Способ возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов и устройство для его осуществления (варианты)
METHOD FOR ERECTION OF BORED PILE WITH SOIL-CEMENT BROADENINGS IN WEAK SOILS ZONE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретения относятся к области строительства, а именно к способам закрепления грунтов оснований зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов сооружений различного назначения в слабых водонасыщенных грунтах.
Известен способ закрепления грунта, включающий определение количества, порядка залегания, толщины и свойств геологических элементов в геологическом разрезе закрепляемого массива грунта с последующим закреплением грунта отдельными заходками снизу-вверх по высоте закрепляемого грунта (патент на изобретение RU 2209267 С1 от 27.07.2003, МПК E02D 3/12, E02D 5/34, E02D 5/36, E02D 5/46, «Способ закрепления грунта») - [1].
При этом в геологических элементах с наибольшими просадочными свойствами возводят буронабивные сваи с использованием обсадной трубы путем полного замещения грунта бетонной смесью, а в остальных геологических элементах возводят грунтоцементные сваи по струйной технологии, при этом каждую следующую заходку осуществляют после того, как свая, возведенная предыдущей заходкой, набирает прочность, достаточную для удержания закрепляемого при последующей заходке грунта, а буронабивные и грунтоцементные сваи возводят соосно.
Известный способ позволяет повысить степень закрепления и несущую способность грунта, и снизить расход бетона.
Однако при реализации известного способа сроки строительства будут увеличиваться за счет последовательного выполнения этапов создания грунтоцементной и буронабивной сваи, с необходимостью выдерживать возводимый при предыдущей заходке элемент до набора прочности, достаточной для удержания закрепляемого при последующей заходке грунта.
Известен способ образования буроинъекционной сваи, при котором вначале бурят лидерную скважину до проектной глубины полым герметичным буровым шнеком, снабженным в его нижней части баровым долотом со сдвижным золотником и встроенными струйными мониторами, с регулируемой скоростью вращения бурового шнека до 60 об/мин по часовой стрелке, затем, увеличив скорость вращения бурового шнека до 120 об/мин, посредством встроенных струйных мониторов подают направленными струями водоцементную смесь под заданным высоким давлением не менее 6 МПа, чем размывают грунт и создают внизу уширение лидерной скважины из грунтоцементной смеси за счет вертикального, возвратно-поступательного движения вращающегося бурового шнека, при этом амплитуда возвратно-поступательных движений бурового шнека соответствует заданной проектной высоте создаваемого уширения лидерной скважины, а общий объем подаваемой водоцементной смеси в скважину не должен превышать ее полуторакратного размера, затем открывают сдвижной золотник в баровом долоте и, вращая буровой шнек против часовой стрелки со скоростью не более 60 об/мин, осуществляют подъем бурового шнека на величину, равную двойному шагу реборды шнека, и только после этого под пониженным давлением 0,5 МПа через сдвижной золотник подают мелкозернистый бетон и одновременно осуществляют возвратно-поступательные движения бурового шнека с амплитудой, равной высоте уширения, до момента начала выхода на поверхность мелкозернистого бетона из устья скважины, затем извлекают буровой шнек без вращения и одновременно подают мелкозернистый бетон под давлением 0.15 МПа, устанавливают в скважину арматурный каркас, производят опрессовку мелкозернистого бетона в скважине давлением не ниже 0.15 МПа, при этом объем мелкозернистого бетона должен превышать объем поданной в скважину водоцементной смеси не менее чем на 10%. При этом струйные мониторы размещают между лопастями барового долота, непосредственно за породоразрушающим инструментом и встраивают их таким образом, что проекции продольных осей струйных мониторов на горизонтальную плоскость наклонены к радиусам вписанной окружности барового долота под углом 110-120 градусов, а на вертикальную плоскость под углом 30 градусов к вертикали, а направление движения струи, выходящей из встроенных мониторов, совпадает с направлением вращения бурового шнека (патент на изобретение RU 2327007 С1 от 20.06.2008, МПК E02D 5/34, «Способ образования буроинъекционной сваи») - [2].
