СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ В РАСКАТАННЫХ СКВАЖИНАХ НАБИВНЫХ СВАЙ ИЗ ГРУНТОШЛАКОВОЙ СМЕСИ С АКТИВАТОРОМ ТВЕРДЕНИЯ
METHOD OF CAST-IN-PLACE PILE CONSTRUCTION OUT OF SOIL AND SLAG MIX WITH SOLIDIFICATION ACTIVATING AGENT IN EXPANDED WELLS

Изобретение относится к фундаментостроению, в частности к возведению свайных фундаментов на грунтовых основаниях: насыпных и естественного сложения, обладающих специфическими (просадочными, набухающими, пучинистыми, плывунными, биогенными и другими) свойствами с применением шлаков черной металлургии.
Известен способ строительства набивных свай (1), выбранный в качестве прототипа, включающий образование скважины без выемки грунта и заполнение ее твердеющим материалом, в качестве твердеющего материала используют жесткую сыпучую смесь, которую порционно, послойно подают в скважину и каждый слой уплотняют.
К недостаткам известного способа можно отнести большую трудоемкость и материалоемкость на единицу несущей способности, необходимость применения дорогостоящих материалов (щебня, песка) из природных материалов, значительный расход вяжущего (цемента) на единицу объема сваи, повышенные требования к контролю качества исходных материалов, их смеси и процесса твердения (набора прочности) смеси во времени, невозможность их использования на грунтовых основаниях, сложенных различными по виду, состоянию и физико-механическим характеристикам грунтами.
Задачей изобретения является преобразование строительных свойств и физико-механических характеристик насыпных грунтов и грунтовых оснований естественного сложения, обладающих специфическими (просадочными, набухающими, пучинистыми, биогенными и другими) свойствами с помощью набивных свай, выполняемых в раскатанных скважинах, заполненных с уплотнением твердеющей во времени смесью, состоящей из шлаков черной металлургии, местного грунта и активатора твердения.
Это достигается тем, что в способе изготовления набивной сваи, включающем образование скважины без выемки грунта, заполнение скважины послойно твердеющим материалом, с последующим уплотнением каждого слоя, согласно изобретению, образование цилиндрическо-конической скважины до проектной глубины производят раскаткой, путем вытеснения грунта веретенообразным раскатчиком в околоскважинное пространство, а затем вначале насыщают забой раскатанной скважины порционно шлаковым щебнем до наступления момента условного равновесия между передаваемым на веретенообразный раскатчик полным продольным усилием и реакцией отпора насыщенного шлаковым щебнем забоя, после чего заполняют ствол раскатанной скважины в следующей последовательности: вначале заливают порцию воды, после этого подают порцию специально приготовленной воздушно-сухой смеси, состоящей из грунта, шлакового щебня и активатора твердения, причем процентное соотношение компонентов воздушно-сухой смеси определяют по результатам исследований слагающих площадку грунтов, в которой выполняют сваи, затем порцию воздушно-сухой смеси уплотняют раскаткой при полном продольном усилии на веретенообразный раскатчик, сначала всухую, а затем вынимают веретенообразный раскатчик из раскатанной скважины, добавляют в раскатанную скважину порцию воды, устанавливают веретенообразный раскатчик и еще раз уплотняют; цикл повторяют до полного заполнения ствола раскатанной скважины, при этом количество добавляемой воды зависит от влажности раскатываемого грунта и влажности грунто-шлаковой смеси, кроме того, устье скважины также заполняют порцией шлакового щебня с последующим уплотнением раскаткой при полном продольном усилии на веретенообразный раскатчик, при этом поверхность верха сваи выравнивается до уровня проектной отметки дна котлована.
