СПОСОБ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОГО ВДАВЛИВАНИЯ СВАИ В ГРУНТ
METHOD VIBRATIONAL-ROTARY PRESSING OF PILES INTO GROUND

Способ относится к области строительства и может быть использован при погружении сваи вибрационно-вращательным вдавливанием при сопротивлении грунта, превышающем максимальное усилие вдавливающей установки.
Известен способ погружения сваи, описанный в устройстве для погружения свай и труб и включающий загрузку и жесткую фиксацию сваи в наголовнике вибропогружателя, подвешенного к каретке, погружение сваи в грунт посредством вибропогружателя вращательных колебаний, дальнейшее вдавливание сваи в грунт посредством движения каретки через подшипниковый упор вибропогружателя (см. патент РФ №2017895, E02D 7/18).
Недостатком известного способа является невысокая надежность процесса погружения сваи в грунт ввиду развития в ее теле опасных деформаций, возникающих в результате продолжительного воздействия на оголовок сваи вибровращательных моментов. Приложение указанных моментов к торцу сваи не позволяет равномерно распределить их по всей поверхности сваи, что приводит к ее разрушению и препятствует погружению сваи на проектную глубину. Для исключения развития деформаций в теле сваи выполняют такие мероприятия, как повышение класса используемого бетона, усиление поперечного армирования дополнительными арматурными сетками или применение фибробетона. Указанные мероприятия повышают стоимость сваи. Кроме того, указанный способ невозможно реализовать для мощных гидравлических машин, которые развивают большие усилия вдавливания и не имеют ограничений по длине погружаемого элемента.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ погружения сваи в грунт, включающий загрузку сваи в механизм вдавливания и ее жесткую фиксацию в зажимном устройстве, погружение сваи в грунт посредством механизма вдавливания на величину рабочего хода штоков его гидроцилиндров, ослабление сваи в зажимном устройстве и поднятие механизма вдавливания на холостом ходу на высоту хода штоков его гидроцилиндров, последующую жесткую фиксацию сваи и ее погружение, причем действия, направленные на погружение сваи в грунт, выполняют циклично. При этом погружение сваи в режиме вдавливания осуществляют до достижения сваей проектной глубины. В указанном способе при погружении сваи в прослойки плотных грунтов при сопротивлении погружению, превышающем максимальное усилие вдавливания, обеспечиваемого установкой, процесс погружения останавливают, сваю извлекают и применяют специальные способы снижения сопротивления грунта погружению: увеличивают усилие вдавливания за счет наращивания массы машины, бурят лидерные скважины, рыхлят грунт шнеком, применяют антифрикционные обмазки для поверхности сваи (Руководящий технический материал. РТМ 36.44.12.2-90. Проектирование и устройство фундаментов из свай, погружаемых способом вдавливания. - СПб.: ВНИИГС, 1992. - С. 19-21).
Недостатком данного способа является невысокая надежность процесса погружения сваи в грунт ввиду невозможности преодоления сваей сопротивления грунта, превышающего максимальное усилие вдавливания. Вышеописанный способ не позволяет уменьшить силы бокового трения сваи о грунт, а использование антифрикционных обмазок, наносимых на поверхность сваи, снижает ее несущую способность. Кроме того, проведение специальных дополнительных работ приводит к снижению производительности труда и повышению стоимости работ в среднем на 40%.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении надежности процесса погружения сваи в грунт при его сопротивлении, превышающем максимальное усилие вдавливания, за счет предотвращения развития в свае опасных для целостности ее тела деформаций.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в понижении точки приложения к свае усилий вибровращательного вдавливания, обеспечивающем равномерное распределение прилагаемых усилий по всей поверхности погружаемой сваи, при одновременном циклическом уплотнении (обжатии) боковыми гранями сваи грунта в периферийной зоне и исключении его «налипания» (образования присоединенной массы) к поверхности сваи, что приводит к уменьшению сил бокового трения сваи о грунт.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе погружения сваи в грунт, включающем загрузку сваи в механизм вдавливания и ее жесткую фиксацию в зажимном устройстве, погружение сваи в грунт посредством механизма вдавливания на величину рабочего хода штоков его гидроцилиндров, ослабление сваи в зажимном устройстве и поднятие механизма вдавливания на холостом ходу на высоту хода штоков его гидроцилиндров, последующую жесткую фиксацию сваи и ее погружение, причем действия, направленные на погружение сваи в грунт, выполняют циклично, согласно изменению предварительно на поверхности грунта под механизмом вдавливания соосно погружаемой свае устанавливают вибропогружатель вращательных колебаний с проходным центральным отверстием, который при достижении сваей слоя плотного грунта после холостого хода механизма вдавливания поднимают до ближайшего торца механизма вдавливания, жестко фиксируют сваю в отверстии вибропогружателя, а ее погружение выполняют в режиме вибрационно-вращательного вдавливания при действии вращательных моментов до достижения проектной глубины.