Известный способ позволяет сформировать буроинъекционную сваю, которая будет обладать повышенной несущей способностью, надежностью и долговечностью за счет того, что диаметр нижнего конца сваи превышает диаметр ствола сваи, а значит, лобовое сопротивление сваи с уширением превышает таковое для сваи без уширения.
Однако при реализации известного способа возникает буроинъекционная свая, в которой выполнение уширения в нижней части сваи никак не учитывает структуру и свойства вмещающего грунтового массива и, как следствие, не обеспечивает эффективного уширения, например, в случае, когда нижняя часть находится в области грунтов высокой прочности. При этом основная часть конструкции сваи может находиться в массиве грунтов с наибольшими просадочными свойствами, что, тем самым, существенно снизит несущую способность, надежность и долговечность всей конструкции сваи.
Кроме того, в отмеченных способах не предусмотрено армирование объема бетона в уширении сваи, что, очевидно, снижает прочность всей конструкции в целом.
Известен способ выполнения буронабивной сваи-инъектора, при котором в предварительно выполненную скважину опускают арматурный каркас с кольцевыми инъекторами и бетонируют ствол сваи, кольцевые инъекторы при этом располагают в зоне слабого грунта с определенным интервалом, обеспечивающим требуемое проникновение инъектируемого вещества. После бетонирования ствола подают инъектируемое вещество в кольцевые инъекторы в объеме, достаточном для вымывания бентонитового раствора и промывки отверстий инъекторов. Инъектируемое вещество, проникая в около-свайный грунт, изменяет его свойства, создавая вокруг сваи в слабом грунте зону грунта с требуемыми свойствами, после чего инъектирование прекращают (авторское свидетельство СССР: SU 1359411 А1 от 15.12.1987, МПК E02D 5/62, «Буронабивная свая-инъектор») - [3].
Недостатком известного способа является то, что технологический процесс возведения сваи выполняется, как правило, в три стадии: образование скважины, установка нагнетательного оборудования и инъектирование, что существенно увеличивает сроки выполнения работ.
-3
-3
Прототипом заявленного технического решения: «Способа возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов» является «Способ возведения буронабивной сваи по патенту на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 - [4], включающий проходку скважины в грунте буровым инструментом с последующим ее бетонированием и создание грунтоцементной оболочки. Грунтоцементную оболочку создают путем одновременного бурения и цементации, которую осуществляют в направлении, перпендикулярном оси бурения. При цементации используют раздаточный элемент, имеющий сопла диаметром (2…5) • 10 м при скорости цементации скважины, определяемой по приведенной в формуле зависимости. Бетонирование скважины осуществляют при возвратном движении бурового инструмента, при этом используют раздаточный элемент, имеющий сопла с диаметром (10…20) м, при скорости бетонирования, определяемой по приведенной в формуле зависимости. В качестве бурового инструмента используют буровой инструмент, оснащенный шнеком. При этом в известном способе используют шнек диаметром от 250 до 800 мм. Способ [4] позволяет создавать буронабивную сваю в грунтоцементной оболочке практически одновременно во времени, при этом затвердевание грунтоцементной и буронабивной сваи происходит совместно.
Недостатком способа - прототипа [4] является то, что формирование грунтоцементной оболочки производится без учета слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, а создаваемая буронабивная свая имеет цилиндрическую форму постоянного сечения, что снижает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи. Кроме того, не происходит армирование грунтоцементных уширений в зоне слабых грунтов, что существенно снижает несущую способность сваи.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной конструкции (прототипом) сваи - как устройства является буроинъекционная реверсивная компенсационная свая, выполненная в пробуренной полым герметичным шнеком скважине, заполненной под давлением мелкозернистым бетоном через полость полого герметичного шнека и отверстие сдвижного золотника, расположенного в его нижней части, и снабженная арматурным каркасом, в которой скважина заполнена мелкозернистым бетоном под давлением не менее 0,5 МПа в несколько этапов, определяемых количеством утечек мелкозернистого бетона в зазор между ребордой полого герметичного шнека и стенкой скважины, при этом на месте каждой из утечек мелкозернистого бетона, снаружи в зазоре между ребордой полого герметичного шнека и стенкой скважины выполнены грунтопесчано-цементные сальники из сухой смеси песка и цемента в соотношении 1:1 и расположены последовательно снизу вверх на теле сваи по мере подъема полого герметичного шнека вверх, при этом объем каждого из грунтопесчано-цементного сальника составляет не менее 5-10% от объема скважины (патент на полезную модель RU 142255 U1 от 17.12.2013, МПК E02D 5/46, «Буроинъекционная реверсивная компенсационная свая») - [5].
