СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ В ГЛИНИСТОМ ГРУНТЕ
METHOD FOR FABRICATION OF DRILLED PILE IN CLAY SOIL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к получению путем смешения в глинистом грунте связующего, такого как цемент или известь, воды и воздуха разжиженной смеси, которая после потери большей части воздуха образует твердую, зацементированную и в значительной степени однородную сваю.
Уровень техники
В патенте США №5967700, выданном 19 октября 1999 года, заявитель настоящей заявки раскрывает устройство и способ образования буронабивных свай в существующем грунте. Этот патент полностью включен в настоящую заявку в качестве ссылочного материала, поскольку в нем показаны устройство для ввода воды и связующего (такого как цемент и/или известь) в структуру грунта и относящиеся к нему способы. Устройство перемешивает эти материалы, и через некоторое время смеси затвердевают с образованием свай. Цель устройства и способа - создание подходящей смеси на требуемых глубинах. Их главным преимуществом была гарантия того, что для взаимодействия со связующим обеспечивается стехиометрическое количество воды, что позволяет получить отвержденный и в достаточной степени прочный продукт.
Такая процедура оказывается эффективной во всех грунтах, но в глинистых грунтах эта процедура приобретает особую ценность, поскольку неожиданным образом позволяет получать улучшенные результаты. Благодаря настоящему изобретению улучшенные структурные свойства, пониженная стоимость связующего, пониженные затраты на рабочую силу и капитальное оборудование, повышенная скорость ввода в действие оборудования и снижение энергозатрат для образования сваи оказались значительными и не были предсказуемыми. Такие результаты достигаются главным образом в глинистых грунтах. Они менее вероятны и менее важны в песчаных грунтах или грунтах сложного состава, однако все же достойны внимания.
Глинистый грунт представляет собой довольно «крепкую» структуру - ни твердую, ни сыпучую, но липкую и тяжеловесную. Его трудно прорезать или месить. Одним словом, ему недостает «подвижности». Это свойство приводит к проблеме создания сваи, которая бы имела достаточно однородный состав. Известные получаемые буронабивные сваи часто имеют структуру с жилками цемента, окруженными материнским материалом. В этом случае оптимальная несущая структура не образуется.
Другой проблемой предшествующего уровня техники является то, что после смешения воды со связующим верх сваи кончается намного ниже поверхности. В этом случае образуется яма, которую нужно заполнить, что требует значительных затрат и вносит осложнения.
Заявитель обнаружил, что достаточно подвижная полученная in situ смесь материнской глины, связующего, воды и избытка воздуха может обеспечить консистенцию, в высокой степени пригодную для получаемой буронабивной сваи. Неожиданным образом при выполнении указанных выше условий появляется возможность вводить широкий диапазон концентраций связующего и технической воды, достигая при этом удивительно быстро первой и конечной прочности при почти равномерном уплотнении в поперечном сечении.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение осуществляется с использованием устройства, показанного в патенте №5967700. Его назначение состоит в пробуривании грунта, разбиении его и перемешивании, в процессе чего в грунт вводят связующее и воду. Вода подается в «стехиометрическом» количестве, так чтобы введенный цемент обеспечивался достаточным количеством доступной воды для его гидратации и отверждения, в результате чего образуется свая.
Следует обратить внимание на различие между «доступной» водой и «связанной» водой. Связанная вода удерживается материалом глины, молекулярно связана, а также удерживается в «кластерах» пузырьков. Она не доступна для гидратации связующего.
Разночтение существует по той причине, что, когда анализируют структуру глины на содержание воды, образец взвешивают, высушивают в печке и вновь взвешивают. Разница в большинстве случаев соответствует связанной воде. В случае очень влажных образцов речь идет не только о связанной воде. По этой причине, если связующее подается в количествах, которые должны гидратироваться водой, связанной в образце, резонно ожидать неудачу. Необходима доступная вода в количествах, достаточных для гидратации.
Глинистые грунты имеют значительный объем пустот, которые могут быть заняты связующими, но связующим необходимо попасть в них. Это обстоятельство приводит к проблеме подвижности грунта в случае добавления цемента и воды. В глинах и в особенности в неподатливых глинах именно их неподатливость создает названную проблему.
Учитывая сказанное выше, согласно настоящему изобретению воду вводят в глинистый грунт в то время, когда устройство прокапывает и перемешивает грунт. Важно, чтобы в это время вода поступала вместе с воздухом. Воздух примешивается к смеси и облегчает ее, благодаря чему смесь становится более удобной для перемешивания. Воздух можно подавать вместе со связующим в качестве газа-носителя или отдельно от связующего.
Цемент предпочтительно вводить после ввода по крайней мере части воздуха, поскольку в этом случае смесь становится более подвижной. Одной из особенностей настоящего изобретения является то, что подвижность смеси такова, что воздух может подниматься и выходить из блока. Благодаря этому воздух не увеличивает в значительной степени объем образующегося блока. На практике из-за выхода воздуха поверхность может выглядеть немного вспененной.
