Устройство для уплотнения стенок вертикальных скважин под буронабивные сваи

УДК 624.154.6

А.П. Кобзев, М.С. Губатенко УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ СТЕНОК ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН ПОД БУРОНАБИВНЫЕ СВАИ

Рассмотрено устройство для уплотнения стенок вертикальных скважин, применение которого позволяет сократить затраты по устройству фундаментов на буронабивных сваях, а также повысить несущую способность единичной буронабивной сваи. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров и структуры вибрационно-радиального снаряда.

Вибрационно-радиальный снаряд, уплотнение грунта, буронабивная свая, несущая способность сваи, структура и параметры снаряда

A.P. Kobzev, M.S. Gubatenko A DEVICE FOR COMPACTION OF VERTICAL CHINKS WALLS FOR THE BORED PILE

Consider a device for compacting of vertical chinks walls, the use of which reduces the cost of fundamental building on bored piles, and increase the carrying capacity of single

boredpiles. The results of theoretical and experimental researches of the structure andparam-eters of vibration-radial gear are submitted.

Vibration-radial gear, soil compaction, bored pile, the bearing capacity of a pile, the structure and parameters of the gear

В настоящее время значительное внимание уделяется новым технологиям устройства свайных фундаментов. Это связано с тем, что совершенствование существующих методов и способов устройства фундаментов, применение оборудования принципиально нового типа, позволит сократить сроки и экономические затраты строительства, повысить качество воздвигаемых конструкций и энергоэффективность применяемых технологий и оборудования.

Известным фактом является то, что стоимость фундаментных работ иногда составляет до 40 % от общей стоимости сооружений, поэтому их удешевление дает вполне ощутимый эффект, выражающийся в миллионах рублей [1]. Часто возведение зданий и сооружений происходит в условиях плотной городской застройки, что способствует увеличению расходов на подготовительные, земляные работы, устройство оснований и фундаментов [2].

По данным президента международного общества по механике грунтов и геотехнике В. Ф. Ван Импе одними из наиболее применяемых типов свай являются буронабивные (рис. 1) [3]. При строительстве фундамента на буронабивных сваях исключается деформация элементов несущих конструкций зданий и сооружений, расположенных поблизости от места производства работ, и шум, возникающий при работе молотов. Одно из основных преимуществ набивных свай перед забивными - возможность их выполнения с одним или несколькими уширениями ствола, значительно повышающими несущую способность сваи. Уширения могут быть выполнены в любой части ствола - верхней, нижней или средней. Наибольшее распространение получили набивные сваи с уширением в основании скважины, что обусловлено возможностями имеющегося оборудования [4].

Погружаемые монолитные сван, 17%

Погружаемые стальные сван, 8° о

Погружаемые сванш сборного ж/б, 23° о

Понижаемые дq:>eвянныe сван, 1° о

Винтовые сван, 3%

Буронабнвные(0>О,65 м) сван, 18° о

Бур онабнвные(болыпого 0) с обсадной трубой, 4° о

Шнековые сван, 12° о

К ор откне инь еыд юнные сван, 2%

Корневые сванн микросваи, б°о

Различные местные виды набивных свай небольшого 0,5°/Ь

Рис. 1. Использование различных видов свай в мире

Главным недостатком буронабивных свай является то, что бурение не способствует увеличению несущей способности грунта, так как не приводит к его уплотнению в стенках скважины, как это имеет место при забивке или вдавливании. Существенное снижение несущей способности наблюдается у буронабивных свай, если в забое имеется некоторое количество шлама, остающегося после бурения в скважине.

Исходя из вышесказанного, актуальной задачей является разработка или совершенствование существующих типов оборудования, применение которых позволит сократить затраты по устройству фундаментов на буронабивных сваях, а также повысить несущую способность единичной буронабивной сваи.

232

Согласно [5] несущая способность сваи ^ обеспечивается сопротивлением грунта через ее пяту и сопротивлением трения грунта по боковой поверхности:

^ = 7а •

где: 7С - коэффициент условий работы сваи в грунте;

Кс - расчетное сопротивление грунта деформации под нижней опорой сваи, кПа;

Асв - площадь поперечного сечения сваи, м2; и - периметр поперечного сечения сваи, м;

/ - расчетное сопротивление 7-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа;

К - толщина 7-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м, принимаемая Иі < 2 м;

7аК, 7/ - коэффициенты условий работы грунта под нижней опорой и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа изготовления сваи.

