Способ изготовления сваи
METHOD OF PILE PRODUCTION

Способ изготовления сваи
Изобретение относится к области строительства, а более конкретно – к свайному фундаментостроению, и может быть использовано при устройстве свай изготавливаемых в грунте, например буровых и набивных свай, как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий и сооружений.
Известны способы изготовления буронабивных свай, включающие следующие основные операции: бурение скважины и подачу в эту скважину твердеющего материала, в частности бетонной смеси [1. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85. Москва 2011г. - 85 с., п.6.1.г, п.6.5.а.; 2. Основания, фундаменты и подземные сооружения / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др.; Под общ.ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. – М.: Стройиздат, 1985. – 480 с, с.159].
Однако удельная несущая способность по грунту буронабивных свай [1, 2], из-за низкого сопротивления грунта по боковой поверхности и под острием сваи, ниже по сравнению с другими типами свай, например забивными. Этот недостаток может быть устранен при помощи устройства развитых камуфлетных уширений буронабивных свай.
Известен способ устройства камуфлетного уширения скважины при помощи одноразового воздействия струи сжатого воздуха на пограничные слои грунта стенок скважины. [3. Давыдов Г.Д., Серко А.П. Усовершенствованная технология устройства уширений для буронабивных свай // Механизация строительства. – 1973. – №6. – с. 23, 24]. При этом следует отметить, что воздействие на пограничные слои грунта в [3] осуществляется через воздушное пространство скважины.
Выхлоп сжатого воздуха в воздушное пространство скважины, обладающее ярко выраженными демпфирующими свойствами, приводит к нанесению по стенкам скважины пневмодинамического удара с большими потерями энергии ударного воздействия. Причем в соответствии с известным способом [3] возможен только разовый выброс струи сжатого воздуха и, соответственно, получение единичного пневмодинамического удара. Кроме этого, передача на стенки скважины даже незначительного динамического воздействия, без их поддержки, например, бетонной смесью, может привести к нарушению целостности скважины и ее обрушению. В результате имеющихся недостатков способ устройства камуфлетных уширений скважин под буронабивные сваи [3] так и не был реализован на практике.
Из уровня техники известны способы устройства буронабивных свай, где формирование камуфлетных уширений происходит при помощи создания динамической (взрывной) нагрузки внутри свайного тела. Твердеющий материал свайного тела является водонасыщенной, несжимаемой средой и практически не обладает демпфирующими свойствами. Благодаря этому, созданная в свайном теле динамическая нагрузка передается на стенки скважины без больших потерь энергии ударного воздействия. Также следует отметить, что при формировании камуфлетного уширения буронабивной сваи взрывной нагрузкой бетонная смесь удерживает стенки скважины от обрушения.
Известны способы устройства камуфлетного уширения буронабивных свай при помощи энергии взрыва взрывчатых веществ [4. Рекомендации по проектированию и устройству фундаментов из буронабивных свай и опор-колонн / НИИСП Госстроя УССР. – К.: Будiвельник, 1985. – 80 с., с. 43, 44; 5. Заявка на изобретение RU 95111043; 6. Заявка на изобретение RU 2009100188; 7. Свидетельство на полезную модель RU 32137]. В пробуренную скважину устанавливают заряд взрывчатого вещества (ВВ) и заполняют ее бетонной смесью. Затем производят подрыв заряда ВВ. В результате взрыва в зоне динамического воздействия образуется камуфлетное уширение с областью уплотненного грунта, что приводит к повышению несущей способности сваи. Однако, сложность работы со взрывчатыми веществами и опасность оставления в свае невзорвавшихся зарядов взрывчатого вещества не позволили «сваям ВВ» получить широкого распространения в области фундаментостроения.
Известны способы устройства камуфлетных уширений свай, основанные на применении электрохимического взрыва (ЭХВ) [1, п.6.5.г.; 8. Джантимиров Х.А., Крастелев Е.Г., Крючков С. А., Нистратов В. И., Смирнов П. В. Геотехническая технология на основе электрохимического взрыва и оборудование для ее реализации // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 2005. – № 5. – С. 17-21; 9. Патент на изобретение RU 2221918]. Способы устройства свай ЭХВ включают устройство скважины, подачу в скважину твердеющего электропроводного материала, погружение в свайное тело инвентарного электрического излучателя и подачу в межэлектродное пространство экзотермической смеси. После погружения излучателя до проектной отметки при помощи электрического разряда осуществляют подрыв экзотермической смеси. В результате взрыва в зоне действия динамической нагрузки образуется камуфлетное уширение с уплотненной зоной околосвайного грунта. При этом несущая способность сваи по грунту становится выше.
