УСТРОЙСТВО ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ БУРОНАБИВНЫХ ВИНТОВЫХ СВАЙ
DEVICE FOR ERECTION OF BORED SCREW PILES

Устройство для сооружения буронабивных винтовых свай относится к области горной промышленности и строительства и может быть использовано при строительстве фундаментов зданий, опор ЛЭП, радиомачт, мостов, эстакад, путепроводов и других специальных сооружений.
Известен способ изготовления буронабивной сваи, по которому формирование ее производится устройством путем завинчивания в грунт бурильной колонны, состоящей из инвентарной трубы и винтового наконечника. При достижении глубины, соответствующей длине изготавливаемой сваи, в полость инвентарной трубы подают твердеющий материал с одновременным извлечением инвентарной трубы и оставлением винтового наконечника в скважине (Строительство и городское хозяйство в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, 2003, №60).
К недостаткам данного способа относятся большие энергетические затраты для внедрения винтового наконечника в грунт и отсутствие возможности создавать значительные осевые усилия при бурении в стесненных условиях малогабаритными буровыми установками. Из-за того, что винтовой наконечник не извлекается из скважины, значительно увеличивается стоимость возведения фундамента.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для сооружения буронабивных винтовых свай, состоящее из корпуса, верхняя часть которого выполнена в виде полого многогранного ниппеля с отверстием под замковый палец, и породоразрушающего приспособления с юбкой (Патент Японии №36-575, кл. 86 А 321, опубл. 1961).
Данное устройство имеет ряд существенных недостатков. Для образования винтовой скважины без выноса разрушенного грунта на поверхность, даже в грунтах со средней несущей способностью, требуется применение тяжелых буровых установок со значительным крутящим моментом, которые невозможно применить вблизи существующих фундаментов из-за их значительных габаритов и ограниченности пространства. После образования винтовой скважины в слабонесущих грунтах не исключена возможность обрушения ее стенок и ликвидация винтовой нарезки. Кроме того, вывинчивание формующего элемента обратным вращением строго по винтовой нарезке, образованной прямым ходом, соответствующей шагу этого элемента, осуществить на практике невозможно, что приводит к нарушению стенок винтовой скважины. Оставление башмака на забое скважины влечет за собой удорожание стоимости сваи.
Технический эффект, ожидаемый от использования изобретения, заключается в повышении производительности при сооружении буронабивных винтовых свай и их несущей способности в устойчивых и средней устойчивости грунтах, а также в снижении стоимости буровых работ.
Указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве для сооружения буронабивных винтовых свай, состоящем из корпуса, верхняя часть которого выполнена в виде полого многогранного ниппеля с отверстием под замковый палец, и породоразрушающего приспособления с юбкой, средняя и нижняя части корпуса выполнены в виде цельных цилиндров с поперечным сечением различного диаметра, причем средняя часть - большего, а нижняя - меньшего диаметра, при этом в средней цилиндрической части выполнены система отверстий, полость для инъекции бетонной смеси и поперечный паз, в котором на вертикальной оси, размещенной в вертикальном отверстии корпуса, с возможностью вращения смонтирован щелеобразующий нож, задняя и передняя грани рабочей части которого образованы пересечением двух цилиндрических поверхностей различного радиуса, оси которых параллельны оси устройства и лежат в одной плоскости, а ось цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, совпадает с осью устройства, при этом нижний и верхний торцы выполнены с радиусными фасками, а щелеобразующий нож установлен с возможностью взаимодействия с подпружиненным толкателем для выдвижения щелеобразующего ножа в рабочее положение, а в нижней цилиндрической части корпуса выполнен сквозной продольный паз с размещенным в нем ограничителем. Изобретение отличается и тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей заднюю грань щелеобразующего ножа, равен радиусу корпуса устройства, а также тем, что радиус цилиндрической