Анализ данной формулы показывает, что несущая способность свай при одинаковой глубине их погружения в одинаковых грунтовых условиях зависит от двух факторов: площади поперечного сечения сваи, Асв и периметра поперечного сечения сваи, и.

Следовательно, повысить несущую способность буронабивных свай можно уплотнением грунта в пристенном слое скважины и увеличением периметра поперечного сечения сваи при сохранении его площади для сохранения материалоемкости сваи, что особенно актуально для висячих свай.

Для анализа влияния периметра скважин при постоянной площади поперечного сечения рассмотрено 6 профилей, для которых согласно зависимости (1) получены значения несущей способности. При выборе формы сечения скважины согласно теории уплотнения необходимо принимать только овальные формы, позволяющие сформировать скелет грунта. На основании полученных значений несущей способности свай и возможности конструктивного исполнения оборудования для уплотнения стенок скважин рекомендована форма 6 (рис. 2), обладающая достаточно большой несущей способностью.

Периметр поперечного сечения сваи и, [м]

Рис. 2. График зависимости несущей способности сваи Гй, [Н] от периметра поперечного сечения сваи и, [м] при постоянной площади поперечного сечения сваи Асе, [м2]

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что вопрос разработки оборудования, принцип действия которого основан на вибрационно-радиальном воздействии уплотняющих рабочих органов на грунт является актуальным на сегодняшний день. Вибрационное воздействие на грунт в радиальном направлении позволит не только эффективно уплотнить стенки скважины, но и снизить энергоемкость процесса уплотнения с образованием уширения в стволе скважины. В буронабивных сваях за счет сцепления бетона с грунтом в околосвайном пространстве несущая способность характеризуется сопротивлением сдвига бетона по грунту. В связи с этим уплотнение стенок скважины вибрационнорадиальным воздействием рабочих органов на грунт позволит повысить несущую способность свай,

так как сопротивление сдвига уплотненного грунта превосходит сопротивление сдвига неуплотненного. Кроме того, достаточно бурение только лидерной скважины, а затем она расширяется до требуемого диаметра уплотнением в радиальном направлении.

По результатам проведенного анализа существующих устройств для уплотнения и расширения стенок вертикальных скважин на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления разработана конструкция вибрационно-радиального снаряда (рис. 3), на которую получен патент РФ на изобретение [6].

Вибрационно-радиальный снаряд представляет собой цилиндрический корпус 1 на нижней части которого установлено кольцо с прорезями 3. Внутри цилиндрического корпуса жестко закреплен вибратор круговых колебаний 2. В верхней части цилиндрического корпуса установлена крышка, позволяющая соединить свободно вращающуюся штангу 4 с цилиндрическим корпусом 1. На нижней части штанги 4 нарезана резьба, позволяющая разместить на штанге гайку с шарнирами 5, на которых установлены уплотняющие сегменты 6, с ребрами жесткости 7.

При вращении штанги 4 обеспечивается движение гайки с шарнирами 5 вниз и раскрытие уплотняющих сегментов 6 через ребра жесткости 7, благодаря чему создается коническая поверхность с выпуклыми формами, рекомендуемыми Новосибирской государственной академией строительства, при движении которой вверх обеспечивается уплотнение стенок скважины и придание ей необходимого профиля. Уплотняющие сегменты позволяют разрабатывать уширения любого условного диаметра с уплотнением стенок скважины, ограниченного максимальным коэффициентом уширения - 1,8. Конструкция вибрационно-радиального снаряда позволяет устраивать уширения с уплотнением стенок скважины в любой ее части и на любой глубине.

а б

Рис. 3. Вибрационно-радиальный снаряд для уплотнения стенок вертикальных скважин: а) в транспортном положении; б) в рабочем положении;

1 - цилиндрический корпус; 2- вибратор круговых колебаний; 3 - кольцо с прорезями;

4 - штанга; 5 - шарниры; 6 - уплотняющие сегменты

Представленный снаряд позволяет не только уплотнить стенки скважины, но и расширить ее диаметр, поэтому необходимо лишь пробурить лидерную скважину, диаметром, обеспечивающим свободное опускание снаряда на дно скважины. Уплотнение стенок скважины производится проходкой снаряда из нижнего положения вверх.