Известно применение вибрационных устройств различной конструкции для погружения сваи заводского изготовления (см. Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах / В.В. Верстов, М.Г. Цейтлин, Г.Г. Азбель. - Л.: Стройиздат, 1987. - С. 123-147). В известном способе указанные вибрационные устройства устанавливают и жестко фиксируют на свободном торце сваи, погружение которой осуществляют преимущественно в режиме продольных колебаний.
Известно применение вибропогружателя вращательных колебаний для погружения сваи в режиме вибрационно-вращательного вдавливания (см. патент РФ №2017895, E02D 7/18). В известном способе погружаемую сваю устанавливают и жестко фиксируют в наголовнике вибропогружателя вращательных колебаний, что приводит в процессе погружения сваи к развитию в ее теле опасных деформаций ввиду невозможности равномерного распределения вибровращательных моментов по всей поверхности сваи.
В заявляемом изобретении вибрационно-вращательное погружение сваи обеспечивается вибропогружателем вращательных колебаний с центральным проходным отверстием, в котором жестко фиксируют погружаемую сваю. Последнее обеспечивает понижение точки приложения к свае усилий вибровращательного вдавливания, что позволяет равномерно распределить прилагаемые усилия по всей поверхности погружаемой сваи.
Применение вибропогружателя вращательных колебаний с центральным проходным отверстием для жесткой фиксации в нем погружаемой сваи с целью уменьшения значения «плеча» при действии знакопеременных вращательных моментов неизвестно из уровня техники.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ вибровращательного вдавливания сваи в грунт не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображена гидрофицированная установка вдавливания с погружаемой сваей;
- на фиг. 2 схематично изображен поперечный разрез 1-1 на фиг. 1, отображающий изменение характера упругопластического сопротивления грунта при его вибрационном уплотнении в периферийной зоне в процессе вращательных колебаний;
- на фиг. 3 схематично изображен корпус вибрационного погружателя по поперечному разрезу 2-2 на фиг. 1 и по продольному разрезу 3-3 на фиг. 3;
- на фиг. 4 схематично изображены этапы вибровращательного вдавливания сваи в грунт;
- на фиг. 5 схематично изображен график испытаний грунтов статической вдавливающей нагрузкой, развиваемой сваей: 1 - для сваи, погруженной вибровращательным вдавливанием; 2 - то же вдавливанием; P - нагрузка при испытании, кН; S - осадка сваи, мм.
На гидрофицированной установке вдавливания 1 (фиг. 1) закреплен механизм вдавливания 2 (фиг. 1, 4) с зажимным устройством (на фиг. не показано). В механизме вдавливания 2 установлена погружаемая свая 3 (фиг. 1, 2, 3, 4), которая жестко зафиксирована посредством зажимного устройства. На поверхности грунта 4 (фиг. 1, 4) под механизмом вдавливания 2 соосно свае 3 установлен вибрационный погружатель 5 (фиг. 1, 3, 4) вращательных колебаний с центральным проходным отверстием 6 (фиг. 3). В корпусе вибрационного погружателя 5 на валах 7 (фиг. 3) установлены основные дебалансы 8 (фиг. 3), развернутые на 180°. Для увеличения значений вращательных моментов на валы 7 установлены дополнительные дебалансы 9 (фиг. 3), выполненные с большим радиусом, чем основные дебалансы 8. Дополнительные дебалансы 9 закрыты кожухом 10 (фиг. 3). Дебалансы 8 и 9 посредством зубатой передачи 11 (фиг. 3) соединены через вал 12 (фиг. 3) с гидромотором 13 (фиг. 3).
Способ вибрационно-вращательного вдавливания сваи в грунт осуществляют следующим образом.
Сваю 3 (фиг. 1, 2, 3, 4) загружают в механизм вдавливания 2 (фиг. 1, 4) гидрофицированной установки 1 (фиг. 1) и жестко фиксируют в зажимном устройстве (на фиг. не показано). При этом предварительно на поверхности грунта 4 (фиг. 1, 4) соосно погружаемой свае 3 устанавливают вибрационный погружатель 5 (фиг. 1, 3, 4) вращательных колебаний с проходным центральным отверстием 6 (фиг. 3). В пределах толщи слабых грунтов 14 (фиг. 4) сваю 3 погружают посредством механизма вдавливания 2 на величину рабочего хода штоков его гидроцилиндров (на фиг. не показаны). Далее сваю 3 ослабляют в зажимном устройстве и поднимают механизм вдавливания 2 на холостом ходу на высоту хода штоков его гидроцилиндров. Затем сваю 3 жестко фиксируют в зажимном устройстве механизма вдавливания 2 и осуществляют ее погружение в грунт 14 аналогично вышеописанному. Причем действия, направленные на погружение сваи 3 в грунт 14, выполняют циклично до достижения сваи 3 слоев плотных грунтов 15 (фиг. 4). При достижении сваи 3 слоя плотного грунта 15, в котором сопротивление породы достигает величины, превышающей максимальное усилие вдавливания, движение сваи 3 останавливают. Сваю 3 ослабляют в зажимном устройстве механизма вдавливания 2, которое затем поднимают на холостом ходу на величину хода штоков его гидроцилиндров без извлечения сваи 3 из грунта 14. Далее вибропогружатель 5 поднимают на некоторое расстояние («плечо») от поверхности грунта 4 до ближайшего торца механизма вдавливания 2. Затем сваю 3 жестко закрепляют в центральном проходном отверстии 6 вибропогружателя 5. Дальнейшее погружение сваи 3 выполняют в режиме вибрационного вдавливания при действии вращательных моментов и минимальных значениях усилия вдавливания до достижения проектной глубины. Заявляемый способ обеспечивает понижение точки приложения вращательных колебаний при одновременном снижении сил бокового трения сваи о грунт, что приводит к созданию щадящего режима вибровращательного вдавливания сваи за счет уменьшения значения «плеча» при действии знакопеременных вращательных моментов. Таким образом, заявляемый способ обеспечивает приложение вращательных моментов по всей поверхности погружаемой сваи, что приводит к их равномерному распределению по указанной поверхности. Это позволяет повысить надежность процесса погружения сваи в грунт.