1
4
Устье скважины заполняют порцией шлакового щебня с добавлением активатора твердения с последующим уплотнением раскаткой, а поверхность сваи выравнивают до проектной отметки дна котлована. При изготовлении сваи в мерзлом грунте или насыпном грунте, имеющем крупные твердые включения, диаметром больше / диаметра (d) формирующего цилиндра веретенообразного раскатчика предварительно бурят лидерную скважину диаметром не больше диаметра (d) формирующего цилиндра веретенообразного раскатчика и глубиной не больше проектной глубины скважины, после чего пробуренную скважину раскатывают веретенообразным раскатчиком. Лидерную скважину применяют для облегчения проходки веретенообразным раскатчиком мерзлого слоя грунта или насыпного грунта, имеющего крупные твердые включения. Устье скважины на участке мерзлого слоя заполняют бетонной смесью класса В3,5 и выше. Подбор состава бетонной смеси осуществляют в лабораторных условиях исходя из фактических температурных условий на площадке строительства и требуемой прочности бетона после оттаивания. Условия твердения бетона в мерзлом слое грунта могут быть улучшены за счет прогрева и других технологических мероприятий. Изготовленные предложенным способом сваи позволяют преобразовать строительные свойства и физико-механические характеристики насыпных грунтов и грунтовых оснований естественного сложения, обладающих просадочными, набухающими, пучинистыми, биогенными и другими свойствами, и сформировать в сжимаемой зоне основания фундаментов армированный, набирающий прочность во времени грунто-шлаковыми сваями, массив, имеющий определенные (наперед заданные) размеры в плане и по глубине, обладающий требуемой несущей способностью, превышающую первоначальную (до изготовления набивной сваи из грунто-шлаковой смеси) в 2,7-3,3 раза.
Набивные сваи из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения, выполненные в раскатанных скважинах обладают следующими преимуществами:
- достаточно высокой по сравнению с сопротивлением грунта, прочностью, что позволяет передавать нагрузки от фундаментов на грунты, обладающие требуемой несущей способностью;
- относительно низкой себестоимостью, так как стоимость шлакового щебня, по сравнению со стоимостью щебня из природных горных пород в 2-5 раз ниже.
- набивные сваи из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения, выполненные в раскатанных скважинах, набирают прочность во времени, которая в 28-суточном возрасте, в зависимости от состава грунто-шлаковой смеси, может достигать больше 3МПа.
Шлаки черной металлургии подвержены различным видам распада, в том числе силикатному, причиной которого являются полиморфные превращения двухкальциевого силиката. Содержание двухкальциевого силиката в шлаке, подверженного распаду, колеблется от 1 до 26%. Двухкальциевый силикат при определенных условиях самопроизвольно разрушается или превращается в порошок. Распад сопровождается увеличением удельного объема в пределах 12%, поэтому помещенный в грунт шлак увеличивает плотность окружающего шлак грунта и тем самым повышает его прочностные и деформативные характеристики. Продукты распада шлакового щебня обладают гидравлической активностью, позволяющей грунто-шлаковому заполнению раскатанной скважины, при определенных влажностных условиях, набирать прочность во времени. Для активации и ускорения процессов твердения грунто-шлаковой смеси применяют шлакопортландцемент, расход которого составляет от 3 до 5% от общего объема грунто-шлаковой смеси.
Предложенное техническое решение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана технологическая последовательность изготовления набивных свай в раскатанных скважинах из шлаков; где поз.(1, 2) - раскатка веретенообразным раскатчиком скважины до проектной глубины; поз.(3, 4, 5, 6) - порционное насыщение забоя раскатанной скважины порции шлаковым щебнем с уплотнением каждой порции раскаткой; поз.(7, 8, 9, 10) - показано заполнение ствола скважины порциями воздушно-сухой грунто-шлаковой смесью с активатором твердения, добавлением воды и уплотнением каждой порции раскаткой; поз.(11) - готовая свая. На фиг.2 показано насыщение забоя раскатанной скважины шлаковым щебнем. На фиг.3 - основные параметры раскатанной скважины. На фиг.4 показан рабочий орган веретенообразного раскатчика.
Способ изготовления в раскатанных скважинах набивных свай из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения осуществляют следующим образом.
