СПОСОБ УСТАНОВКИ ВИНТОВОЙ СВАИ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ И БУРОВОЙ ШНЕК ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD FOR INSTALLATION OF SCREW PILE IN PERMAFROST SOILS AND HELICAL SCREW FOR IMPLEMENTATION OF METHOD

Изобретение относится к области строительства зданий и сооружений в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно к способу установки винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах.
В последние годы винтовые сваи широко применяют для строительства как на талых, так и на многолетнемёрзлых грунтах. Применение винтовых свай в условиях многолетнемерзлых грунтов имеет серьёзные преимущества перед обычно применяемыми буроопускными сваями, а именно, быстрота установки в сложных климатических условиях, стойкость к воздействию знакопеременных нагрузок, в том числе, морозного пучения за счёт анкерования винтовой лопасти ниже зоны пучения, отсутствие «мокрых» бетонных процессов при установке и, наконец, сокращение сроков и стоимости строительства. Однако, учитывая тот факт, что многолетнемёрзлые грунты обладают очень высокой прочностью, погружение винтовых свай в такие грунты вызывает затруднения.
Так, известен способ, согласно которому в предварительно пробуренную лидерную скважину вставляют нижний конец ствола винтовой сваи и ввинчивают её в грунт на проектную глубину погружения винтовой лопасти в нижней части ствола. При этом, лидерную скважину бурят диаметром, равным диаметру цилиндрической части сваи. При таком погружении отсутствует лобовое сопротивление нижнего конца ствола, винтовые лопасти прорезают твёрдый мёрзлый грунт, а ствол сваи проходит через лидерную скважину без сопротивления. [Иродов М.Д. Применение винтовых свай в строительстве. Стройиздат. М., 1968. Стр. 15.]. Однако, большое трение поверхности винтовой лопасти о твердый мерзлый грунт увеличивает сопротивление завинчиванию сваи.
Известен способ погружения винтовой сваи, в том числе в условиях мёрзлых грунтов, согласно которому, винтовую сваю, включающую стальной трубчатый ствол с направляющим конусом и винтовой лопастью, вдавливают и одновременно ввинчивают в грунт с использованием внутреннего инвентарного ключа (RU2244065С1 МПК Е02D 5/56, 7/22, опубл. 10.01.2005, Бюлл. №1). При этом, согласно способу, при ввинчивании сваи крутящий момент на винтовую лопасть первоначально передают посредством инвентарного ключа, затем, по мере нарастания сопротивления ввинчиванию, в работу по передаче крутящего момента включают ствол сваи, при этом, не превышают установленный крутящий момент как на ключе, так и на стволе сваи. Однако такой способ установки сваи в прочных мерзлых грунтах требует больших крутящих нагрузок на ствол сваи, что может привести к разрушению ствола. Кроме того, способ требует больших энергетических затрат.
В способе установки винтовой опоры в грунте по патенту RU№2117098С1, МПК Е02D 5/56, 7/22, опубл. 10.08.1998, Бюлл. №22, включающем образование по оси установки зоны ослабления и завинчивание винтовой опоры.  Зону ослабления образуют путем рыхления грунта без его выноса на поверхность, причем зону ослабления в грунтах средней плотности выполняют диаметром, меньшим диаметра винтовой лопасти опоры на ее двойную ширину, а в плотных и мерзлых грунтах - диаметром, равным или превышающим диаметр винтовой лопасти на величину, равную ее двойной ширине, при этом глубину зоны ослабления принимают равной проектной глубине заложения винтовой опоры.
Недостатком известного способа является то, что нарушение целостности грунта в приконтактной зоне ведет к снижению несущей способности сваи.
Известен способ изготовления буровинтовой сваи, согласно которому специальный механизм производит бурение скважины готовой винтообразной формы с крупной резьбой, которую, затем, заполняют бетоном с установкой или без установки арматурного каркаса (RU 2220256 С2, МПК E02D 5/56, 7/22, опубл. 27.12.2003, Бюлл. №36). Механизм для бурения состоит из неподвижной, относительно грунта, во время бурения части, крепящейся на транспортном средстве, и подвижной части с редукторами и резцами для нарезки резьбы и шнеком для выемки грунта. Этот механизм позволяет бурить винтовую скважину за один проход.
