СПОСОБ УСТАНОВКИ ТРУБЧАТОЙ СВАИ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO INSTALL TUBULAR PILE IN PERMAFROST SOIL AT NEGATIVE AMBIENT TEMPERATURE (VERSIONS)

Изобретение относится к строительству, области сооружения оснований и фундаментов в многолетнемерзлых грунтах.
Наиболее близкими к изобретению по своей сущности и достигаемому результату являются два варианта технологии установки сваи (см. RU 2295608 С2, 07.02.2005):
1. Способ установки трубчатой сваи в многолетнемерзлый грунт, включающий бурение скважины, установку в скважину по ее центральной оси инвентарной вставки с диаметром, меньшим диаметра скважины, засыпку пространства между инвентарной вставкой и стенками скважины рыхлым грунтом, погружение сваи с внутренним диаметром, максимально приближенным к наружному диаметру инвентарной вставки, и открытым нижним концом в разрыхленный грунт, и удаление после этого инвентарной вставки из скважины (прототип №1).
2. Способ, по которому после завершения буровых работ в скважину опускают под собственным весом трубчатую сваю с открытым нижним концом, внешний диаметр которой максимально приближен к диаметру скважины, с образованием узкого пространства между внешней поверхностью сваи и стенками скважины, сваепогружающим оборудованием заглубляют ее нижний конец в многолетнемерзлый грунт ниже дна скважины до проектной отметки и пространство между внешней поверхностью сваи и стенками скважины заполняют водой (прототип №2).
Недостатком вышеуказанных способов является то, что они не обеспечивают надежность и качество заполнения пространства, примыкающего к боковой поверхности сваи, в зимний период, при отрицательной температуре наружного воздуха. При заполнении узкого пространства между стенками скважины и стальными поверхностями может произойти примерзание грунта-заполнителя или воды к сильно охлажденной боковой поверхности инвентарной вставки или сваи в верхней части. В этом месте возможно образование пробки, затрудняющей заполнение остальной части скважины.
Целью изобретения является повышение надежности установки сваи и, в частности, повышение качества выполнения работ по заполнению пространства между сваей и стенками скважины в процессе установки трубчатой сваи в многолетнемерзлый грунт при отрицательной температуре наружного воздуха.
Цель достигается тем, что инвентарную вставку подогревают, а засыпку осуществляют водонасыщенным теплым грунтом (вариант 1).
Цель изобретения достигается также следующими способами (вариант 1):
- после заполнения скважины проводят контрольное пропаривание грунта засыпки с опусканием в него паровой иглы с подачей пара и досыпкой грунта;
- на нижний конец трубчатой сваи с открытым нижним концом устанавливают соосно с ней кольцевой элемент, внутренний диаметр которого максимально приближен к наружному диаметру инвентарной вставки, а внешний диаметр не превышает внешний диаметр сваи;
- внутреннюю поверхность инвентарной вставки теплоизолируют.
Цель достигается тем, что заполнение узкой щели (предпочтительно 2-4 мм) между сваей и стенками скважины производится водонасыщенным грунтом, образующимся вследствие принудительного оттаивания локального объема мерзлого грунта вдоль полной длины внешней боковой поверхности ствола сваи, при подаче водяного пара под давлением в процессе кратковременного опускания паровой иглы, причем диаметр паровой иглы значительно превышает ширину узкой щели (вариант 2).
Цель изобретения достигается также следующими способами (вариант 2):
- стенки сваи подогревают перед погружением в скважину;
- опускание паровой иглы производят в нескольких местах по периметру сваи;
- боковую поверхность ствола сваи оборудуют одной или несколькими винтовыми лопастями;
- нижнюю часть сваи оборудуют заглушкой;
- после установки сваи в скважину в ее ствол засыпают мерзлый грунт.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается всей совокупностью изложенных признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии признаку "новизна".
Сравнение не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".
На фиг.1 изображена последовательность операций по установке свай в многолетне-мерзлый грунт по способам 1-4; на фиг.2 - то же, по способам 5-10. Последовательность выполнения операций следующая.
