубе и потеря кинетической энергии падающего тела, находящегося вне скважины.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, 2, 3, 4 представлена технологическая схема устройства буронабивных свай.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
На фиг.1 показана скважина, пробуренная с помощью обсадной трубы 1, снабженной шнеком 2 и долотом 3. На фигуре показан уровень 4 обводненности грунта, который находится выше уровня забоя скважины.
На фиг.2 представлено предлагаемое устройство в исходном положении. Устройство включает установленную в обсадной трубе 1 направляющую втулку 5, через которую со скользящей посадкой установлен рабочий орган в виде трубы 6, в полость которой засыпают сухой жесткий материал 7 в виде щебня, гальки предпочтительно калиброванного размера. На нижнем конце трубы 6 установлена пята 8 в виде крестовины, у которой для уменьшения оседания при просыпании сквозь нее материала боковые поверхности площадок скошены (позиция 8 на фиг.3 вынесена отдельно). На нижнем же конце трубы 6 с помощью сварки закреплена уплотняющая насадка 9 в виде отрезка цилиндрической трубы, заглушенной с двух сторон: сверху - кольцом, снизу - поверхностью усеченного конуса с углом при основании 10-15 градусов. Коническая поверхность позволяет при уплотнении ограничить поступление материала на периферию обсадной трубы 1 с тем, чтобы сформировать уплотненное ядро в центре скважины, исключив таким образом попадание материала между стенками обсадной трубы и уплотняющей насадкой 9. Для исключения засасывания насадки в грунте ее поверхность целесообразно перфорировать.
Ударный узел устройства выполнен в виде инерционной массы 10, надетой со скользящей посадкой на трубу 6 между нижним 11 и верхним 12 упорами, установленными в верхней части трубы 6.
В случае вибрационного трамбования грунта при наложении на процесс статической нагрузки 10 в верхнем торце трубы 6 устанавливают вибратор 13.
Предлагаемое устройство работает, а способ осуществляют следующим образом.
Бурят скважину, используя для этого обсадную трубу 1 со шнеком 2 и долотом 3. При этом происходит установка обсадной трубы 1 в скважине. После бурения долото 3 извлекают, а в обсадную трубу 1 через направляющую втулку 5 (фиг.2) со скользящей посадкой до упора устанавливают рабочий орган 6, в полость которого засыпают твердый сухой материал 7. Инерционную массу 10 с помощью устройства нагружения (не показано) всегда поднимают и сбрасывают со строго фиксированной отметки h, внедряя таким образом материал 7 в грунт. Если в результате уплотнения возникло проседание трубы 6, то со следующим подъемом инерционной массы 10 до отметки h будет подниматься и труба 6. При подъеме трубы 6 происходит досыпка материала 7 в зону уплотнения. Порция просыпавшегося материала 7 за каждый цикл пропорциональна величине, определяемой как разность между нижним и верхним положениями трубы 6. Поскольку нагружающее устройство обеспечивает подъем и сбрасывание инерционной массы 10 каждый раз со строго фиксированной отметки h, то масса просыпавшегося материала будет зависеть от того, насколько эффективно произошло уплотнение материала 7 в грунт за предыдущий цикл. В этом и состоит дозированная подача материала за каждый цикл уплотнения ровно настолько, насколько произошла усадка материала. Привязка дозы к величине уплотнения исключает накапливание материла в зоне уплотнения, которое может приводить к неприятным последствиям - его заклиниванию.
Материал 7, просыпавшийся под пяту 8, укладывается с углом естественного откоса. Во время очередного удара он раздавливается крестовиной и попадает в зону действия конической поверхности уплотняющей насадки 9.
По наблюдению за циклическим погружением трубы 6 устанавливают:
1. Отсутствие в трубе 6 уплотняющего материала 7.
Как уже отмечалось, при подъеме трубы 6 до отметки h материал, находящийся в трубе 6, будет просыпаться под раздавливающую пяту 8. В момент сброса инерционной массы 10 труба 6, опираясь на этот материал, будет оставаться на фиксированной отметке h. Если материал в трубе 6 закончился, при сбросе вместе с инерционной массой 10 свободно будет падать и труба 6. При этом ее суммарная осадка относительно отметки h без досыпки материала 7 в зону уплотнения от цикла к циклу будет увеличиваться.
2. Момент окончания уплотнения.
Окончанию процесса соответствует время, когда осадка трубы после пяти-семи ударов стабилизируется и составляет не более 2 сантиметров. С уменьшением интенсивности уплотнения (при подходе к моменту окончания) необходимо ограничить подачу материала 7 в трубу 6. Идеальной является ситуация, когда окончание уплотнения и заканчивание материала 7 в трубе 6 происходят одновременно.
Наряду с ударным уплотнением при возведении сваи может быть использовано вибрационное уплотнение при наложении на процесс статической нагрузки (например, с использованием инерционной массы 10). Для этого в торце трубы 6 установлен вибратор 13. При включении вибратора 13 происходит уплотнение материала 7 и соответствующее проседание трубы 6. Так же, как и при ударном нагружении, по мере уплотнения вибрацией время от времени необходимо производить досыпку материала 7 в зону уплотнения, поднимая трубу 6 на отметку, не превышающую значение h. Максимальная высота проседания трубы, при которой необходимо повторить засыпку материала 7, должна составлять не более 10-15 сантиметров ниже отметки h.
На фиг.4 показана завершающая стадия возведения буронабивной сваи.
После формирования уплотненной зоны 14 рабочий орган из обсадной трубы 1 извлекают, откачивают воду, устанавливают арматуру 15 и производят заполнение скважины бетонной смесью 16 с одновременным извлечением из скважины обсадной трубы 1. Поскольку удельный вес бетонной смеси в 2,5 раза превышает удельный вес воды, оставшаяся между внешней стенкой обсадной трубы 1 и стенками скважины вода выдавливается и весь объем скважины по мере подъема обсадной трубы 1 заполняется бетоном.