Благодаря дистанционному управлению, раскрытием уплотняющих сегментов снаряда в процессе проходки возможно создавать уширения стенок скважины вибрированием без перемещения снаряда. По данным Ф.К. Лапшина [7] рекомендуется делать уширения на расстоянии друг от друга

через 2-3 диаметра скважины. Это не снижает несущую способность стенок скважины, а несущая способность сваи, устроенной в ней возрастает.

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований структуры и рациональных параметров вибрационно-радиального снаряда можно сделать следующие выводы [8]:

1. За счет уплотнения стенок скважины и придание ей рекомендованной формы поперечного сечения несущая способность свай, устроенных в такой скважине увеличивается в песчаных грунтах на 14,45%, в глинистых грунтах - на 26,63 % по сравнению со сваей круглого поперечного сечения.

2. Рекомендован дорезонансный режим работы вибрационно-радиального снаряда. Установлены рациональные частоты работы вибрационно-радиального снаряда: 1400-1470 мин-1 - для песчаных грунтов, 400-420 мин-1 - для глинистых грунтов. Наибольшая эффективность работы снаряда (экспериментальная модель) достигается при массе дебаланса 0,3 кг и скорости проходки для песчаного грунта - 0,885 м/мин, для глинистого грунта - 0,417 м/мин.

3. Получен рациональный угол раскрытия уплотняющих сегментов снаряда до 40 градусов по критериям усилия и скорости проходки.

4. Наибольшая эффективность работы снаряда (экспериментальная модель) достигается при массе дебаланса 0,3 кг и скорости проходки для песчаного грунта - 0,885 м/мин, для глинистого грунта - 0,417 м/мин.

5. Для настройки вибрационно-радиального снаряда на рациональную частоту рекомендуется привод с бесступенчатым регулированием скорости вращения дебаланса. Наиболее подходит для этих целей привод с частотным регулированием.

6. Экономическая эффективность уплотнения стенок вертикальных скважин показывает, что применение вибрационно-радиального снаряда позволит уменьшить стоимость единичной сваи по материалу при ее изготовлении в скважинах рекомендуемой формы поперечного сечения на 36% в песчаных грунтах и на 49,425% в глинистых грунтах. Коэффициент уменьшения стоимости единичной буронабивной сваи по материалу, изготовленной в песчаных грунтах - 0,64, в глинистых грунтах - 0,50575. Экономический эффект при изготовлении одной буронабивной сваи диаметром 500 мм и глубиной заложения 24 м в глинистых грунтах составляет 17169 руб. 20 коп.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смородинов М.И. Справочник по общестроительным работам. Основания и фундаменты / М.И. Смородинов, Б.С. Федоров, Б.А. Ржаницын [и др.]. М.: Стройиздат, 1974. 373 с.

2. Далматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Б.И. Далматов. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. 415 с.

3. Ван Импе В.Ф. Фундаменты глубокого заложения: тенденции и перспективы развития / В.Ф. Ван Импе // Реконструкция городов и геотехническое строительство. СПб., 2005. Вып. 9. С. 7-33.

4. Бойко Н.В. Технология, организация и комплексная механизация свайных работ / Н.В. Бойко, А.С. Кадыров, В.В. Харченко [и др.]. М.: Стройиздат, 1985. 303 с.

5. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1995. 48 с.

6. Пат. 2410518 Российская Федерация, МПК E 21 B7/28. Устройство для расширения глухих скважин / Губатенко М.С., Ромакин Н.Е; заявитель ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет». №2009129279/03; заявл. 29.07.09; опубл. 27.01.11. 6 с.

7. Лапшин Ф.К. Расчет свай по предельным состояниям / Ф.К. Лапшин. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1979. 152 с.

8. Губатенко М.С. Обоснование структуры и рациональных параметров вибрационнорадиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин под буронабивные сваи: дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04. Орел, 2011. 141 с.

Кобзев Анатолий Петрович - Anatoliy P. Kobzev -

доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the

заведующий кафедрой «Подъемно-транспортные, Department «Hoisting-and-transport, building and строительные и дорожные машины» road machines» of Balakovo Institute of Technique,

Балаковского института техники, технологии Technology and Management (branch) of Gagarin

и управления (филиала) Саратовского Saratov State Technical University

государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Губатенко Марк Сергеевич -

Ассистент кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Mark S. Gubatenko -

Assistant of the Department of «Hoisting-and-transport, building and road machines» of Balakovo Institute of Technique, Technology and Management (branch) of Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13