К недостаткам известного способа относится сложность контроля качества сваи при застывании бетона: возможны возникновения каверн, пустот, наплывов, которые снижают прочностные характеристики сваи; возможно также разрушение скважины за счет подвижек грунта до завершения процесса застывания сваи. Кроме того, способ достаточно сложный, трудоемкий, требует больших временных затрат.  Известный способ выбран в качестве ближайшего аналога предлагаемого способа установки винтовой сваи в многолетнемерзлых грунтах.
Из уровня техники известен шнековый бур для вращательного бурения скважин в грунтах с твердыми включениями, в вечномерзлых и в грунтах с сезонным промерзанием (RU 2485277 С2, МПК Е21В10/44, опубл. 20.06.2013, Бюлл. №17).  Бур включает вал, шнековый корпус с шарнирно закрепленными заслонками, буровые сменные резцы, установленные в горизонтальной плоскости по ступенчатой схеме под некоторым углом друг к другу, пилот-забурник. Такая конструкция обеспечивает уплотнение стенок скважины и осевую устойчивость при бурении в сложных неоднородных грунтах.
Размещение резцов на шнеке преследует цель экономичного бурения широких скважин (последовательное снятие боковых слоев грунта, резцы при этом размещают преимущественно горизонтально или разнонаправленно относительно горизонта); уравновешивание вращения бура относительно центральной оси; проходка в сложных грунтах, имеющих твердые включения, а также многлетнемёрзлых и сезоннопромерзающих грунтах.
Известный шнековый бур используют для проходки скважин с уплотнёнными стенками.
Наиболее близкими по совокупности признаков к буровому шнеку, используемому в настоящем изобретении, является шнековая буровая коронка (RU 2234586 C1, МПК Е21В 10/44, опубл. 20.08.2004, Бюлл. № 22), которая включает вал с забурником из резцов на конце, формирующих опережающую скважину, а вокруг вала закреплены транспортирующие ленты, образующие цилиндрическую часть шнека. Дополнительно вал снабжен конической частью шнека, кромки транспортирующих лент которого армированы резцами, причем забурник опережает коническую часть шнека таким образом, что формирует опережающую скважину цилиндрической формы. Это устройство предназначено для бурения цилиндрических скважин и решает задачу повышения эффективности бурения путем удерживания шнекового бура на заданной оси бурения и обеспечения бурения при встрече устройства с твердыми включениями пород.
Техническим результатом от использования настоящего изобретения будет упрощение процесса (уменьшение количества операций) и сокращение времени установки винтовой сваи, универсализация процесса (все операции выполняются на одном оборудовании), повышение надежности и контроля установки, появление возможности ремонта и замены винтовых свай.
Заявленный технический результат достигается тем, что предложенный способ предназначен, прежде всего, для установки прокатно-сварной винтовой сваи с многовитковой винтовой лопастью. Обычно он включает: бурение цилиндрической скважины требуемой глубины с выемкой грунта; нарезку винтовой резьбы на стенках скважины посредством механизма для бурения, содержащего подвижную часть со стволом, расположенным на нем шнеком и, размещенными на шнеке резцами для нарезки резьбы; извлечение подвижной части бурового механизма из скважины посредством обратного вращения; установку винтовой сваи посредством ее завинчивания по резьбе винтообразной скважины. Резьбу в винтообразной скважине нарезают таким образом, чтобы ее профиль и шаг соответствовали профилю и шагу винтовой лопасти сваи. Предпочтительно резьбу в скважине нарезать до забоя (дна скважины), соответственно винтовая свая при этом вкручивается на всю глубину скважины. Для осуществления способа обычно применяют стандартные прокатно-сварные винтовые сваи, выпускаемые отечественной промышленностью (например, СВС 159 мм, 219 мм, 325 мм и т.д.). Винтовая лопасть имеет прямоугольное сечение и выполняется путем наваривания на трубу спиральной ленты толщиной 8-10 мм. Лопасть может содержать 2-4 витка или более. Однако заявляемый способ не ограничивается только использованием стандартных винтовых свай, могут быть использованы сваи с любым профилем и шагом резьбы, а также количеством витков.
Глубина винтообразных скважин для установки винтовых свай в многолетнемерзлых грунтах составляет преимущественно от 2 до 10 м. Меньшая глубина бурится при строительстве легких технических сооружения, большая для установки свай в фундамент капитальных строений.