- По способу 1: в многолетнемерзлом грунте 1 пробуривают скважину 2 (фиг.1а), в которую опускают инвентарную вставку 3 (фиг.1б). В пространство между стенками скважины 2 и инвентарной вставки 3 засыпают водонасыщенный теплый глинистый или песчаный грунт 4 (фиг.1в). Сваю 5 погружают в грунт 3 забивным, вибрационным, ударно-вибрационным, вращательным или другими способами (фиг.1г). Непосредственно после погружения сваи 5 инвентарную вставку 3 удаляют из скважины (фиг.1д).
По способу 2: в целях повышения качества заполнения скважины 4 и исключения возможности образования грунтовых пробок и, как следствие, пустот в нижней части скважины, при строительстве особо ответственных сооружений проводят контрольное пропаривание грунта засыпки с опусканием в него паровой иглы 7 с подачей пара и досыпкой грунта (фиг.1в).
По способу 3: в целях уменьшения объема грунта, проникающего между инвентарной вставкой и сваей при погружении сваи, внутренний диаметр ее нижней части должен быть максимально близок к наружному диаметру инвентарной вставки 3 (фиг.1ж, з). Это облегчает удаление инвентарной вставки после погружения сваи и увеличивает величину обжатия внешней боковой поверхности сваи 5 грунтом 4, вытесненным ее торцом при погружении. Для этого нижний конец сваи 5 частично закрывают кольцевым элементом 6 круглого (фиг.1ж), прямоугольного (фиг.1з) или другого поперечного сечения. Внутренний диаметр элемента 6 максимально близок к наружному диаметру инвентарной вставки 3, а внешний диаметр не превышает внешний диаметр сваи 5. Для облегчения удаления инвентарной вставки рекомендуется сваю погружать до момента преодоления кольцевым элементом нижнего конца инвентарной вставки.
По способу 4: внутреннюю поверхность инвентарной вставки теплоизолируют. Теплоизоляция уменьшает расход тепла на обогрев вставки, сохраняет ее температуру в процессе засыпки грунта и погружения сваи, обеспечивая надежность и высокое качество работ. Вариант инвентарной вставки 3 с теплоизоляцией 8 внутренних стенок показан на фиг.1д.
По способу 5: в скважину 2 опускают под собственным весом трубчатую сваю 3 с открытым нижним концом, внешний диаметр которой немного меньше диаметра скважины (фиг.2а), сваепогружающим оборудованием заглубляют ее нижний конец в многолетнемерзлый грунт 1 ниже дна скважины 2 до проектной отметки. Узкую щель между внешней поверхностью сваи и стенками скважины (предпочтительно 2-4 мм) заполняют водонасыщенным грунтом (фиг.2б), образующимся вследствие принудительного оттаивания локального объема мерзлого грунта стенки скважины на всю длину ствола сваи, при подаче водяного пара под давлением в процессе кратковременного опускания паровой иглы вдоль внешней боковой поверхности сваи.
Диаметр паровой иглы 4 (d=30-40 мм) значительно превышает ширину узкой щели (фиг.2е). Благодаря этому оттаянный и прогретый паром водонасыщенный многолетнемерзлый грунт 8, в процессе погружения паровой иглы, под давлением выбрасывается в горизонтальном направлении в узкую воздушную щель между стенкой сваи 2 и стенкой скважины 3 и распределяется, в основном, по периметру щели. Прогрев грунта исключает его смерзание с холодной боковой поверхностью сваи. Это повышает надежность установки сваи. Вследствие кратковременности процесса оттаивания мерзлого грунта паровой иглой ширина узкой щели увеличится незначительно.
Забивка нижнего конца сваи в грунт исключает возможность проникновения воды в полость сваи и локализует водонасыщенный грунт в промежутке между сваей и стенками скважины. Замерзание воды в этой узкой щели происходит быстро. Это позволяет использовать сваю через 1-2 суток после погружения. Способ 5 целесообразно применять при погружении свай, внешняя поверхность которых покрыта изоляционным составом, например, в засоленных мерзлых грунтах. Этот способ предохраняет изоляционное покрытие от разрушения при трении о прочный мерзлый грунт в процессе погружения.
По способу 6: при очень низкой температуре наружного воздуха стенки сваи подогревают перед погружением в скважину. Это уменьшает возможность смерзания сваи с оттаянным водонасыщенным грунтом и повышает надежность ее установки. Для полного исключения смерзания сваи с оттаянным грунтом прогрев сваи производят в процессе полного цикла ее установки. Высокая положительная температура сохраняется, если в сваю поместить съемный каркас с теплоизоляционным материалом и трубчатыми электронагревателями.