Таким образом, известная конструкция буроинъекционной реверсивной компенсационной сваи позволяет устранить технологическую осадку и повысит несущую способность и качество буроинъекционной сваи.
Однако известная конструкция буроинъекционной реверсивной компенсационной сваи [5] выполняется без контроля и оценки формы и размеров полостей, заполняемых грунтопесчано-цементной смесью и мелкозернистым бетоном с образованием грунтопесчано-цементных сальников, что не позволяет сделать обоснованный прогноз и дать оценку несущей способности возводимой сваи. Кроме того, при армировании известной сваи не учитывается наличие грунтопесчано-цементных сальников, что снижает несущую способность возводимой сваи.
Техническим результатом заявленных технических решений является устранение технологической осадки и повышение несущей способности и качества буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов.
Сущность заявленного способа возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов, состоит в том, что проходку скважины производят полым шнеком с буровым инструментом, оснащенным магистралями подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами, который размещают внутри полого шнека, имеющего боковые окна для струеформирующих сопел раздаточного элемента, а также системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив с последующим формированием грунтоцементной оболочки с уширениями в зоне слабых грунтов, которые создают в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов посредством подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент со струеформирующими соплами. После достижения грунтоцементной оболочкой проектной глубины из пробуренной скважины извлекают раздаточный элемент и буровой инструмент, в полость шнека опускают арматурный каркас и заполняют скважину бетоном литой консистенции до устья, после чего производят постепенное поднятие полого шнека с его вывинчиванием и одновременно подают бетонную смесь в скважину (в полость полого шнека) с уплотнением импульсными разрядами до полного заполнения образовавшегося пространства. В соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов и формированием грунтоцементной оболочки с уширениями в зоне слабых грунтов арматурный каркас изготавливается с боковыми вставками, содержащими арматурные стержни с шарнирами первого рода и пружинами, позволяющими арматурным стержням боковых вставок, заполнять боковые уширения (армировать), а также с торцевой вставкой содержащей приварное и упорные кольца с шарнирами первого рода и арматурные стержни, которые под воздействием веса арматурного каркаса и вдавливания заполняют торцевое уширение. После изготовления опускают армирующий каркас в полый шнек, который постепенно с вывинчиванием подымают, и по мере раскрытия и заполнения арматурными стержнями с шарнирами первого рода боковых и торцевой вставок уширений грунтоцементной оболочки в зоне слабых грунтов подают бетонную смесь в скважину (в полость полого шнека) до полного заполнения образовавшегося пространства.
Формирование тела сваи могут выполнять путем инъекции в свободные полости скважины мелкозернистого бетона и воздействия высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов для уплотнения мелкозернистого бетона буронабивной сваи, после чего в освободившуюся полость сваи под большим давлением (не менее 0,5 МПа) подают бетон повышенного качества для формирования сваи необходимой прочности, и далее повторяют описанные выше операции по армированию тела сваи по мере поднятия полого шнека на определенную высоту, учитывая места сформированных уширений.
Сущность заявленного устройства состоит в том, что буронабивная свая с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов, выполнена в скважине, пробуренной в грунте полым шнеком с буровым инструментом и в которой создана раздаточным элементом со струеформирующими соплами грунтоцементная оболочка с уширениями в зоне слабых грунтов в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов. Свая выполнена опусканием в полый шнек, находящийся в скважине арматурного каркаса и заполнением скважины бетоном литой консистенции до устья, с последующим постепенным поднятием полого шнека с его вывинчиванием и одновременной подачей бетонной смеси в скважину (в полость полого шнека) с уплотнением импульсными разрядами до полного заполнения образовавшегося пространства. Арматурный каркас сваи в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов и формированием грунтоцементной оболочки с уширениями в зоне слабых грунтов содержит боковые вставки с арматурными стержнями и с шарнирами первого рода и пружинами, позволяющие арматурным стержням боковых вставок, заполнять боковые уширения, а также арматурный каркас содержит торцевую вставку с приварным и упорным кольцами, шарнирами первого рода и арматурными стержнями, которые под воздействием веса арматурного каркаса и вдавливания заполняют торцевое уширение.