поверхности, образующей переднюю грань щелеобразующего ножа, в 0,8-1,25 раза больше радиуса цилиндрической поверхности, образующей его заднюю грань, и тем, что верхний и нижний торцы передней грани щелеобразующего ножа выполнены с радиусными фасками равной величины, находящейся в пределах 0,5-0,75 S, где S - ширина щелеобразующего ножа, а также тем, что верхний торец средней цилиндрической части корпуса расположен выше верхней плоскости поперечного паза, который в транспортном положении перекрыт кожухом, жестко связанным с юбкой породоразрушающего приспособления, тем, что сквозной продольный паз в нижней цилиндрической части корпуса имеет длину большую, чем расстояние от верхнего торца кожуха до нижнего торца поперечного паза, и тем, что полость в корпусе для инъекции бетонной смеси в скважину расположена на одном уровне с поперечным пазом и смещена назад по ходу вращения устройства относительно поперечного паза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематическое изображение устройства в разрезе в положении бурения пилотной скважины под сваю, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 с указанием диаметров породоразрушающего приспособления d2 и реборды шнека d1, на фиг.3 - схематическое изображение устройства в разрезе в положении образования винтовой щели, на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3 при различных диаметрах цилиндрической поверхности, образующей переднюю грань щелеобразующего ножа, на фиг.5 - схематическое изображение щелеобразующего ножа на плоскости с видом по А и сечением по Б-Б при R1=1,2R и различных значениях r.
Устройство состоит из корпуса 1, верхняя часть которого представляет собой полый многогранный ниппель 2 с отверстием под замковый палец 3 для соединения со шнековым снарядом. Средняя 4 и нижняя 5 части корпуса 1 - цельные цилиндры различного диаметра. При этом средняя часть 4 имеет больший диаметр, чем нижняя часть 5. В средней цилиндрической части 4 корпуса 1 имеются полость 6 для инъекции твердеющей смеси, которая соединена с полым многогранным ниппелем 2 посредством отверстия (на фиг.1 не показано), поперечный паз 7, в котором на вертикальной оси 8, размещенной в корпусе 1, смонтирован щелеобразующий нож 9. Задняя 23 и передняя 24 грани рабочей части щелеобразующего ножа 9, внедряющиеся в стенки пилотной скважины, образованы пересечением двух цилиндрических поверхностей различного радиуса R и R1, оси которых параллельны оси устройства и лежат в одной плоскости. Ось цилиндрической поверхности, которая образует заднюю 23 грань щелеобразующего ножа 9, совпадает с осью устройства. Радиус R цилиндрической поверхности, образующей заднюю 23 грань щелеобразующего ножа 9, равен радиусу корпуса устройства 1, а радиус R1 цилиндрической поверхности, образующей переднюю 24 грань щелеобразующего ножа, в 0,8-1,25 раза больше радиуса R цилиндрической поверхности, образующей его заднюю 23 грань. Верхний 25 и нижний 26 торцы передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 выполнены с радиусными фасками равной величины, находящейся в пределах 0,5-0,75 S, где S - ширина щелеобразующего ножа.
Из фиг.2 видно, что при R1=2R, где R1 и R радиусы передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 и корпуса 1 устройства соответственно, передняя грань щелеобразующего ножа представляет собой практически плоский прямоугольник при диаметре пилотной скважины под сваю, равном 210 мм, и максимально возможном в данном случае диаметре корпуса устройства 160 мм. При такой геометрии передней грани щелеобразующего ножа разрушение грунта будет происходить преимущественно в режиме резания практически без смятия, что повлечет за собой смешивание разрушенного грунта с твердеющей смесью и ухудшению ее прочностных свойств, а следовательно, и уменьшению прочности сваи.
При R1=1,2R передняя 24 грань щелеобразующего ножа 9 будет производить работу преимущественно в режиме смятия грунта, т.е. практически весь объем грунта, находящийся перед передней гранью ножа при его поступательном движении будет вдавлен в стенки винтообразной полости, исключая смешивание разрушенного грунта с твердеющей смесью. В данном случае не будут нарушены прочностные характеристики твердеющей смеси.