Однако подача экзотермической смеси в межэлектродное пространство усложняет технологический процесс. К тому же проблемой является сложность создания последовательной серии электрохимических взрывов, в результате чего технологический процесс становится нестабильным. Это приводит к тому, что прогнозировать размеры уширений свай и контролировать их несущую способность становится достаточно трудной задачей.
Наибольшее распространение в области применения свай с камуфлетными уширениями получили способы их устройства при помощи разрядно-импульсных технологий (РИТ) [1, п.6.5.е; 10. Бахолдин Б.В., Джантимиров Х.А. Новые электроразрядные технологии в геотехническом строительстве // Основания, фундаменты и механика грунтов. – 1998. – № 4,5. – С. 47-52; 11. TP 50-180-06. Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи-РИТ). ГУЛ «НИИМосстрой». М.: 2006 г.].
Согласно [11, п.13] основными операциями при устройстве свай РИТ являются: устройство в грунте скважины; подача в скважину твердеющего электропроводного материала, например бетонной смеси; установка в свайное тело инвентарного электрического разрядника, подсоединенного к источнику электрического питания и возбуждение в твердеющем материале свайного тела разрядов тока высокого напряжения.
По количеству сходных операций способ устройства буронабивных свай, выполняемых по разрядно-импульсной технологии, описанный в источнике информации [10], является наиболее близким к заявляемому. Этот способ принят за прототип.
Способ по прототипу включает: устройство в грунте скважины; подачу в скважину бетонной смеси; погружение в свайное тело инвентарного электрического разрядника; воздействие на свайное тело высоковольтными разрядами и формирование камуфлетных уширений сваи. Согласно прототипу, разрядник (излучатель энергии) перемещают вдоль ствола свайного тела, формируя камуфлетные уширения по всей длине сваи. После извлечения разрядника в сформированное свайное тело устанавливают арматурный каркас.
Производство высоковольтных разрядов в бетонной смеси приводит к возникновению в ней парогазовой полости (ПГП) с избыточным давлением, которое передается через твердеющий материал на стенки скважины. В результате этого по стенкам скважины наносится гидродинамический удар, способный совершать механическую работу. Благодаря этой механической работе происходит уширение ствола свайного тела, уплотнение околосвайного грунта и, соответственно, повышение несущей способности сваи.
Способ формирования камуфлетных уширений свай по технологии устройства свай РИТ достаточно эффективен в слабых водонасыщенных грунтах, что объясняется их пониженными прочностными характеристиками. Здесь возможность создания при помощи энергии электрических разрядов последовательных серий гидродинамических ударов приводит к формированию развитых камуфлетных уширений буронабивных свай.
Однако, в относительно прочных грунтах, особенно глинистых грунтах, имеющих наибольше распространение, получение камуфлетных уширений свай требуемых размеров, обеспечивающих эффективных рост несущей способности свай по грунту, становится достаточно трудной задачей. Причина этому – значительные потери запасаемой энергии, которые происходят как при ее транспортировке по электромагистралям [8], так и при преобразовании последней в полезную (рабочую) энергию разряда [12. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. – 208с, с.7].
Кроме этого, следует отметить, что способ устройства свай при помощи разрядно-импульсных технологий является достаточно дорогим и небезопасным, при работе с большими токами.
Техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы в различных грунтовых условиях экономичным, надежным и безопасным способом добиться эффективного роста несущей способности свай по грунту, устраиваемых с камуфлетными уширениями.
Технический результат заключается в получении камуфлетных уширений свай требуемых размеров, в различных грунтовых условиях, который достигается за счет передачи динамической нагрузки на стенки скважины с минимальными потерями энергии ударного воздействия и создания последовательных серий гидродинамических ударов с высоким энергосодержанием.
Заявляемый способ изготовления сваи, как и прототип, включает такие операции, как устройство в грунте скважины; формирование свайного тела путем заполнения скважины твердеющим материалом; погружение в образованное свайное тело источника гидродинамических ударов; формирование при помощи последовательной серии гидродинамических ударов камуфлетных уширений сваи; извлечение из свайного тела источника гидродинамических ударов и установку арматурного каркаса.