1
4
Вначале специальным веретенообразным раскатчиком (1) раскатывают цилиндрически-коническую скважину (2) до проектной глубины с охлаждением раскатчика водой. Если раскатываемый грунт находится во влажном или насыщенном водой состоянии, охлаждение водой не производят. В процессе раскатки скважины грунт не выдают на поверхность, а вкатывают веретенообразным раскатчиком в окружающий массив, образуя уплотненную зону (3). Затем производят насыщение забоя (4) раскатанной скважины (2) порциями шлакового щебня (5) до наступления момента условного равновесия между передаваемым на веретенообразный раскатчик (1) полным продольным усилием и реакцией отпора насыщенного шлаковым щебнем забоя (4). После этого осуществляют заполнение ствола (6) раскатанной скважины (2) в следующей последовательности: подают порцию заранее приготовленной воздушно-сухой смеси (8), состоящей из грунта, шлакового щебня и активатора твердения. Смесь можно готовить непосредственно на строительной площадке, например в бетономешалке или на заводе. Процентное соотношение компонентов воздушно-сухой смеси определяют по результатам исследований слагающих площадку грунтов, в которых возводят сваи. Каждую порцию воздушно-сухой смеси, поданную в ствол скважины, уплотняют вначале всухую, а затем с добавлением определенного количества воды. Количество добавляемой воды зависит от степени влажности раскатываемого грунта, влажности грунто-шлаковой смеси. Уплотнение воздушно-сухой смеси (8) производят методом раскатки при полном продольном усилии на веретенообразный раскатчик (1). После уплотнения раскаткой в раскатанной скважине (1) образовался слой (9), состоящий из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения. Цикл повторяют до полного заполнения ствола (6) раскатанной скважины (1). Устье (10) раскатанной скважины (1) заполняют порцией шлакового щебня, которую также уплотняют раскаткой. Устье скважины (6) заполняют порцией шлакового щебня, которая также уплотняется раскаткой. Состав воздушно-сухой грунто-шлаковой смеси с активатором твердения подбирают в лабораторных условиях в зависимости от гидравлической активности шлакового щебня, вида применяемого местного грунта, активности активатора твердения и требуемой прочности грунто-шлакового материала в теле сваи по истечении определенного промежутка времени. Расход активатора твердения составляет 3-5% от общего объема грунто-шлаковой смеси. В качестве активатора твердения использовали шлакопортландцемент. Грунт для приготовления воздушно-сухой грунто-шлаковой смеси должен иметь влажность не более оптимальной, определяемой по результатам стандартного уплотнения. Объем воды, необходимой для набора прочности грунто-шлаковой смеси в теле сваи, определяют с учетом поглощения воды шлаковым щебнем, весовой влажности грунто-шлаковой смеси и естественной весовой влажности раскатываемого грунта основания фундамента. Контроль набора прочности подобранным составом грунто-шлаковой смеси с активатором твердения осуществляли по результатам испытаний на одноосное сжатие образцов (цилиндров) близнецов, отформованных из данного состава грунто-шлаковой смеси с активатором твердения в приборе стандартного уплотнения. Приготовление воздушно-сухой грунто-шлаковой смеси осуществляли непосредственно на строительной площадке с помощью бетономешалки, производительность которой определили в зависимости от требуемого объема грунто-шлаковой смеси для заполнения скважины. При изготовлении сваи в мерзлом грунте или насыпном грунте, имеющем крупные твердые включения, диаметром больше / диаметра формирующего катка веретенообразного раскатчика предварительно бурят лидерную скважину диаметром не больше диаметра (d) формирующего цилиндра веретенообразного раскатчика и глубиной не больше проектной глубины скважины, после чего пробуренную скважину раскатывают веретенообразным раскатчиком. Лидерная скважина применяется для облегчения проходки раскатчиком мерзлого слоя грунта или насыпного грунта, имеющего крупные твердые включения.
Набивные сваи из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения в раскатанных скважинах применяют: а) на глинистых грунтах, имеющих I<07; б) насыпных грунтах, имеющих не более 5% твердых включений диаметров меньше 1/3 диаметра (d) веретенообразного раскатчика и степенью влажности не более 0,7; в) песчаных грунтах, имеющих коэффициент пористости больше или равным 0,72. Грунтовые воды должны располагаться ниже сжимаемой зоны основания фундамента или в ее пределах. Набивные сваи в раскатанных скважинах из грунто-шлаковой смеси с активатором твердения позволяют конструировать искусственные основания фундаментов, способные воспринимать вертикальные, секущие и горизонтальные нагрузки.
Источники информации
1. Патент России №2086733, кл. E02D 5/34, 1997 г.