3
3
Уменьшение R1 до величины 0,85R при ширине щелеобразующего ножа 5 см, как показали наши расчеты, приводит к увеличению объема грунта, вдавливаемого в стенки винтообразной полости на 23,4% (с 32,4 см при R1=1,2R до 40 см при R1=0,85R). Для вдавливания такого объем грунта в стенки винтообразной полости при сооружении сваи в грунтах со средней несущей способностью потребуются дополнительные затраты энергии на вращателе буровой установки, т.е. необходимо применять более мощные установки, что не всегда возможно и оправдано,
Исполнение верхнего 25 и нижнего 26 торцов передней грани 24 щелеобразующего ножа 9 по радиусным фаскам равной величины (например r1, фиг.5) способствует смятию и вдавливанию грунта в кровлю и почву винтовой полости, полностью исключая его резание, а следовательно, и смешивание с твердеющей смесью, т.е. не нарушая прочностных характеристик этой смеси. Для определения наиболее оптимальной величины радиуса этих фасок нами проведены аналитические расчеты, которые показали следующее: при r3, равном 0,9 и 1,1S, где S - ширина щелеобразующего ножа 9, радиусные фаски на передней 24 грани щелеобразующего ножа 9 представляют собой кривые, приближающиеся к прямым, т.е. передняя грань становится практически плоской, что ухудшает условия смятия и вдавливания грунта в стенки винтообразной щели и требует значительных энергетических затрат; при r2, равном 0,5-0,65S, верхний и нижний торцы передней грани щелеобразующего ножа имеют достаточную скругленность, что обеспечивает смятие и вдавливание грунта перед передней гранью щелеобразующего ножа в стенки винтообразной полости.
Исходя из сказанного, мы пришли к выводу, что при сооружении свай в грунтах со средней несущей способностью радиус передней грани щелеобразующего ножа R1 должен находиться в пределах 1,1-1,25R и r1 в пределах 0,65-0,7S, а при сооружении свай в слабонесущих грунтах R1 можно уменьшать до 0,8R и r1 до 0,5S.
Проведенные расчеты справедливы также и для сваи любого другого диаметра с различными геометрическими параметрами щелеобразующего ножа.
Щелеобразующий нож 9 приводится в рабочее положение толкателем 10 при помощи пружины 11, с внешней стороны зафиксированной заглушкой 13. Толкатель 10 смонтирован с возможностью перемещения в полости 12. Полость 6 посредством отверстия 21 (см. фиг.2) соединена с полостью 22 (см. фиг.1) в корпусе породоразрушающего приспособления 17.
В нижней цилиндрической части 5 корпуса 1 выполнен сквозной продольный паз 14, в котором с возможностью перемещения находится ограничитель 15, установленный в сквозные отверстия юбки 16 (на фиг.1 и 2 не показаны), жестко соединенной с породоразрушающим приспособлением 17, выполненным в виде конической насадки, и удерживающий их в транспортном положении, т.е. когда происходит бурение пилотной скважины под сваю, и в рабочем положении, когда в пилотной скважине происходит образование винтовой щели.
Верхний торец средней цилиндрической части 4 корпуса 1 расположен выше верхней плоскости поперечного паза 7, который в транспортном положении перекрыт кожухом 19, жестко связанным с юбкой 16 породоразрушающего приспособления 17. Щелеобразующий нож 9 в транспортном положении под действием пружины 11 упирается в кожух 19 и не дает юбке 16 с породоразрушающим приспособлением 17 опуститься в крайнее нижнее положение в случае встречи в разрезе скважины пустот или несвязных пропластков грунта. Кожух 16 в транспортном положении перекрывает и полость 6, высота которого равна высоте поперечного паза 7.