По способу 7: при большом диаметре трубчатого ствола сваи опускание паровой иглы производят в нескольких местах по периметру сваи (фиг.2в). Иначе объема водонасыщенного грунта, оттаянного одной иглой, может оказаться недостаточно для того, чтобы полностью заполнить щель между стенками скважины и сваей.
По способу 8: боковая поверхность ствола 2 сваи может быть оборудована одной или несколькими винтовыми лопастями 5 (фиг.2г). Использование способа 6 для винтовой сваи позволит значительно увеличить их несущую способность за счет дополнительного включения в работу оттаянного паром и затем промерзшего грунта вдоль ствола сваи. Это повысит надежность сваи.
По способу 9: нижняя часть сваи может быть оборудована заглушкой 6 (фиг.2д). Это повысит несущую способность сваи при вдавливающей нагрузке.
При h>0 заглушка 6 уплотняет слой рыхлого бурового шлама небольшой толщины, включается в работу сваи и начинает воспринимать нормальные усилия. Это дополнительно увеличивает несущую способность сваи.
По способу 10: после установки сваи в скважину в ее ствол засыпают мерзлый грунт. Рыхлый грунт с отрицательной температурой, в частности, способствует ускоренному промерзанию небольшого объема теплого грунта засыпки, проникшего в полость ствола сваи при установке по способу 1.
Примеры конкретного исполнения
скв
обс
Пример 1 (способ 1). В многолетнемерзлом грунте буровым станком пробурили скважину диаметром D=250 мм на проектную глубину 5 м (фиг.1а). Подъемным канатом сваебойного агрегата зацепили и опустили вертикально по центру скважины стальную трубу (инвентарную вставку) 3 с внешним диаметром d=159 мм, меньшим диаметра скважины (фиг.1б).
Одиночным легким ударом молота с высоты 0,5-1 м заглубили ее в слой рыхлого бурового шлама, всегда остающегося на дне скважины. Это необходимо для предотвращения попадания водонасыщенного грунта засыпки внутрь обсадной трубы.
скв
обс
Пространство шириной t=0,5×(D-d)=45 мм между стенками скважины и внешней поверхностью обсадной трубы полностью засыпали теплым водонасыщенным грунтом (фиг.1в). Для его приготовления использовали часть мерзлого грунта (по возможности небольшие куски), вынутого при бурении скважины. Грунт загружали в небольшую емкость (металлическую ванну), установленную рядом со скважиной, и оттаивали паром до текучей консистенции. Текучий теплый грунт заливали из ванны в пространство между стенками скважины и инвентарной вставкой.
cв
скв
св.
обс
Сваю изготовили из стальной трубы с внешним диаметром D=219 мм и с толщиной стенки 10 мм. При этом D>D>d. Металлическую инвентарную вставку (в зимнее время при температуре воздуха минус 25°С) перед установкой в скважину подогревали до положительной температуры +30°С. Это осуществили паровой иглой с подачей пара от парового котла на внутреннюю поверхность стальной вставки.
Подъемным канатом сваебойного агрегата сваю подняли, насадили на инвентарную вставку и забили до дна скважины (фиг.1г). Ширина щели между стенками скважины и сваей составила 15 мм, а между сваей и инвентарной вставкой 20 мм. Водонасыщенный грунт засыпки при этом был частично вытеснен из скважины, частично вдавлен в ее стенки, частично уплотнился и заполнил возможные пустоты в нижней части засыпки, а также частично заполнил пространство между внешней поверхностью инвентарной вставки и внутренней поверхностью сваи (фиг.1г). После погружения сваи до проектной отметки обсадную трубу подняли и удалили из скважины (фиг.1д). Контакт между трубой и сваей отсутствовал, поэтому труба была свободно извлечена. Этой операцией установка сваи в мерзлый грунт была завершена. После удаления инвентарной вставки внутри сваи осталась часть грунта засыпки высотой 1-1,5 м (фиг.1д).
