СПОСОБ ПОГРУЖЕНИЯ ВИНТОВЫХ СВАЙ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫЙ ГРУНТ
METHOD FOR SINKING SCREW PILES INTO PERMAFROST SOIL

Изобретение относится к строительству оснований и фундаментов в районах распространения вечномерзлых грунтов.
Погружение винтовых свай в вечномерзлые грунты вызывает большие затруднения вследствие их очень высокой прочности, значительно превышающей прочность немерзлых грунтов, в которых винтовые сваи преимущественно применяются.
Известен способ (прототип), заключающийся в предварительном пробуривании в вечномерзлом грунте лидерной скважины с диаметром, равным диаметру цилиндрического ствола винтовой сваи. Глубина скважины равна проектной глубине погружения винтовой лопасти в нижней части ствола. В эту скважину вставляют нижний конец ствола и завинчивают сваю. Предполагается, что ствол сваи проходит без сопротивления через лидерную скважину, и только винтовые лопасти прорезают прочный мерзлый грунт [Иродов М.Д. Применение винтовых свай в строительстве. Стройиздат. М., 1968. Стр. 15.].
Достоинством прототипа является выключение из работы лобового сопротивления нижнего конца ствола, что облегает погружение винтовой сваи в вечномерзлый грунт.
Недостатки этого способа:
- Равенство диаметра лидерной скважины диаметру цилиндрического ствола винтовой сваи невозможно достигнуть, т.к., например, для стальной трубы допускаются отклонения диаметра до 2,5% от номинального размера, и труба получается овальной. Больший размер овального ствола сваи с номинальным диаметром D превысит фактический диаметр D цилиндрической лидерной скважины, поэтому возникнет сопротивление грунта срезу при завинчивании ствола, и цель исключения трения боковой стенки ствола о грунт не будет достигнута.
- Трение поверхности винтовой лопасти о мерзлый грунт очень велико, и это значительно увеличивает сопротивление завинчиванию сваи. Однако в прототипе не предусмотрены мероприятия по уменьшению величины этого трения.
Целью изобретения является повышение возможности погружения винтовых свай за счет уменьшения сопротивления вечномерзлых грунтов их завинчиванию.
Цель достигается тем, что лидерную скважину пробуривают на несколько мм больше фактического максимального размера ствола сваи; все лопасти жестко соединяют со стволом сваи по одной винтовой линии; нижнюю лопасть изготавливают из двух жестко соединенных одновитковых частей: первой (заходной) части, толщиной Т, с диаметром лопасти, увеличивающимся снизу вверх по линейной зависимости до величины D, и верхней части, толщиной t, меньшей Т на несколько мм, изготавливаемой с постоянным диаметром лопасти d, меньшим D на несколько мм, остальные лопасти изготавливают толщиной t и диаметром лопастей d; после погружения винтовой сваи до проектной отметки узкое пространство между стволом сваи и стенками скважины заполняют заполнителем с последующим замораживанием до температуры окружающего природного вечномерзлого грунта; при этом в процессе завинчивания осевую нагрузку на сваю изменяют таким образом, чтобы величина трения грунта о лопасти была минимальной.
Цель изобретения достигается также следующими способами.
Верхнюю часть лидерной скважины, в пределах излишне прочного верхнего слоя вечномерзлого грунта, увеличивают до диаметра, превышающего максимальный размер лопастей сваи.
При отрицательной температуре наружного воздуха непосредственно перед погружением в грунт заходную часть нижней лопасти нагревают до положительной температуры.
Узкое пространство между стволом сваи и стенками лидерной скважины заполняют водой с положительной температурой, а уширение лидерной скважины заполняют вынутым при бурении буровым шламом.
Узкое пространство между стволом сваи и стенками скважины заполняют водяным паром под давлением с быстрым погружением паровой иглы на глубину до верхней лопасти многолопастной винтовой сваи или до половины глубины погружения однолопастной сваи с последующим быстрым прекращением подачи пара и удалением паровой иглы, а после этого уширение лидерной скважины заполняют вынутым при бурении буровым шламом.
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. 1А изображена винтовая свая с двумя лопастями, погруженная в вечномерзлый грунт; на фиг. 1Б изображена винтовая свая, погруженная в вечномерзлый грунт со ступенчатой формой лидерной скважины; на фиг. 1В показан стык двух частей нижней винтовой лопасти; на фиг. 1Г показан поперечный разрез вечномерзлого грунта с винтовой сваей.
Описание способа
Завинчивание винтовых свай в очень прочные вечномерзлые грунты обычно производят в зимнее время, когда слабые поверхностные болотистые грунты, характерные для Крайнего Севера, полностью промерзают и способны выдержать вес тяжелой строительной техники. Температура верхнего слоя грунта 2 за этот период достигает до -25°С и ниже (фиг. 1А, 1Б). Завинчивание свай в такой слой для имеющейся в настоящее время строительной техники невозможно.
Предлагаемый способ учитывает специфические особенности вечномерзлых грунтов:
- сохранение винтовой формы воздушных пустот, образуемых в грунте после прохождения лопасти, при этом все винтовые лопасти жестко соединены со стволом сваи по одной винтовой линии;
- разогрев и местное частичное подтаивание мерзлого грунта при механическом или тепловом воздействии на него.