Настоящее изобретение представляет собой способ образования буронабивной сваи в структуре глинистого грунта, содержащего связанную воду и, возможно, некоторое количество доступной воды, причем свая по завершении ее образования должна состоять из смесевой композиции исходного глинистого грунта, который находился в объеме, занимаемом завершенной сваей, подаваемого сухого связующего и воды, которая остается в свае после гидратации сухого связующего доступной и связанной водой, причем способ включает:
а. применение ротационного бура, предназначенного для бурения глинистого грунта и перемешивания его, вдавливание вращающегося бура в структуру грунта для образования круглой в сечении, колоннообразной области разрыхленного и перемешанного исходного глинистого грунта;
b. введение в процессе осуществления стадии «а» в указанную область воды для смазки глинистого грунта по отношению к буру с целью облегчения продвижения бура в указанном исходном глинистом грунте;
с. введение воздуха в процессе осуществления стадий «а» и «b» в указанную область с целью разрыхления и разжижения грунта;
d. извлечение из указанной области бура, не прекращая его вращения; и
е. введение на любой из стадий «а» или «d», или на обеих в указанную область сухого связующего такого типа, который реагирует с водой, и тщательное перемешивание смеси в этой области с целью смешения указанных глинистого грунта, воды, воздуха и связующего;
причем связующее добавляют в количествах, предполагаемых достаточными для образования структуры сваи желаемой прочности, при этом воду добавляют к уже присутствующей доступной воде с целью обеспечения по меньшей мере стехиометрического количества воды для гидратации всего связующего, а воздух подают вместе с водой со скоростями, под давлением и в объемах, достаточных для переноса связующего в грунт и обеспечения подвижности смеси с целью облегчения образования однородной смесевой композиции, причем смесь перед схватыванием достаточно подвижна для того, чтобы обеспечить возможность достаточному количеству воздуха просачиваться и выходить вертикально из указанной смеси, что приведет к образованию сваи, лишенной значительных внутренних пустот.
Дополнительными стадиями способа являются: f. обеспечение возможности просачиваться воздуху через смесь и выходить из смеси и g. оставление сваи для затвердевания вследствие гидратации сухого связующего.
Сухое связующее подают во время ввода бура и/или во время вывода бура. В качестве сухого связующего применяется цемент или известь или комбинация цемента и извести.
Существенная важность и оптимальное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что, когда материнский грунт включает твердую сухую корку, верх образующегося блока будет находиться приблизительно на уровне поверхности.
Названная выше и другие особенности настоящего изобретения станут в полной мере понятными из приведенного ниже детального описания и прилагаемого чертежа.
Краткое описание чертежей
Система для осуществления способов согласно настоящему изобретению схематически показана на чертеже. Источник 10 воздуха подает под давлением воздух в трубопровод 11. Первый отвод 12 трубопровода подсоединен к источнику 13 сухого связующего.
Трубопровод 12 включает регулировочный клапан 13, который может останавливать или регулировать поток воздуха, поступающий к источнику связующего, который выпускается в сухое связующее 14, вводимое в подающий трубопровод 15. Этим путем можно поддерживать скорость подачи сухого связующего. Альтернативным образом цемент может подаваться (или не подаваться) в поток воздуха из первого отвода трубопровода в подающий трубопровод 15 с помощью лентопротяжного колеса и т.п. (не показано).
Второй отвод 20 трубопровода 11 включает регулировочный клапан 21, который может останавливать или регулировать скорость потока воздуха к подающему трубопроводу 15.
Ротационный бур 22 имеет реверсивный двигатель и может совершать прямое и обратное перемещение в грунте 23. Источник 30 воды соединен с ротационным буром через водяной трубопровод 31. Водяной трубопровод 31 включает регулировочный клапан 32, который может останавливать или регулировать поток воды к ротационному буру.
Как будет показано ниже, воздух, сухое связующее и воду подают в ротационный бур в соответствии с условиями в пробуриваемом отверстии. Воздух и цемент подаются в бур отдельно от воды. Они перемешиваются in situ ротационным буром после введения в грунт.
Осуществление изобретения
Получаемый блок по своей форме близок к блокам, показанным и описанным в патентах №№5967700 и 6685399, и получается с помощью устройства, подобного тем, которые показаны в этих патентах и которые полностью включены в настоящую заявку в качестве ссылочного материала в том, что касается раскрытия устройства и способа.
Целью названных патентов является введение в грунт связующих, таких как цемент и/или известь и воды с целью обеспечения ее стехиометрического количества для гидратации введенного количества связующего. Для многих грунтов такая цель достижима, но для других грунтов, в особенности тяжелых глин или сухих глин, образующаяся, хотя и пригодная для использования свая оптимальной не является.
