СПОСОБ УСТРОЙСТВА ИНЪЕКЦИОННОЙ СВАИ
METHOD OF ARRANGING INJECTION PILE

Изобретение относится к строительству, в частности к способам устройства свайных фундаментов преимущественно в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве как при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции зданий, так и при возведении новых зданий и сооружений.
Известен способ устройства буроинъекционной сваи, в котором устройство скважины производят без извлечения грунта. Согласно этому способу устройство скважины осуществляют путем вдавливания с вращением наконечника, жестко установленного на штанге бурового станка и имеющего диаметр, равный диаметру скважины, при этом на штанге бурового станка установлен пневмоударник, к которому прикреплен наконечник. Затем в скважину устанавливают арматуру и производят инъецирование твердеющего материала (Заявка RU №2000117934/03, МКИ 7 E02D 5/34, 5/44).
Преимуществом этого способа является то, что скважину устраивают без извлечения грунта - установленный на штанге буровой установки наконечник с вращением вдавливают в грунт, обеспечивая уплотнение грунта в основании скважины. Однако предварительное образование скважины при этом не исключается. Эта дополнительная технологическая операция приводит к увеличению срока возведения буроинъекционной сваи и, как следствие, к увеличению ее стоимости. При этом в слабых водонасыщенных грунтах не обеспечивается устойчивость стенок скважины после ее устройства. Кроме того, уплотнение грунта вокруг устроенной таким образом сваи недостаточно велико, что отражается на несущей способности сваи – она, в свою очередь, также не велика.
Известны другие два способа возведения набивной сваи (авт. св. SU №1280084, E02D 5/34, опубл. 30.12.86; авт. св. SU №1656928, E02D 5/34, опубл. 15.12.93), в которых формирование ствола сваи осуществляется при вдавливании сначала трубы с кольцевым уширительным наконечником с одновременным заполнением образующегося кольцевого пространства между трубой и стенкой скважины бетонной смесью. Затем труба поднимается и кольцевое пространство внутри трубы дополнительно заполняется бетонной смесью по авт. св. №1656928 и песком по авт. св. №1280084. Таким образом, заполняется все кольцевое поперечное сечение сваи. Недостатками этих двух способов являются отсутствие последующего расширения ствола сваи (увеличения диаметра) по ее длине, а также формирование сваи кольцевого сечения с внутренним включением грунта, что не обеспечивает высокую несущую способность сваи по грунту и по материалу. Преимуществом является то, что устойчивость стенок скважины обеспечивается одновременным заполнением образуемого при вдавливании кольцевого пространства вокруг трубы бетонной смесью.
Из уровня техники известны два варианта способа возведения инъекционной сваи по патенту RU 2263745, МПК E02D 5/34, E02D 5/46, опубл. 10.11.2005. Способ используется преимущественно для слабых грунтов и включает погружение в грунт обсадной трубы с теряемым наконечником и установленной внутри нее инъекторной трубой. Согласно этому способу проводят поэтапное по длине сваи инъектирование твердеющего раствора снизу вверх, сначала в зону скважины между наконечником и нижним упором, установленным в обсадной трубе. Затем обсадную трубу вместе с инъекторной трубой приподнимают и фиксируют. При этом на инъекторную трубу устанавливают дополнительный упор выше нижнего упора и между упорами эту часть инъекторной трубы в одном из вариантов выполняют перфорированной. Инъектируют новую зону, нагнетая под давлением твердеющий раствор, и операции повторяют до извлечения обсадной трубы из грунта. Зону инъектирования устанавливают в пределах однородного грунта, а твердеющую смесь подают с давлением, определяемым для грунта этой зоны. При достижении дополнительным упором поверхности грунта обсадную трубу убирают, а перфорированную часть инъекторной трубы оставляют в скважине. Она выполняет функцию арматуры. Во втором варианте инъекторную трубу выполняют без перфорации и ее извлекают полностью из скважины. Подачу твердеющего раствора осуществляют только через торцевое отверстие инъекторной трубы. В этом варианте арматурный каркас размещают между упорами и по мере извлечения обсадной и инъекторной труб оставляют в скважине на проектной отметке. Подача твердеющей смеси с давлением, учитывающим характеристики грунта, позволяет получить плотную, однородную по всей высоте сваю и тем самым повысить ее несущую способность.