Сквозной продольный паз 14 в нижней цилиндрической части 5 корпуса 1 имеет длину, несколько большую, чем расстояние от верхнего торца кожуха 19 до нижней плоскости 20 поперечного паза 7. Полость 6 для инъекции твердеющей смеси в средней цилиндрической части 4 корпуса 1 расположена на одном уровне с поперечным пазом 7, что обеспечивает ее полное перекрытие кожухом 19 при бурении пилотной скважины, и смещена относительно поперечного паза 7 назад по ходу вращения устройства.
Смещение полости 6 относительно поперечного паза 7 назад по ходу вращения устройства выполнено с целью мгновенного заполнения образующейся щели бетонной смесью.
Устройство работает следующим образом. На устье скважины собирают шнековый буровой снаряд, состоящий из полых шнеков, и подсоединенного к ним устройства. Этим снарядом бурится пилотная скважина до проектной глубины сваи. Пробурив пилотную скважину, буровой снаряд несколько приподнимают от забоя, останавливают вращение шнекового снаряда и начинают подачу бетонной смеси под давлением через полый шнековый снаряд к устройству и через отверстие 21 в полость 22 породоразрушающего приспособления 17.
3
При достижении определенного давления, превышающего силу трения щелеобразующего ножа 9 о стенку кожуха 19, породоразрушающее приспособление 17 с юбкой 16 и кожухом 19 опускаются вниз до упора ограничителя 15 в нижнюю часть сквозного продольного паза 14 (см. фиг.3). При этом открываются полость 6 и поперечный паз 7 в средней части 4 корпуса 1 устройства, где размещен щелеобразующий нож 9. Это возможно за счет того, что сквозной продольный паз 14 в цилиндрической нижней части 5 корпуса 1 имеет длину большую, чем высота поперечного паза 7 и полости 6. После открытия поперечного паза 7 щелеобразующий нож 9 под действием пружины 11 толкателем 10 выдвигается за пределы диаметра пилотной скважины (фиг.4 - d2), образованного породоразрушающим приспособлением 17. Полное выдвижение щелеобразующего ножа 9 до диаметра винтовой щели (фиг.4 - d) происходит как за счет действия пружины, так и за счет силы сопротивления грунта разрушению при начале вращательного движения шнекового снаряда по часовой стрелке.
Далее в зависимости от степени устойчивости грунта, которая определена инженерными изысканиями перед началом строительства данного объекта, выбирают шаг винтовой щели, который будет образован при одновременном вращательном и поступательном вверх движении шнекового снаряда с выдвинутым щелеобразующим ножом 9, обеспечивающий наибольшую несущую способность сваи. При этом во время подъема шнекового снаряда нет необходимости придавать ему строго определенную скорость вращения и подачи, исходя из величины шага спирали винтового наконечника, как это имеет место при сооружении винтовых свай способом завинчивания с последующим вывинчивании винтового наконечника.
Таким образом, изобретение имеет следующие преимущества:
1. Обеспечивается сооружение буронабивных свай с винтовой нарезкой щели в стенках пилотной скважины с регулируемой величиной шага винтовой полости в зависимости от степени устойчивости грунта.
2. Нарезка винтовой полости в стенках пилотной скважины осуществляется при подъеме шнекового снаряда с одновременным вращением, для чего нет необходимости строго выдерживать соотношение скорости вращения и подъема бурового снаряда, достаточно только соблюдать равномерность этих величин.
3. Исключается возможность смешивания разрушенного грунта с твердеющей смесью, не ухудшая ее прочностных характеристик, при одновременном уплотнении стенок винтовой полости, что обеспечивает их устойчивость и повышает несущую способность.
4. Исключается необходимость применения мощных тяжелых буровых установок, что дает возможность сооружать буронабивные винтовые сваи в непосредственной близости от фундаментов ранее построенных зданий и сооружений.
5. Устройство обеспечивает высокую производительность буровых работ.