Пример 2 (способ 1). Технология работ аналогична изложенной в примере 1, но конструкция инвентарной вставки была изменена. Размер поперечного сечения вставки увеличили. К внешней цилиндрической поверхности 3 трубы диаметром 159 мм по образующим приварили стальные стержни 9 диаметром 18 мм. Между ними уложили напылением пенополиуретан, образовав цилиндрическую поверхность 10 инвентарной вставки с внешним диаметром 195 мм. Щель между этой поверхностью и внутренней поверхностью сваи составила 2 мм, поэтому при забивке сваи грунт засыпки не смог проникнуть во внутреннюю полость сваи.
Пример 3 (способ 2). В процессе проведения работ по примеру 1 после засыпки грунта в пространство между инвентарной вставкой и стенками скважины шириной 45 мм провели дополнительную операцию, заключающуюся в контрольном пропаривании грунта засыпки с опусканием в него паровой иглы 7 из трубы с внешним диаметром 32 мм с подачей пара и досыпкой грунта (фиг.1б). Это повысило качество заполнения скважины 4 и исключило возможность образования грунтовых пробок и, как следствие, пустот в нижней части скважины.
обс
Пример 4 (способ 3). Недостатком технологии по примеру 1 является то, что после удаления инвентарной вставки внутри сваи остается часть грунта засыпки. Это несколько увеличивает срок ее вмерзания в вечную мерзлоту. По этой причине к внутренней поверхности нижнего конца сваи 3 приварили металлическую кольцевую вставку 6 с внутренним диаметром на 1-2 мм больше d. Вставку изготовили из круглого стержня диаметром 18 мм, затрудняющего попадание рыхлого грунта внутрь сваи. Это исключило заполнение грунтом засыпки пространства между сваей и инвентарной вставкой. Грунт, вытесненный при забивке сваи, лучше заполнил возможные пустоты в нижней части засыпки. Это повысило качество работ и уменьшило продолжительность вмораживания сваи в многоголетнемерзлый грунт.
Пример 5 (способ 4). В отличие от способов 1-3 к внутренней стенке инвентарной вставки равномерно по периметру поперечного сечения прикрепили четыре трубчатых электрообогревателя. Внутреннюю часть вставки заполнили теплоизолятором - полиэтиленовым мешком со стекловатой. Нижнюю часть вставки на длину 30 см оставили свободной для возможности ее заглубления в слой рыхлого бурового шлама на дне скважины. Обогрев инвентарной вставки до плюс 60°С произвели до начала погружения в скважину. В момента извлечения из скважины температура стенки вставки, благодаря теплоизоляции, составила плюс 55°С. Теплоизоляция уменьшила расход тепла на обогрев вставки и стоимость работ.
скв
cв
Пример 6 (способ 5). В многолетнемерзлом грунте буровым станком пробурили скважину диаметром D=225 мм на проектную глубину 5 м (фиг.2а). Диаметр скважины на 6 мм больше внешнего диаметра сваи, изготовленной из трубы D=219 мм.
Сваю монтажным краном под собственным весом опустили в скважину (фиг.2а). Металлическим копром, подвешенным к стреле крана, сваю заглубили в слой рыхлого бурового шлама, оставшегося на дне скважины после бурения скважины.
Вдоль сваи, вплотную к ее боковой поверхности, опускали паровую иглу, изготовленную из стальной трубы диаметром 32 мм, с подачей в нее под давлением перегретого водяного пара с температурой плюс 110°С. Водяной пар оттаивал мерзлый грунт под наконечником паровой иглы до водонасыщенного состояния и под давлением направлял образовавшуюся пульпу в узкую щель между сваей и стенками скважины (фиг.2е). Основная часть разогретой массы, отразившись от дна воронки оттаивания 7, диаметр которой (40 мм), значительно больше ширины щели (3 мм), устремлялся преимущественно в горизонтальном направлении 8, охватывая периметр сваи (см. также фиг.2в). При этом внешняя боковая поверхность сваи на этом участке прогревалась, что исключало примерзание к ней оттаянного грунта. По мере погружения паровой иглы этот процесс перемещался вниз, до нижнего конца ствола сваи. После этого паровую иглу подняли на поверхность. На этом процесс установки сваи завершился. Небольшой объем оттаянного грунта в щели и месте прохода паровой иглы позволил восстановить исходную температуру вечномерзлого массива через 2 суток.