В графических материалах схематично представлены чертежи с разрезами, которые поясняют сущность заявленного устройства для осуществления способа возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов (и их варианты).
На фигуре 1 представлен общий вид устройства для осуществления заявленного способа в процессе возведения буронабивной сваи с боковыми грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов.
На фигуре 2 - вид заявленного устройства в конце процесса возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов (с боковыми уширениями, а также с уширением (торцевым) у основания).
На фигуре 3 - вид возведенной грунтоцементной оболочки буронабивной сваи с находящимися в ней колонной из полых шнеков.
На фигуре 4 - вид грунтоцементной оболочки буронабивной сваи с находящимися в ней колонной из полых шнеков, в которые опущен арматурный каркас с боковыми вставками, содержащими стержни с шарнирами первого рода и пружинами, позволяющие арматурному каркасу под действием пружин, заполнять и армировать уширения в зоне слабых грунтов, сформированные грунтоцементной оболочкой после постепенного поднятия шнека с его вывинчиванием, а внизу арматурный каркас содержит торцевую вставку со стержнями и шарнирами первого рода и без пружин, которые под действием собственного веса и/или под действием вдавливания позволяют заполнять уширения в зоне слабых грунтов внизу сваи.
На фигуре 5 - вид начала поднятия колоны из полых шнеков и опускания арматурного каркаса, с раскрытием стержней с шарнирами первого рода (без пружин) торцевой вставки (первого варианта), под действием собственного веса и/или под действием вдавливания с заполнением уширения в зоне слабых грунтов внизу сваи.
На фигуре 6 - вид дальнейшего поднятия колоны из полых шнеков и раскрытия под воздействием пружин стержней с шарнирами первого рода боковых вставок арматурного каркаса с заполнением и армированием уширения в зоне слабых грунтов по бокам сваи.
На фигуре 7 - вид арматурного каркаса (без колоны из полых шнеков) со всеми раскрытыми при помощи пружин стержнями (армирующими уширения) с шарнирами первого рода боковых вставок.
На фигуре 8 - увеличенный вид низа арматурного каркаса по фигуре 4.
На фигуре 9 - увеличенный вид низа арматурного каркаса по фигуре 6.
На фигуре 10 - увеличенный вид выноски «А» по фигуре 8.
На фигуре 11 - увеличенный вид выноски «Б» по фигуре 9.
На фигуре 12 - чертеж одной боковой вставки арматурного каркаса в сложенном виде: фиг. 12 а) - вид сверху, а фиг. 12 б) - вид сбоку с разрезом.
На фигуре 13 - чертеж одной боковой вставки арматурного каркаса в раскрытом виде: фиг. 13 а) - вид сверху, а фиг. 13 б) - вид сбоку с разрезом.
На фигуре 14 - увеличенный вид выноски «В» по фигуре 8 (Первый вариант нижней торцевой вставки арматурного каркаса в сложенном виде).
На фигуре 15 - увеличенный вид выноски «Г» по фигуре 9 (Первый вариант нижней торцевой вставки арматурного каркаса в раскрытом виде).
На фигуре 16 - увеличенный вид второго варианта выполнения нижней торцевой вставки арматурного каркаса в сложенном виде.
На фигуре 17 - увеличенный вид второго варианта выполнения нижней торцевой вставки арматурного каркаса в раскрытом виде.
На фигуре 18 - увеличенный вид третьего варианта выполнения нижней торцевой вставки арматурного каркаса в сложенном виде.
На фигуре 19 - увеличенный вид третьего варианта выполнения нижней торцевой вставки арматурного каркаса в раскрытом виде.