Недостатком способа является его нетехнологичность ввиду наличия множества операций: погружение обсадной трубы с установленной внутри нее инъекторной трубой, их поэтапный подъем, обрезка перфорированной части (1 вариант), установка дополнительной арматуры (2 вариант). На все это требуется время и дополнительные трудозатраты. Кроме того, в стесненных условиях реконструкции погружение и последующее извлечение обсадной и инъекторной труб является труднодостижимой, практически невыполнимой задачей.
Известен другой способ устройства инъекционной сваи, включающий устройство скважины без извлечения грунта путем вдавливания в грунт инъекторной трубы с конусным наконечником и инъектирование под давлением твердеющего раствора через инъекторную трубу после достижения ею проектной отметки и тампонирования устья скважины. Инъекторная труба перфорирована отверстиями по всей длине с закрепленным на нижнем конце конусным наконечником, состоящим из диска, диаметром, большим диаметра инъекторной трубы и режущих пластин, края которых выступают за основание диска. При вдавливании инъектора с наконечником такой конструкции на стенках скважины нарезаются продольные пазы и между стенкой скважины и инъекторной трубой образуется зазор. Зазор необходим для снижения усилия вдавливания при погружении инъекторной трубы и дальнейшего равномерного расширения стенок скважины при инъектировании твердеющей смеси. При нагнетании твердеющего раствора уплотняются стенки скважины. Инъекторная труба после инъекции твердеющего раствора и формирования ствола сваи остается в теле сваи и выполняет роль арматуры. Ствол сваи при инъекции формируется в виде вертикального стержня с волнообразной боковой поверхностью (пат. RU №2238366, МПК E02D 5/34, опубл. 20.10.04). Указанный способ наиболее близок к заявляемому и принят за прототип.
Недостатком этого способа является возможность оплывания (обрушения) стенок скважины в слабых грунтах на этапе между образованием скважины и инъекцией твердеющей смеси, что отрицательно сказывается на формировании сплошного, однородного сечения устроенной сваи, ее несущей способности и технологичности в процессе выполнения. Также недостатком является необходимость тампонирования устья скважины, а инъекционная труба, которая остается в теле сваи и выполняет роль арматуры, многократно увеличивает стоимость устройства инъекционной сваи.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в формировании сплошного, однородного сечения ствола сваи с повышением ее несущей способности и технологичности изготовления в слабых грунтах.
Техническая проблема решается изобретением следующим образом.
Как и по способу устройства инъекционной сваи, принятому за прототип, устройство скважины по заявляемому способу производят без извлечения грунта путем вдавливания в грунт инъекторной трубы с конусным наконечником, состоящим из диска и режущих пластин, с одновременным нарезанием на стенках скважины продольных пазов и образованием зазора между стенками образуемой скважины и инъекторной трубой. После погружения инъекторной трубы до проектной отметки в нее нагнетают под давлением твердеющий раствор, заполняя последним устроенную скважину. Как и в прототипе, зону грунта вокруг скважины уплотняют.
В отличие от прототипа согласно изобретению в грунт вдавливают неперфорированную инъекторную трубу с цилиндрическим уширением в нижней части. Концы уширения скошены в сторону инъекторной трубы, образуя верхний и нижний конусы. После погружения инъекторной трубы до проектной отметки ее извлекают из скважины, оставляя в скважине конусный наконечник. В отличие от прототипа нагнетание твердеющего раствора производят одновременно с извлечением инъекторной трубы, заполняя устроенную скважину твердеющим раствором снизу вверх. Отличием является также то, что зону грунта вокруг скважины уплотняют при вдавливании инъекторной трубы и при извлечении инъекторной трубы из скважины поверхностями нижнего и верхнего конусов ее уширения соответственно. После извлечения инъекторной трубы в твердеющий раствор погружают арматурный каркас.
За счет использования уширения инъекторной трубы, при изготовлении сваи не требуется устройство тампонажа и пригруза для предотвращения излива (выхода) твердеющего раствора на поверхность, что повышает технологичность способа.
В частных случаях проводят дополнительное расширение участков ствола сваи путем повышения давления или времени нагнетания твердеющего раствора на этих участках, а также после устройства сваи по всей ее длине проводят опрессовку околосвайного массива грунта высоким давлением.
Свая по заявляемому способу формируется в виде вертикального стержня с волнообразной боковой поверхностью с уширением ствола в области слабого грунта. Путем регулирования объема нагнетаемого твердеющего раствора за счет повышения давления или времени нагнетания можно обеспечивать уширения разного диаметра по длине ствола сваи с учетом свойств грунтов.