При завинчивании обычно необходимо преодолеть сопротивление очень прочного мерзлого грунта под нижним концом ствола сваи, по боковой поверхности ствола и при внедрении в грунт винтовых лопастей. В целях облегчения процесса погружения винтовой сваи в данном изобретении предлагается осуществить следующие мероприятия:
т
т
- Для исключения сопротивления грунта под нижним концом ствола сваи 1, по всей длине боковой поверхности ствола предлагается предварительно пробурить в грунте лидерную скважину 4 (фиг. 1А, 1Б и 1Г). Диаметр лидерной скважины 4 пробуривают на несколько мм больше фактического максимального размера ствола сваи 1, т.к. ствол из трубы фактически может иметь овальную форму поперечного сечения (см. выше). Оптимальным является диаметр скважины 4, определяемый по формуле: 1,025D+2 мм, где D - номинальный диаметр ствола.
- При очень низкой температуре верхнего слоя 2 мерзлого грунта иногда недостаточно крутящего момента машины для завинчивания сваи. В этом случае верхнюю часть лидерной скважины, в пределах излишне прочного верхнего слоя вечномерзлого грунта, увеличивают до диаметра, превышающего максимальный размер лопастей сваи, и завинчивание сваи начинают со дна этой уширенной лидерной скважины 5, опуская нижнюю винтовую лопасть на глубину с более высокой температурой и, следовательно, менее прочным грунтом (фиг. 1Б).
- В начальной стадии завинчивания винтовой сваи 1 обычно приходится врезаться нижней лопастью 7 в наиболее прочный поверхностный грунт с самой низкой температурой, поэтому нижнюю лопасть изготавливают из двух жестко соединенных сваркой одновитковых частей. Первую (заходную) часть 7 делают с диаметром лопасти, увеличивающимся снизу вверх по линейной зависимости до величины D, а верхнюю часть 6 изготавливают с постоянным диаметром лопасти d, меньше D на несколько мм. Толщину Т нижней заходной части лопасти 7 делают на несколько мм больше, чем верхней - t (фиг. 1В). Этот способ позволяет использовать прорезаемый заходной частью лопасти 7 толстый и широкий винтовой след толщиной Т и диаметром D. Для завинчивания в него без сопротивления верхней половины нижней лопасти эту часть лопасти делают не только тоньше, но и немного меньшего диаметра. След от завинчивания винтовой толстой заходной части можно использовать также для завинчивания следующих винтовых лопастей 8 с меньшей толщиной t и диаметром d для варианта многолопастных свай.
- Наличие узкого зазора между стволом сваи 1 и скважины 4 и наличие пустотного винтового следа в грунте после прохождения винтовых лопастей ослабляют несущую способность винтовой сваи в процессе эксплуатации. По этой причине после погружения винтовой сваи до проектной отметки узкое пространство между стволом сваи и стенками скважины желательно заливать заполнителем. В результате все воздушные пустоты заполняются, и несущая способность сваи повышается.
Заполнение можно осуществить заливкой в зазор между стенками лидерной скважины 4 и стволом сваи 1 воды с температурой, обеспечивающей ее прохождение до промерзания к нижней лопасти и заполнение пустот от следа винтовых лопастей.
Другим вариантом заполнения является подача в указанный воздушный зазор водяного пара под давлением, с быстрым одноразовым кратковременным погружением паровой иглы на глубину до верхней лопасти многолопастной винтовой сваи или до половины глубины погружения однолопастной сваи с последующим быстрым прекращением подачи пара после достижения необходимой глубины и удалением паровой иглы. После этого при наличии уширения 5 верхней части лидерной скважины 4 его заполняют вынутым при бурении буровым шламом или песком. Преимуществом этого способа является то, что при активном пропаривании под давлением мерзлый грунт частично оттаивает, пар конденсируется, и образовавшаяся разжиженная водогрунтовая смесь заполняет зазор вокруг ствола 1 и винтовые пустоты. Эта смесь после замерзания обладает большей прочностью, чем лед, поэтому несущая способность сваи повышается в большей степени, чем при первом варианте.
- В процессе завинчивания винтовой сваи на ее винтовую лопасть действует нормальная нагрузка R, приводящая к появлению очень больших сил трения S на верхней винтовой поверхности лопасти (фиг. 1Д). Предлагается исключить эти силы трения за счет осевой внешней нагрузки Р, передающейся машиной для завинчивания свай. Для этого осевую нагрузку Р на сваю в процессе погружения сваи изменяют таким образом, чтобы компенсировать до величины, близкой к нулю, действие силы R, возникающей в мерзлом грунте 3 при завинчивании лопасти 7 (фиг. 1Д). Это приведет к тому, что величина трения грунта 3 о лопасти 6 и 8 станет минимальной, близкой к нулю.
- При использовании машин для завинчивания свай с недостаточной величиной принудительной внешней вертикальной нагрузки Р возникает необходимость найти другие способы уменьшения сил трения на поверхности винтовой лопасти. Этого можно достичь тем, что при отрицательной температуре наружного воздуха непосредственно перед погружением в грунт заходную часть нижней лопасти нагревают до положительной температуры. Нагревание удобно производить, например, подачей горячего воздуха с высокой температурой через рукав (шланг) калорифера. Теплая поверхность лопасти позволяет создать между ее поверхностью и вечномерзлым грунтом тонкую прослойку водонасыщенного оттаявшего грунта с коэффициентом трения в 1,5-2 раза меньшим, чем у вечномерзлого грунта без подогрева. При дальнейшем завинчивании сваи повышенная температура лопасти стабилизируется и сохраняется за счет выделения тепла от трения при завинчивании лопасти.