Для уменьшения нагрузок при вкручивании винтовой сваи, предпочтительно, чтобы внешний диаметр резьбы винтовой скважины был не меньше внешнего диаметра винтовой сваи. Зазор может достигать 10 мм, обычно 3-5 мм. Как показывает практика, такой зазор в течение суток полностью нивелируется за счет подвижности грунта, и свая прочно фиксируется по месту установки.
При нарезке резьбы в скважине вращательный момент обычно прикладывают к хвостовой части ствола бурового механизма. Для скважин значительной глубины особенно в сложных грунтах в этом случае могут возникать биения ствола, приводящие к разбиванию устья скважины и порче бурового механизма. Для устранения таких случайностей на стволе в устье скважины предпочтительно размещать ограничительные кольца. Ствол имеет возможность свободно двигаться через такое кольцо в вертикальном направлении, и ограничен для смещений по горизонтали.
В другом случае ствол бурового механизма могут выполнять полым, а вращательный момент прикладывать к головной его части посредством штанги, проходящей через ствол. В этом случае ствол может изготовляться из мягких сталей.
Грунт, срезаемый резцами для нарезки резьбы, обычно налипает на шнек. Если скважина имеет значительную глубину или грунт слишком вязкий, то после заполнения шнека грунтом, подвижная часть бурового механизма извлекается на поверхность, где шнек освобождается от грунта посредством своего раскручивания с высокими угловыми скоростями. После чего подвижная часть снова погружается в скважину и продолжается нарезка резьбы. Таких подъемов-погружений может быть несколько в зависимости от глубины скважины, состояния грунта, диаметра нарезаемой резьбы.
В соответствии с настоящим изобретением проходка цилиндрической скважина может быть совмещена с одновременным нарезанием резьбы. В этом случае на головной части ствола бурового механизма обычно размещают буровую коронку, обеспечивающую вертикальный проход скважины. Удаление грунта из скважины в этом случае происходит так, как это описано выше или иным способом, позволяющим достичь заявленного технического результата.
Для осуществления заявляемого способа установки винтовой сваи предпочтительно использовать буровой шнек, который включает вал с оконцовкой, вокруг которого расположена спиральная реборда шнека. По крайней мере, часть шнека выполнена конической, и на кромке реборды шнека установлены резцы, таким образом, что режущее усилие направлено вдоль спиральной линии реборды. Предпочтительно весь шнек выполнять коническим с конусностью от 1:5 до 1:10. Обычно он при этом содержит три полных витка.
Резцы выполняют съемными и крепят посредством резцедержателей по всей длине кромки реборды. Количество резцов зависит от твердости проходимого грунта и может составлять от нескольких штук до нескольких десятков на виток. Форма резцов обычно повторяет профиль нарезаемой резьбы. Если используемая винтовая свая имеет лопасть со сложным профилем, то требуемый профиль резьбы в скважине может создавать совокупность нескольких резцов, следующих друг за другом, при этом отдельный резец нарезает лишь часть профиля. Также для нарезки резьбы может использоваться шнек, на котором размещены резцы разных видов: на первых витках расположены плоские резцы, выбирающие грунт, дальше идут конические резцы, калибрующие канавки резьбы под требуемый профиль.
Поскольку резцы располагают на коническом шнеке (сужающемся к оконцовке), то их заглубление в грунт происходит последовательно, то есть чем дальше резцы расположены от головной части ствола вдоль спиральной лопасти шнека, тем больше диаметр нарезаемой спирали. Верхние резцы нарезают окончательный профиль резьбы скважины.
Оконцовку вала бурового механизма обычно выполняют в виде металлического острия конической или пирамидальной формы. Для одновременного бурения скважины и нарезания резьбы может быть использован буровой шнек с оконцовкой, выполненной в виде буровой коронки, размах резцов которой не меньше диаметра ствола и соответствует диаметру цилиндрической скважины. Сама конструкция коронки для вертикального бурения и способ удаления грунта, образующегося при проходке цилиндрической скважины, могут быть выбраны любыми из известного уровня техники.
Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:
На Фиг. 1 изображена схема буровой установки с передачей вращательного усилия на хвостовую часть ствола и ограничительным кольцом в устье скважины,
На Фиг. 2 изображена схема буровой установки с передачей вращательного усилия через штангу на головную часть ствола;
На Фиг. 3 представлен общий вид бурового шнека;
На Фиг. 4 изображен буровой шнек вид сверху;
На Фиг. 5 изображен узел крепления резцов к шнековой реборде.