Применение совокупности заявленных признаков при изготовлении инъекционной сваи обеспечивает решение технической проблемы по обеспечению формирования сплошного сечения ствола сваи, повышению ее несущей способности и технологичности изготовления в слабых грунтах.
Обеспечение формирования сплошного, однородного сечения ствола сваи обеспечивается одновременным заполнением сформированной скважины твердеющим раствором (бетонной смесью) по мере извлечения инъекторной трубы. Уширение и верхний конус препятствуют попаданию грунта в твердеющий раствор и уплотняют стенки скважины при извлечении инъекторной трубы из скважины. Повышение несущей способности сваи обеспечивается формированием дополнительного уширения ствола в области слабого грунта с одновременным уплотнением грунта. Совмещение всех операций по устройству сваи производится одним оборудованием, исключаются операции по его перестановке и смене, исключается операция по устройству тампонажа и пригруза, что повышает технологичность изготовления сваи.
Заявителю не известны способы устройства инъекционных свай, содержащие совокупность всех заявляемых признаков и характеризующих изобретение. Это подтверждает новизну изобретения. Из уровня техники не выявлено инъектирование твердеющего раствора через инъекторную трубу снизу вверх с одновременным извлечением инъекторной трубы и уплотнением стенок скважины уширением и конусами инъекторной трубы. Явным образом способ не следует из уровня техники, что подтверждает наличие изобретательского уровня.
Далее способ устройства инъекционной сваи поясняется примером конкретного выполнения.
На фиг. 1 показана нижняя часть инъекторной трубы с уширением; на фиг. 2 показан теряемый наконечник; на фиг. 3-7 - технологические схемы поэтапного устройства инъекционной сваи по предлагаемому способу; на фиг. 8 показана инъекционная свая, устроенная предлагаемым способом, с участком слабого грунта.
Способ устройства инъекционной сваи осуществляют следующим образом.
На поверхность грунта устанавливают инъекторную трубу (1), состоящую из стальной трубы с цилиндрическим уширением в нижней части (2) и скосами в сторону инъекторной трубы, которые образуют конусы в нижнем и верхнем направлениях (3, 4), на конце которой расположен теряемый наконечник (5), имеющий фиксатор (6), диск (7) и режущие пластины (8). Затем производят погружение инъекторной трубы (1) с теряемым наконечником (5) в грунт с помощью вдавливающего оборудования или вибропогружателя (не показано) усилием вдавливания N1 на заданную глубину. В процессе погружения формируется скважина. Благодаря уширению (2) в нижней части инъекторной трубы (1) уменьшается трение по боковой поверхности и, следовательно, усилие вдавливания. За счет конуса (3) в нижнем направлении уплотняются стенки скважины (9) выдавленным грунтом. При таком способе устройства в зазор между стенкой скважины (9) и инъекторной трубой (1) может попадать грунт (10). Далее в образовавшуюся скважину нагнетают твердеющий бетонный раствор (11) под давлением Р1 через инъекторную трубу (1). По мере заполнения скважины раствором (11) инъекторную трубу (1) извлекают с усилием N2, при этом наконечник (5) остается в грунте. Данный способ применим при устройстве инъекционной сваи в слабых (водонасыщенных) грунтах. Так же возможно увеличение диаметра скважины (12) в области слабого фунта путем увеличения давления Р1 подачи твердеющей смеси (11). Это увеличивает несущую способность сваи в слабых грунтах. При извлечении инъекторной трубы (1) попавший в зазор грунт (10) вдавливается в стенки скважины (9) с помощью конуса (4) в верхнем направлении. По окончании бетонирования и извлечения инъекторной трубы (1) в скважину погружается арматурный каркас (13). При необходимости производят опрессовку околосвайного массива грунта высоким давлением.
Предлагаемый способ обеспечивает формирование сплошного сечения ствола сваи путем заполнения сформированной скважины твердеющей (бетонной) смесью. Повышение несущей способности сваи обеспечивается формированием по длине ствола сваи дополнительного уширения сверх диаметра скважины с уплотнением грунта. Совмещение всех операций по устройству сваи производятся одним оборудованием, исключается операции по его перестановке и смене, исключается необходимость тампонирования скважины (тампонажа) и устройства пригруза, что повышает технологичность изготовления сваи.