На фигуре 20 - чертеж варианта одной боковой вставки арматурного каркаса в сложенном виде, в котором первый и второй армирующие стержни, соединены не с помощью шарнира первого рода, а сварены между собой: фиг. 20 а) - вид сверху, а фиг. 20 б) - вид сбоку с разрезом.
На фигуре 21 - чертеж варианта одной боковой вставки арматурного каркаса по фигуре 20 в раскрытом виде: фиг. 21 а) - вид сверху, а фиг. 21 б) - вид сбоку с разрезом.
На фигуре 22 - чертеж варианта одной боковой вставки арматурного каркаса в сложенном виде, в котором первый и второй армирующие стержни представляют собой один изогнутый под острым углом армирующий стержень: фиг. 22 а) - вид сверху, а фиг. 22 б) - вид сбоку с разрезом.
На фигуре 23 - чертеж варианта одной боковой вставки арматурного каркаса по фигуре 22 в раскрытом виде: фиг. 21 а) - вид сверху, а фиг. 21 б) -вид сбоку с разрезом.
На представленных фигурах обозначены: I, II, III, IV, V, VI - номера полых шнеков, где I - нижний (головной), а VI - соответственно верхний; 1 - поверхность грунта с нижележащим пластом грунта; 2 - пласты пробуриваемых слабых пород (грунта), например песка; 3, 4 и 5 - пласты прочных пробуриваемых пород (грунта); 6 - буровой инструмент, установленный внизу полого шнека (I) и выполненный с возможностью извлечения из буровой колонны; 7 - раздаточный элемент, выполненный с возможностью извлечения из буровой колонны и установленный во втором или первом снизу полом шнеке (I или II); 8 - струеобразующие сопла раздаточного элемента (7); 9 - тяга, выполненная например, в виде трубы, стержня, троса и т.д., для совместного извлечения из буровой колонны раздаточного элемента (7) и бурового инструмента (6); 10 - центральный трубопровод для подачи цементного раствора к раздаточному элементу; 11 - устройство подачи водоцементного раствора по трубопроводу (10); 12 - насосный блок подачи под высоким давлением водоцементного раствора; 13 - гибкий трубопровод высокого давления для подачи водоцементного раствора от насосного блока (12) к центральному трубопроводу (11); 14 - система датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород; 15 - шпиндель (головной патрон) привода буровой колонны; 16 - блок управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора; 17 - кабель снятия показаний от системы датчиков (14); 18 - кабель управления насосным блоком (12) от блока управления (16); 19 - арматурный каркас;
20 - расположенные на одном уровне нераскрытые боковые вставки арматурного каркаса со стержнями с шарнирами первого рода и пружинами, под действием которых стержни заполняют уширения зон слабых грунтов сбоку сваи; 21 - нераскрытая торцевая вставка арматурного каркаса без пружин (первый вариант) со стержнями с шарнирами первого рода, которые под действием веса арматурного каркаса и вдавливания разворачиваются (раскрываются) и заполняют уширения в зоне слабых грунтов внизу сваи; 22 - раскрытая под действием собственного веса арматурного каркаса и вдавливания я торцевая вставка первого варианта, содержащая арматурные стержнями с шарнирами первого рода; 23 - раскрытые под действием пружин боковые вставки, расположенные на одном уровне арматурного каркаса со стержнями с шарнирами первого рода и пружинами; 24 - пластина (корпусная) боковой вставки, которую приваривают к арматурному каркасу в необходимом месте; 25 - подпружиненный первый (арматурный) стержень боковой вставки (24); 26 - кронштейн 1-го рода, закрепленный на боковой пластине (24); 27 - пружина для раскрытия первого арматурного стержня (25); 28 - кронштейн 1-го рода для соединения первого подпружиненного и второго арматурного стержней; 29 - второй арматурный стержень боковой вставки арматурного каркаса (19); 30 - ограничитель второго арматурного стержня (29) в виде пластинки приваренной к его торцу; 31 - вырез в пластине боковой вставки (24), служащий направляющей для второго арматурного стержня (29) и упором для ограничителя (30);
32 - приварное (снизу к арматурному каркасу (19)) кольцо торцевой вставки (21, 22) по первому варианту торцевой вставки; 33 - шарниры 1-го рода установленные на приварном кольце (32); 34 - первый арматурный стержень торцевой вставки (21, 22); 35 - шарниры 1-го рода, закрепленные на торце первого арматурного стержня (34); 36 - второй арматурный стержень торцевой вставки (21, 22); 37 - опорное кольцо торцевой вставки (21, 22); 38 - шарниры 1-го рода, установленные на опорном кольце (37);
