СПОСОБ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ В СЕЗОННО-МЕРЗЛЫЙ ГРУНТ
METHOD TO IMMERSE PILES IN SEASONAL-FROZEN GROUND

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройству свайных фундаментов из забивных свай заводского изготовления, погружаемых при отрицательных температурах в сезонно-мерзлый грунт.
Мерзлый грунт за счет смерзания в нем свободной жидкости характеризуется свойствами повышенного сопротивления при погружении свайных элементов. Известно, что «мгновенная» прочность такого грунта при забивке свай в десятки и даже сотни раз выше, чем для грунта в талом состоянии. В глинистых грунтах это состояние начинается при температурном режиме от -0,5 до -5,0 градусов Цельсия. В таких условиях и толщине мерзлого слоя до 2-3-х м при забивке свай при традиционных режимах происходит разрушение их стволов за счет увеличения количества ударов молота. Эту проблему частично решают за счет увеличения прочностных характеристик материала сваи за счет увеличения класса бетона до В30-В35 или увеличения поперечного армирования свай. Однако, это повышает стоимость изготовления свай на 30%. Даже если и удается погрузить сваю, пробивая указанную толщу грунта, то, как показывает опыт работ, при погружении происходят процессы смещения сваи в плановом положении и ее боковое скольжение по мерзлой корке грунта, имеющего наибольшие прочностные характеристики. Это приводит к смещениям свай в плановом положении до 20-30 см. Таким образом, геометрические центры свай не совпадают с осями несущих конструкций стен или колонн, что требует либо погружения дублирующих элементов или увеличения армирования ростверков для восприятия сверхпроектных изгибающих моментов.
Известен способ погружения сваи - бурозабивной, при котором ее погружают в предварительно пробуренные скважины-лидеры, диаметр которых меньше на 1-2 см наименьшего размера поперечного сечения сваи. Для бурения применяют преимущественно буровые самоходные установки, оснащенные шнеками (СП 45.13330.2017 Земляные сооружения, основания и фундаменты, п. 12.6; СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения, основания и фундаменты, п. 11.44).
Недостатком известного способа являются дополнительные затраты на применение буровых машин и утилизацию грунта, что также приводит к увеличению трудозатрат и снижению производительности работ. Кроме того, при наличии на строительной площадке стесненных условий не всегда есть возможность размещения дополнительного комплекта буровой техники, экскаватора и автотранспорта для удаления грунта.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ погружения свай в скважины, устраиваемые комбинированным способом паровым термовибролидером, Буровая установка состоит из трубоукладчика ТО-15-30, вибропогружателя ВПП-2А или В-401, термовибролидера и направляющей. Дополнительно вводят парообразователь и электростанцию, которые перемещают посредством трактора. Паровой термовибролидер оттаивает мерзлый грунт на требуемую глубину при экономичном расходе пара и быстром вмерзании свай. Для этого способа отмечена максимальная скорость проходки 8-40 м/ч (см. Бадьин Г.М. Механизация свайных работ в зимних условиях. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, с. 24-27, 75-79, рис. 22-23).
К недостатку данного способа относится необходимость в наличии дополнительных площадей для размещения буровой установки и мобильного контейнера, содержащего парообразователь и электростанцию, перемещаемых трактором. Кроме того, применение парогенераторов в настоящее время является неактуальным, непроизводительным, такое оборудование серийно не производится, что ставит под вопрос его массовое применение. Таким образом, указанный способ является неэффективным по критерию использования современных машин и оборудования для работ в условиях отрицательных температур.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в известном способе погружения свай в сезонно-мерзлый грунт, включающем предварительную проходку скважин термовибролидером в местах погружения свай, выполненным в виде цилиндрической полой штанги с наконечником с одной стороны и жестко соединенным фланцем с противоположной, на котором установлен вибрационный погружатель, с последующей окончательной забивкой свай в полученные скважины, согласно изменению термовибролидер установлен на мачте копра, реализующего погружение свай, на смежной ее грани со свайным молотом, между наконечником и штангой расположен переходник, который жестко закреплен со штангой, а соединение с наконечником выполнено разъемным, наконечник термовибролидера имеет конусообразную форму, в центральной полости которого размещен жаростойкий изолятор с винтовым пазом на наружной поверхности, вмещающим нагревающую спираль с большим удельным сопротивлением, между изолятором и переходником установлена жаростойкая упругая прокладка для исключения осевых перемещений изолятора, на наружной поверхности наконечника жестко закреплены радиально направленные ребра с внутренними продольными каналами, а в стенках наконечника выполнены поперечные радиально расположенные отверстия, причем перед погружением термовибролидера наконечник нагревают и затем погружают при включенной спирали, а после разработки грунта термовибролидер извлекают. Причем термовибролидер могут извлекать из образовавшейся скважины при включенной спирали, а поперечное сечение наконечника термовибролидера может быть выполнено цилиндрической или многогранной формы.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности устройства свайных фундаментов зданий из забивных свай заводского изготовления, погружаемых при отрицательных температурах в сезонно-мерзлый грунт путем снижения затрат при устройстве фундаментов за счет исключения разрушения стволов свай при их погружении через мерзлый слой, а также уменьшения значений отклонений свай в плановом положении, позволяя увеличить скорость устройства скважин в мерзлых грунтах.