С использованием настоящего изобретения имеется, например, возможность при введении 1,5 т цемента образовать в тяжелой глине сваю диаметром 62 см и глубиной 10,5 м, выдерживающей испытания на неограниченное сжатие при 6,75 МПа. Это намного превосходит результаты, которые могут быть получены без использования усовершенствований настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению бур-мешалка типа, показанного в любом из упомянутых патентов, заглубляется при своем вращении в грунт. При его продвижении вниз осуществляется впрыскивание воды, чтобы вызвать разжижение грунта. В это же время вводится воздух, также чтобы разрыхлить и разжижить грунт. В некоторых случаях во время продвижения вниз может также вводиться некоторое количество связующего.
При своем возвращении верх бур продолжает вращаться, и в это время вводится связующее. Связующее обычно вводится путем внедрения его в движущийся поток воздуха, который дополнительно способствует разжижению смеси.
Когда бур возвращается на поверхность, после него остается заглубленная под землю цилиндрическая область хорошо перемешанной глины, воды и связующего, которые должны стать сваей. Что касается воздуха, то разжижение смеси таково, что значительное количество воздуха барботируется или просачивается наверх. Изучение отвержденных кернов обнаруживает лишь незначительные пустоты. Готовая свая является совершенно твердой в своем поперечном сечении.
Транспортирование связующего с помощью потока воздуха является известным и соответственным образом в смесь вместе со связующим всегда вводится некоторое количество воздуха. Однако воздух подают для транспортирования связующего и в целях предотвращения закупорки воздушной линии. В настоящем же изобретении воздух используется в качестве части смеси, хотя и временной. Его присутствие требуется для разжижения материала перед отверждением и большая его часть видимым образом поднимается к поверхности и выходит из смеси.
В предшествующем уровне техники это приводит к образованию структур глины как тех, у которых имеется верхняя твердая сухая корка, так и тех, у которых ее нет с тенденцией того, что верхняя поверхность сваи окажется значительно ниже уровня грунта. При использовании настоящего изобретения верхняя поверхность чаще всего находится на уровне грунта или в некоторых случаях может подниматься над ним и должна быть скопана. Это дает значительную экономию по сравнению с необходимостью заполнять отверстие и уплотнять его содержимое. Причина, по которой это происходит, не совсем ясна, но ситуация обстоит именно так.
Как следует из сказанного выше, разжижение смеси является ключевым моментом при изготовлении плотной сваи в глинистых грунтах. Оно является ключевым моментом также и в отношении энергозатрат, необходимых для названной цели. Попытки продавливать сухой бур в грунт обычно кончаются прихватыванием бура в грунте. Введение потока связующего в неразжиженную область может привести к завитковым структурам сваи. Необходима хорошо перемешанная композиция, которая без усовершенствований настоящего изобретения в глине трудно выполнима и может быть даже невозможной.
Количество связующего обычно определяется желаемой конечной прочностью сваи, что представляет собой рутинное вычисление. После того как это количество установлено, должно быть рассчитано количество доступной воды для гидратации связующего. Это количество должно быть введено. Расчет его также является рутинным.
Вслед за этим вводятся дополнительное количество воды и связующее (сухое), а также воздух при поддержании строгого взаимоотношения между их количествами, чтобы получить указанную выше желаемую степень подвижности, которая бы создала внутриструктурные условия для выхода воздуха с верха и аксиального перемешивания грунта выходящим воздухом.
Добавленные в конечном итоге в избытке по отношению к структуре сухое связующее и вода могут также быть предназначены для обеспечения того, чтобы колонна-свая образовалась на всем расстоянии к поверхности или до любой другой желаемой точки по отношению к уровню грунта.
3
Остается решить, какое количество воздуха должно быть использовано. Оно оказалось неожиданно большим. Например, для сваи диаметром 62 см и глубиной 13,9 м в сильно влажной глине должно быть введено приблизительно от 19 до 30 м воздуха под давлением от 0,42 до 1,26 МПа. Сюда включен и воздух, транспортирующий связующее. Этот неожиданно большой объем воздуха в основном рассеивается из сваи до того, как она схватится в соответствии с настоящим изобретением. Воздух рассеивается в вертикальном направлении, но не по горизонтали, что обусловлено подвижностью воздуха. Это не влияет на конечное состояние сваи, но очень сильно влияет на ее твердость.
Этот неожиданно большой объем воздуха в основном рассеивается из сваи до того, как она схватится в соответствии с настоящим изобретением. В предшествующем уровне техники наблюдается вспучивание окружающего грунта.
Настоящее изобретение не должно ограничиваться воплощением, показанном на чертеже и описанном в описании, которое приводится в качестве примера, а не ограничения, и ограничивается лишь в соответствии с объемом прилагаемой формулы изобретения.
В общих словах, в настоящем описании раскрыт способ образования буронабивных свай в глинистом грунте. Бур-мешалку при ее вращении аксиально задавливают в грунт. Воду, сухое связующее (цемент и/или известь) и воздух вводят с целью смазывания инструмента и разжижения смеси глинистого грунта, связующего и воздуха с образованием однородной структуры, причем большая часть воздуха просачивается наружу из смеси, прежде чем смесь затвердеет.