32.1 - приварное (снизу к арматурному каркасу (19)) кольцо торцевой вставки (21, 22) по второму варианту торцевой вставки; 33.1 - шарниры 1-го рода установленные на приварном кольце (32.1); 34.1 - первый арматурный стержень торцевой вставки; 35.1 - шарниры первого рода, закрепленные посредине и с боку первого арматурного стержня (34.1); 36.1 - второй арматурный стержень торцевой вставки; 37.1 - опорное кольцо торцевой вставки; 38.1 - шарниры 1-го рода, установленные на опорном кольце (37.1);
32.2 - приварное (снизу к арматурному каркасу (19)) кольцо торцевой вставки (21, 22) по третьему варианту торцевой вставки; 33.2 - шарниры 1-го рода установленные на приварном кольце (32.1); 34.2 - первый арматурный стержень торцевой вставки; 35.2 - шарниры первого рода, закрепленные посредине и с боку первого арматурного стержня (34.2); 36.2 - второй арматурный стержень торцевой вставки; 37.2 - опорное кольцо торцевой вставки; 38.2 - шарниры 1-го рода, установленные на опорном кольце (37.1); 39 - шарниры 1-го рода, закрепленные на торце первого арматурного стержня (34.2); 40 - третьи арматурные стержни торцевой вставки, которые одним концом закреплены в шарнирах 1-го рода (39), а другими своими концами закреплены шарнирами 1-го рода (41) с соседними третьими арматурными стержнями (40); 41 - шарниры 1-го рода для соединения соседних третьих арматурных стержней (40).
42 - сварной шов жестко соединенных между собой первого и второго арматурных стержней (второго варианта выполнения боковой вставки) по фиг. 12 и по фиг. 13;
43 - изогнутый арматурный стержень (третьего варианта выполнения боковой вставки), когда первый и второй арматурные стержни по фиг. 20 и по фиг. 21 изготовлены в виде одного арматурного стержня; 44 - место изгиба под острым углом арматурного стержня (43).
При возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке создают буровую колонну, которая состоит из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V), (VI). Снизу первого полого (головного) шнека (I) размещен извлекаемый буровой инструмент (6), выше которого во втором шнеке (II) буровой колонны расположен извлекаемый раздаточный элемент (7) со струеформирующими соплами (8) для цементации. Шпиндель (головной патрон) (15) привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков (14), регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород (2), (3), (4), (5). Сигнал от системы датчиков (14) поступает по кабелю снятия показаний (17) к блоку управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора (по кабелю (18)) от насосного блока (12) к раздаточному элементу (7) со струеформирующими соплами (8) через центральный трубопровод (10). Блок управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора в буровую колонну регулирует давление (уменьшает или увеличивает) подаваемого водоцементного раствора в зависимости от изменения прочностных характеристик вмещающего массива, например, (1), (2), (3), (4) и (5). На основании информации от блока управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора в буровую колонну определяются протяженности областей массива с низкими прочностными характеристиками (2) (например, песчаных грунтов), количество и длина уширений грунтоцементной оболочки, что учитывается при изготовлении арматурного каркаса (19) для армирования, а также при подаче высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов от разрядника, который подымают на изолированном кабеле (на фигурах не приведены). Раздаточный элемент (7) установлен в посадочном гнезде (месте) второго или первого снизу полого шнека (I или II), в котором выполнены боковые окна под струеформирующие сопла раздаточного элемента (7), который механически связан соединительным элементом (9) (например, трубой, стержнем, тросом и т.д.) для извлечения бурового инструмента (6) из его посадочного гнезда (места). В случае когда породы (протяженности областей массива) с низкими прочностными характеристиками (2) находятся у оснований сваи, то раздаточный элемент (7) обязательно устанавливают в посадочном гнезде (месте) первого снизу полого шнека (I) для создания уширеня грунтоцементной оболочки (торцевой) у основания сваи. По оси буровой колонны внутри полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V), (VI) размещен центральный трубопровод (10) для подачи цементного раствора к раздаточному элементу (7), центральный трубопровод (10) жестко закреплен сверху на раздаточном элементе (7) для возможности извлечения его