В отличие от прототипа по заявляемому способу последовательные серии гидродинамических ударов производят при помощи многократного импульсного ввода в свайное тело объемов сжатого газа, например воздуха. В качестве источника гидродинамических ударов используют пневмоимпульсный генератор.
Импульсный ввод в свайное тело объема сжатого под большим давлением газа приводит к динамическому нагружению и мгновенному смещению массы твердеющего материала в стороны, в результате чего по стенкам скважины наносится гидродинамический удар.
Заявленный способ позволяет в каждом импульсе за короткий промежуток времени вводить в свайное тело значительное количество сжатого под большим давлением газа, что увеличивает амплитуду и длительность действия давления от высвобожденного газа. Кроме этого, водонасыщенный твердеющий материал свайного тела практически не обладает демпфирующими свойствами (является несжимаемой средой), что обеспечивает передачу динамической нагрузки на стенки скважины с минимальными потерями энергии ударного воздействия.
Таким образом, по стенкам скважины наносится гидродинамический удар с высоким энергосодержанием, способный совершать эффективную механическую работу.
Заявленный способ позволяет производить последовательные серии гидродинамических ударов с высоким энергосодержанием, что приводит к формированию развитых камуфлетных уширений свай в различных грунтовых условиях.
Проведенный информационный поиск показал, что в уровне техники отсутствуют способы изготовления свай, согласно которым формирование камуфлетных уширений свай происходит при помощи последовательных серий гидродинамических ударов, создаваемых при импульсном вводе в твердеющий материал свайного тела объемов сжатого газа.
Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемый способ, в уровне техники не выявлена, что подтверждает новизну заявляемого способа.
Заявляемый способ экономичен, надежен и безопасен и позволяет достичь высокого технического результата.
Последовательность операций способа поясняется приведенными чертежами.
На фиг. 1 изображена скважина; на фиг. 2 – скважина, заполненная твердеющим материалом, из которого формируется свайное тело; на фиг. 3 – образованное свайное тело с погруженным пневмоимпульсным генератором. На фиг. 4 – импульсный ввод объемов сжатого газа (воздуха) в твердеющий материал свайного тела и образование с помощью импульсов сжатого газа камуфлетного уширения сваи. На фиг. 5 показано заполнение твердеющим материалом свободного пространства, образовавшееся в устье скважины при формировании камуфлетного уширения свайного тела (фиг. 4); фиг. 6 – преобразованное свайное тело с установленным арматурным каркасом. На фиг. 7, 8, 9 показана последовательность выполняемых операций заявленного способа и формы свай с образованием одного и нескольких камуфлетных уширений по всей длине свайного тела.
Способ изготовления сваи реализуется следующим образом.
Известными методами, например, при помощи бурения или продавливания, в грунте устраивают скважину 1 и заполняют ее твердеющим материалом 2. После этого в образованное свайное тело 2 погружают пневмоимпульсный генератор 4, соединенный с системой питания (на чертеже не показана) через подающий рукав 3. Последовательность указанных операций может быть иная, не выходящая за рамки заявляемого изобретения. Например: после бурения скважины 2 вначале производят установку пневмоимульсного генератора 4, а затем заполняют скважину 2 твердеющим материалом (эта последовательность операции на чертеже не показана). При помощи пневмоимпульсного генератора 4 с установленного положения производится многократный импульсный ввод в свайное тело объемов сжатого газа (воздуха). От каждого импульса сжатого газа создается гидродинамический удар 6, ударное воздействие от которого, через твердеющий материал 2 свайного тела, передается на стенки скважины. За счет развития деформаций околосвайного грунта происходят его уплотнение и уширение 5 ствола свайного тела 2. При формировании камуфлетных уширений 5 происходит осадка твердеющего материала свайного тела 2 и в устье скважины образуется свободное пространство, которое заполнится необходимым количеством твердеющего материала. Формирование нескольких камуфлетных уширений по высоте ствола свайного тела (фиг. 8, 9) производится перемещением пневмоимпульсного генератора 4 и созданием зон избыточного давления вдоль свайного тела. После извлечения пневмоимпульсного генератора 4 осуществляют установку арматурного каркаса 7.
Заявляемый способ промышленно применим. Он может быть многократно реализован с помощью известных и широко используемых в практике строительства технических средств и материалов с достижением указанного технического результата.