На изображениях:
1
-
подвижная платформа
2
-
буровой механизм
3
-
буровая штанга
4
-
узел крепления
5
-
лидерная (цилиндрическая) скважина
6
-
конический буровой шнек
7
-
винтовая свая
8
-
хвостовик ствола бурового шнека
9
-
винтовая лопасть
10
-
резцы
11
-
резцедержатель
12
-
оконцовка шнека
13
-
ограничительное кольцо
14
-
буровая коронка
Подвижная платформа 1 (Фиг. 1, Фиг. 2) с буровым механизмом 2 обеспечивающим вращательное и возвратно-поступательное движение буровой штанги 3 подъезжает на место установки сваи. К буровой штанге 3 посредством узла 4 крепят буровую коронку и бурят лидерную (цилиндрическую) скважину 5 под устанавливаемую сваю (Фиг. 1). В зависимости от диаметра сваи и профиля винтовой лопасти сваи 7 выбирают буровой шнек 6, который посредством узла 4 крепят к буровой штанге 3. Крепление осуществляют за хвостовик ствола 8 бурового шнека.
После монтажа шнека его опускают в скважину 5 и, по мере погружения, им нарезают резьбу на стенках скважины. Винтовая лопасть 9 шнека 6 имеет схождение с конусностью от 1:5 до 1:10 (Фиг. 3). На ней установлены с постоянным шагом резцы 10 в резцедержателях 11 (Фиг. 4, 5). Такая конструкция позволяет: во-первых, заменять изношенные резцы 10 или подбирать требуемый профиль их режущей кромки, а во-вторых, меняя размеры резцедержателей 11, можно менять диаметр нарезаемой в скважине резьбы. Резцы 10 последовательно, начиная от головной части ствола 6 (малый диаметр шнека, сужающегося к оконцовке 12), снимают часть грунта. Верхние резцы нарезают окончательный профиль резьбы скважины. При прохождении глубоких скважин на ствол шнека в устье скважины могут надеваться ограничительные кольца 13, препятствующие возникновению биений ствола 8. Достигнув проектной отметки (забоя скважины), шнек 6 извлекают на поверхность обратным вращением. При этом кольца 13 снимаются.
Затем в скважину погружают винтовую сваю и, достигнув зоны резьбы, начинают ее ввинчивать на максимально возможную глубину, обеспечивая тем самым ее прочность и устойчивость. После этого подвижная платформа 1 переезжает на новое место.
Цилиндрическая скважина 5 может буриться одновременно с нарезанием резьбы (Фиг. 2). В этом случае на головной части ствола 8 размещают буровую коронку 14, обеспечивающую вертикальный проход скважины. Предпочтительно ствол выполнять полым, а крепление штанги 3 для передачи вращающего момента размещают вблизи головной части шнека 6. Для эффективного бурения с одновременным нарезанием резьбы предпочтительно, чтобы скорость вращения бурового шнека 6 и буровой коронки 14 были различными. Этого можно достигнуть, например, посредством передаточного механизма, описанного в патенте РФ №2220256.
Также подвижная платформа 1 с буровым механизмом 2 может быть использована для ввинчивания винтовых свай 7. Таким образом, она обеспечивает полный цикл работ, выполняемых в соответствии с заявляемым способом.
ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ
Испытания заявленного способа установки винтовых свай производилось на сложных многолетнемерзлых грунтах с включениями ледяных линз в условиях Ямала. Для бурения использовалось четыре комплекта конусных шнеков, диаметр которых соответствовал диаметрам применяемых свай. Диаметр ствола для всех четырех шнеков был одинаков 219 мм. Диаметр реборды менялся за 4 витка от 220 до 400 мм, от 400 до 600 мм, от 600 до 700 мм и от 700 до 800 мм соответственно. На шнеке устанавливались плоские резцы в количестве 8 шт. на виток. Крепление бурового шнека осуществлялось за хвостовик ствола. Установка винтовых свай осуществлялось на глубину 6 м, 4 м, 2 м и 2 м соответственно. Проходка лидерной скважины производилось буровой коронкой с шагом 219 мм. Для каждого варианта свай испытания проводились в количестве 6 раз. Все они показали высокую скорость, энергоэффективность и надежность установки свай.