и бурового инструмента (6) из буровой колонны, после завершения процессов бурения и цементации грунтовой оболочки. То есть центральный трубопровод (10) выполняет дополнительную функцию «тягового элемента» для извлечения раздаточного элемента (7) и бурового инструмента (6). В процессе бурения от поверхности грунта (1) по пробуриваемым породам (2), (3), (4), (5) также производится цементация грунтовой оболочки скважины в грунтоцементную оболочку. Насосный блок (12) по командам блока управления (16) подает водоцементный раствор через гибкий трубопровод (13) высокого давления через устройство подачи (11) и центральный трубопровод (10) к раздаточному элементу (7) со струеформирующими соплами (8) в зависимости от показаний системы датчиков (14) (регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород) под различным давлением. Уровень прочностных характеристик пробуриваемого грунта задается в проектной документации на основании предварительных геологических исследований и на участках бурения слоев пород (грунта) с высокими прочностными характеристиками, например, (1), (3), (4) и (5) водоцементный раствор подается к раздаточному элементу (7) со струеформирующими соплами (8) под низким давлением (0,5…1,0 МПа) и выполняет роль промывочной буровой жидкости. Когда система датчиков (14) зафиксирует снижение прочностных характеристик пробуриваемых пластов (например, (2)), и при этом протяженность участка с пониженными прочностными характеристиками превысит 1 м, блок управления (16) увеличит давление подаваемого водоцементного раствора до уровня гидроструйной цементации (30…100 МПа) и одновременно с процессом бурения произойдет выполнение увеличения диаметра грунтоцементной оболочки до заданной проектом величины. При достижении буровым инструментом (6) пластов грунта с высокими прочностными характеристиками (например, (5)) соответствующий сигнал от системы датчиков (14) поступит к блоку управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под давлением водоцементного раствора, который снизит его давление подачи до первоначального уровня (при достижении раздаточным элементом (7) глубины слоев с высокими прочностными характеристиками (5)). При достижении проектной глубины бурения, то есть после завершения процессов бурения буровым инструментом (6) и цементации струеформирующими соплами (8) раздаточного элемента (7) производится разборка буровой колонны. При этом производится извлечение раздаточного элемента (7) из его посадочного гнезда - при помощи центрального трубопровода (10) и бурового инструмента (6) из своего посадочного гнезда - при помощи тяги (9).
После завершения процесса бурения, образования грунтоцементной оболочки скважины, и в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов и формированием грунтоцементной оболочки с уширениями в зоне слабых грунтов изготавливают армирующий каркас (19). На имеющийся стандартный арматурный каркас приваривают, ранее изготовленные боковые вставки (20) именно в местах уширений в зоне слабых грунтов. Если под арматурным каркасом находится слабый (песчаный) грунт с образованным грунтоцементным уширением, то снизу арматурного каркаса приваривают торцевую вставку (22) в одном из трех вариантов, приведенных в графических материалах, соответственно на фигурах: первый вариант - фиг. 13 и фиг. 14, второй вариант - фиг. 15 и фиг. 16, третий вариант - фиг. 17 и фиг. 18. После изготовления арматурного каркаса (19) со вставками (20) и (21) его опускают в буровую колонну из полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V), (VI). При этом у арматурного каркаса (19), внешний диаметр меньше внутреннего диаметра полых шнеков и внутренняя поверхность полых шнеков не дает раскрываться арматурным стержням боковых (20) и торцевой вставке (21). На фигурах боковые (20) и торцевая вставки (21) в раскрытом (развернутом) состоянии обозначены соответственно позициями (21) и (22). После установки арматурного каркаса (19) в него опускают разрядник с кабелем. Далее производят подъем буровой колоны и при этом происходит раскрытие (развертывание) боковых (20) и торцевых вставок (21), соответственно в положения, показанные позициями (21) и (22). Заливка бетона в буровую колону может осуществляться непосредственно сверху при помощи шланга (на фигурах не показан) из бетононасоса, так и при помощи инъекционной трубы (на фигурах также не показана), опущенной вниз буровой колоны внутри арматурного каркаса (19). После заливке