Эффективность заявляемого изобретения подтверждена в ходе экспериментальных работ, проводимых на ряде строительных площадок, расположенных в г. Санкт-Петербург. В ходе экспериментов оценивали преимущества заявляемого способа по сравнению со способом, принятым за прототип. Результаты данных экспериментов представлены в таблице.
На основании анализа результатов, полученных в ходе экспериментальных работ и приведенных в таблице, можно сделать вывод, что заявляемый способ позволяет сократить время погружения сваи в 2 раза при уменьшении в 2 раза статической силы вдавливания, необходимой для достижения сваи проектной глубины. При этом установлено, что для определенных инженерно-геологических условий требуемые значения усилий вибровращательного вдавливания для погружения сваи на проектную глубину могут снизиться в 5 раз. В практических условиях при возведении свайных фундаментов посредством погружения элементов в геологических разрезах, характеризующихся напластованиями прослоев плотного грунта, для достижения проектной глубины необходимо развить усилия вдавливания порядка 1500-1800 кН, что значительно снижает производительность работ, а для некоторых типов вдавливающих установок достичь указанных значений усилий невозможно. При реализации способа вибровращательного вдавливания сваи в грунт для ее погружения будет достаточно приложить усилие вдавливания в 900-1200 кН, что является допускаемым значением для современных гидравлических установок. Таким образом, заявляемый способ гарантирует достижение сваи проектной глубины при развитии меньших значений усилия вдавливания и отсутствии дополнительных затрат на наращивания веса установки.
В результате проведенных экспериментов установлено, что значения ускорений колебаний грунта и конструкций фундаментов близкорасположенных зданий и сооружений не превышают уровня безопасных величин, установленных ВСН 490-87 «Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки». Таким образом, способ вибровращательного вдавливания сваи в грунт исключает развитие деформаций в конструкциях существующих зданий и сооружений при погружении вблизи них свай согласно заявляемому способу, что подтверждает его высокую надежность и безопасность.
На следующем этапе экспериментальных работ оценивали влияние процессов вибрационного воздействия знакопеременных вращательных моментов, реализуемых в заявляемом способе, на несущую способность грунтов. Ставилась задача исследовать, каким образом вибрационное воздействие, прикладываемое к погружаемой свае, изменит несущую способность грунта из-за нарушения в нем структурных связей. В связи с этим были проведены эксперименты по статическому испытанию грунтов вдавливающей нагрузкой по известной методике, изложенной в ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Сваи погружены на одну глубину в аналогичных грунтовых условиях. Результаты данных экспериментов представлены на фигуре 5 в виде графиков зависимости нагрузки P от осадки сваи S. В ходе опытных работ сравнивали значения осадки свай, погруженных способами вибровращательного вдавливания и вдавливания. На основании анализа полученных результатов следует, что несущая способность грунтов для свай, погруженных разными способами, имеет практически равные значения: при вдавливании конечная нагрузка 1200 кН при осадке 13 мм, а при вибровращательном вдавливании конечная нагрузка 1200 кН при осадке 15 мм. Таким образом, при погружении сваи по заявляемому способу критичного нарушения структуры грунтов не происходит, что подтверждает высокую надежность процесса погружения сваи в грунт.
Таким образом, способ вибровращательного вдавливания сваи в грунт позволяет повысить надежность процесса погружения сваи в грунт при его сопротивлении, превышающем максимальное усилие вдавливания, за счет предотвращения развития в свае опасных для целостности ее тела деформаций. Это достигается в результате понижения точки приложения к свае усилий вибровращательного вдавливания, что обеспечивает равномерное распределение прилагаемых усилий по всей поверхности погружаемой сваи при одновременном обеспечении циклического уплотнения (обжатия) боковыми гранями сваи грунта в периферийной зоне и исключении его «налипания» (образования присоединенной массы) к поверхности сваи, что приводит к уменьшению сил бокового трения сваи о грунт.