Сущность заявляемого способа погружения свай поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображен копер, реализующий погружение свай, с установленным на его мачте термовибролидером;
- на фиг. 2 схематично изображена конструкция термовибролидера;
- на фиг. 3 схематично изображены формы поперечного сечения наконечника термовибролидера.
Термовибролидер установлен на мачте копра, реализующего погружение свай, на смежной ее грани со свайным молотом (фиг. 1). Термовибролидер выполнен в виде цилиндрической полой штанги 1 с наконечником 2 с одной стороны и жестко соединенным фланцем 3 с противоположной, на котором установлен вибрационный погружатель (на фиг. 2 не показан). Между наконечником 2 и штангой 1 расположен переходник 4, который жестко закреплен со штангой 1, а соединение с наконечником 2 выполнено разъемным, например резьбовым, причем для исключения ослабления соединения предусмотрено его стопорение. Наконечник 2 термовибролидера имеет конусообразную форму, в центральной полости которого размещен жаростойкий изолятор 5 с винтовым пазом на наружной поверхности, вмещающим нагревающую спираль 6, изготавливаемую из проволоки с большим удельным сопротивлением. Электропитание спирали осуществляют при помощи кабеля 7, пропущенного через центральное отверстие термовибролидера. Между изолятором 5 и переходником 4 установлена жаростойкая упругая прокладка 8 для исключения осевых перемещений изолятора 5. На наружной поверхности наконечника 2 жестко закреплены радиально направленные ребра 9 с внутренними продольными каналами 10. В стенках наконечника 2 выполнены поперечные радиально расположенные отверстия 11. Ребра 9 служат для нарезания массива грунта и нарушения его монолитности, но также и для передачи ему дополнительного тепла, что приводит к интенсификации процессов протаивания. Каналы 10 и отверстия 11 служат для интенсивной теплопередачи через стенки наконечника 2 и ребер 9 за счет уменьшения объема нагреваемых стальных элементов (фиг. 2). Поперечное сечение наконечника 2 термовибролидера может быть выполнено цилиндрической формы или многогранной, например квадратной (фиг. 3). Форму поперечного сечения наконечника 2 термовибролидера выбирают в зависимости от параметров погружаемых свай.
Способ погружения свай в сезонно-мерзлый грунт осуществляют следующим образом.
Предварительно в местах погружения свай устраивают лидерные скважины на глубину залегания мерзлого. грунта. Скважины устраивают посредством термовибролидера, установленного на мачте копра, на смежной ее грани со свайным молотом и перемещаемого по ней с помощью направляющих под действием тросовой передачи.
Перед началом погружения термовибролидера его наконечник вместе с ребрами закрывают чехлом из теплоизоляционного материала, а нагревающую спираль включают в электрическую сеть. Тепло, выделяемое спиралью, нагревает стенки, ребра и острие наконечника. После достижения необходимой степени нагрева чехол снимают и приступают к погружению термовибролидера. Погружение ведут при включенной спирали. При этом выделяемое ей тепло суммируется с теплом, возникающим от трения наконечника о грунт, и вызывает его протаивание в пристенной зоне и под острием. Величина зоны протаивания зависит от количества выделяемого спиралью тепла и определяется количеством потребляемой энергии и теплофизическими свойствами разрабатываемого грунта. Для более эффективной передачи тепла от спирали к массиву грунта, а, следовательно, и для увеличения зоны протаивания в конструкции термовибролидера предусмотрено увеличение теплоотдачи поверхности, достигаемой за счет ребер, которые используют для нарушения целостности и нарезания массива мерзлого грунта и для передачи ему тепла за пределами наконечника лидера. Размеры и число ребер устанавливают в зависимости от размеров наконечника и погружаемой в грунт сваи (традиционно применяемые размеры 300×300, 350×350 и 400×400 мм). После погружения термовибролидера на требуемую глубину, равную мощности промерзаемого слоя (до 2-3-х м), термовибролидер извлекают, причем для увеличения зоны протаивания извлечение могут выполнять при включенной спирали. Таким образом, в мерзлом грунте образуют скважину с протаянной зоной грунта и разрушенной монолитностью стенок, обеспечивая снижение сопротивления грунта при дальнейшем погружении сваи. После извлечения термовибролидера сразу выполняют забивку сваи в образованную скважину, обеспечивая отсутствие смерзания стенок скважины и оплывание в ней талого грунта. Забивку сваи выполняют при стандартных режимах, характерных при погружении при положительных температурах.
Кроме того, при увеличении массы молота возможна забивка сваи и без применения лидерных скважин. В этом случае посредством термовибролидера в грунте устраивают направляющие лунки, которые при смерзании в грунте образуют жесткий кондуктор, который в свою очередь позволяет исключить смещение сваи в плановом положении, что часто наблюдают без применения дополнительных мероприятий. Это позволяет исключить дополнительные затраты при устройстве ростверков в виде его усиления - увеличения армирования, устройство монолитных уширений и т.п.
Таким образом, способ погружения свай в сезонно-мерзлый грунт позволяет повысить эффективность и надежность процесса погружения свай в такой грунт за счет исключения разрушения стволов свай при их погружении через мерзлый слой, а также уменьшения значений отклонений свай в плановом положении, позволяя увеличить скорость устройства скважин в мерзлых грунтах.