бетона до устья скважины производится поднятие с вывинчиванием буровой колоны из полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V), (VI) с ее постепенной разборкой, при этом бетон уплотняется, заполняет все полости скважины и его уровень от устья скважины оседает. В процессе поднятия с вывинчиванием буровой колоны необходимо постоянно доливать бетон. В итоге буронабивная свая сформирована арматурным каркасом (19) с развернутыми арматурными стержнями боковых (21) и торцевой вставок (22) и залитым бетонным раствором до устья. При этом залитый по устье бетон уплотняется по всей высоте механическими движениями при поднятии с вывинчиванием вверх и разборкой полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V), (VI). В местах ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта, например (2) буронабивная свая дополнительно расширена электрическими разрядами от извлекаемого из буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке при разрядника. В результате после затвердения в массиве образуется армированная буронабивная свая переменного сечения в грунтоцементной оболочке, причем больший диаметр армированной сваи соответствует большему диаметру грунтоцементной оболочки и располагается в области грунтов с пониженными механическими свойствами.
При этом формирование основного тела сваи выполняется путем инъекции в свободные полости скважины мелкозернистого бетона и воздействия высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов для создания буронабивной сваи (упрочнения ее мелкозернистого бетона), после чего в освободившуюся полость сваи под большим давлением (не менее 0,5 МПа) подают бетон повышенного качества для формирования сваи необходимой прочности, повторяют описанные выше операции по армированию тела сваи после поднятия полого шнека на определенную высоту, учитывая места сформированных уширений.
Реализация предложенной конструкции (и ее вариантов) сваи обеспечивает устранение технологической осадки и повышение несущей способности и качества буронабивной сваи.
Очень существенно, что при реализации предлагаемой конструкции сваи учитывается слоистая структура грунтового массива и имеется возможность подбора вариантов конструкции арматурного каркаса, обеспечивающей армирование уширений тела сваи в соответствии с установленными геометрическими характеристикам слоев слабого грунта, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.
Заявленные «Способ возведения буронабивной сваи с грунтоцементными уширениями в зоне слабых грунтов и устройство для его осуществления (варианты)» обладают всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков самостоятельных и зависимых пунктов его формулы изобретения является новым для способов (технологий) при которых обеспечивается возможность возведения свай при строительстве новых объектов на слабых грунтах при сокращении времени их возведения с повышением прочностных и несущих свойств, путем армирования грунтоцементных уширений в зоне слабых грунтов, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного способа и устройств для его осуществления неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует общеизвестным правилам возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, при которых учитываются конкретные слоистая структура и изменяющиеся свойства вмещающего грунтового массива. Создаваемая буронабивная свая имеет форму переменного сечения с армированием по всей ее высоте и по уширениями в зоне слабых грунтов, что повышает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи. Все это доказывает соответствие заявленного способа критерию "изобретательский уровень".
Осуществление (внедрение) предложенного способа и устройств для его осуществления в настоящее время и на современном уровне развития техники не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент на изобретение RU 2209267 С1 от 27.07.2003, МПК E02D 3/12, E02D 5/34, E02D 5/36, E02D 5/46, «Способ закрепления грунта».
2. Патент на изобретение RU 2327007 С1 от 20.06.2008, МПК E02D 5/34, «Способ образования буроинъекционной сваи».
3. Авторское свидетельство СССР: SU 1359411 А1 от 15.12.1987, МПК E02D 5/62, «Буронабивная свая-инъектор».
4. Патент на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 «Способ возведения буронабивной сваи» - прототип способа.
5. Патент на полезную модель RU 142255 U1 от 17.12.2013, МПК E02D 5/46, «Буроинъекционная реверсивная компенсационная свая» -прототип устройства.