СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ БУРОНАБИВНОЙ СВАИ
ERECTION METHOD OF DRIVEN PILE

Изобретение относится к строительству, а именно к промышленному, транспортному, гражданскому, военному, гидротехническому, сельскохозяйственному, а также коммерческому строительству. Более конкретно, изобретение относится к способам возведения набивных свай и может быть использовано при изготовлении свай в слабых и просадочных грунтах: торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, болотный мергел, глинистые грунты, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков, песчаные, насыпные, плывунные и др.
Известны различные способы возведения столбчатых опор, образования скважин. Например, известен способ возведения столбчатой опоры по авторскому свидетельству СССР №1472570 на изобретение (МПК E02D 5/46, 3/12). Данный способ включает в себя: формирование скважины вращением шнекового снаряда при нагрузке его давлением, подачу рабочего материала через устье скважины под пяту шнекового снаряда в забой скважины и его уплотнение, извлечение шнекового снаряда при его обратном вращении. Также данный способ предусматривает одновременную подачу раствора и его перемешивание с грунтом специальным буром, при этом бурение скважины производят без выемки грунта, а формирование вертикальной полости под ствол опоры производят с одновременным уплотнением цементогрунтовой смеси и разбуренного грунта. Способ возведения столбчатой опоры позволяет повысить производительность работ. Но данный аналог имеет ряд недостатков. Так, способ возведения столбчатой опоры требует специального оборудования. Кроме того, при возведении столбчатой опоры используют жидкий раствор, который не позволяет получить удовлетворительное качество сваи. Особенно данный недостаток проявляется при изготовлении столбчатой опоры в слабых грунтах, поскольку жидкий раствор перемешивается непосредственно с грунтом, следовательно, качество уплотнения цементогрунтовой смеси ухудшается. Известен также способ образования скважин, по авторскому свидетельству СССР №1139800 на изобретение (МПК Е21B 7/30, E02D 5/46). Данный способ включает в себя: формование скважины буровым снарядом при нагрузке его давлением, подачу рабочего материала через устье скважины на внешнюю поверхность бурового снаряда и уплотнение рабочего материала при извлечении бурового снаряда из скважины. В данном способе образования скважин закрепление стенок скважины производят вдавливанием закрепляющего материала в стенки скважины буровым снарядом. Одновременно с вдавливанием закрепляющего материала производят извлечение бурового снаряда из скважины. Характерной особенностью данного способа является то, что он предназначен только для уплотнения стенок скважины специальным буровым снарядом. Т.е. при образовании скважины данным способом не происходит одновременного изготовления сваи. Недостатком данного аналога является то, что способ образования скважин не позволяет закрепить дно скважины. Кроме того, данный способ невозможно использовать при изготовлении свай в слабых грунтах: сухих песчаных, плывунных, насыпных и тому подобных. Кроме того, известен способ для изготовления буронабивной сваи по патенту США №3206936 на изобретение. Данный способ включает в себя: формирование скважины вращением шнекового снаряда при нагрузке его давлением, подачу рабочего материала через устье скважины под пяту шнекового снаряда в забой скважины и его уплотнение давлением, извлечение шнекового снаряда при его обратном вращении. Данный способ изготовления буронабивной сваи применяют для изготовления свай в слабых грунтах (глинистых, песчаных, насыпных, плывунных и др.). Данным способом осуществляется бурение скважины при прямом вращении шнекового снаряда. После чего обеспечивают подачу в скважину жидкого рабочего материала под пяту шнекового снаряда. Данный жидкий рабочий материал подают через канал в стволе шнека под давлением от компрессора. Компрессор для осуществления подачи жидкого материала устанавливают на поверхности. Одновременно с подачей жидкого рабочего материала производят извлечение шнекового снаряда, а также выемку грунта из скважины. Недостатком данного аналога является то, что способ для изготовления буронабивной сваи является очень энергоемким. Кроме того, подачу жидкого рабочего материала осуществляют в слабый грунт. Учитывая, что предварительно не осуществляют уплотнение слабого грунта, могут происходить разнонаправленные разрывы пласта, и жидкий рабочий материал по трещинам и пустотам уйдет в произвольном направлении. Также недостатком способа для изготовления буронабивной сваи является повышенная затрата жидкого рабочего материала при его осуществлении. Вместе с тем известен способ возведения буронабивной сваи по патенту США №3188817 на изобретение. Данный способ включает в себя формирование скважины вращением шнекового снаряда при нагрузке его давлением, подачу рабочего материала через устье скважины под пяту шнекового снаряда в забой скважины, уплотнение рабочего материала пятой шнекового снаряда посредством давления на шнековый снаряд, извлечение шнекового снаряда при его обратном вращении. Как и в предыдущем способе, рабочий материал подают через канал в стволе шнекового снаряда в виде жидкого раствора. Уплотнение же рабочего материала, производят давлением на шнековый снаряд, для чего используют вибратор, связанный с колонной шнекового снаряда. Недостатком данного аналога является то, что способ изготовления буронабивной сваи требует использования специальной подготовки и оборудования. Кроме того, вибрация в слабых грунтах может вызвать расслоение бетонной смеси и разрыв пластов с уходом раствора в произвольном направлении и, как следствие, повышенную затрату жидкого рабочего материала. Наиболее близким по совокупности существующих признаков аналогом к заявленному изобретению (прототипом) является способ возведения буронабивной сваи по патенту РФ №2135691 на изобретение (МПК E02D 5/34). Данный способ включает в себя: формирование скважины при обратном вращении шнекового снаряда для уплотнения ее стенок, подачу рабочего материала при обратном вращении шнекового снаряда по внешней его поверхности, уплотнение рабочего материала при обратном вращении шнекового снаряда, извлечение шнекового снаряда при нагрузке его давлением путем выталкивания шнекового снаряда из скважины уплотненным рабочим материалом. В качестве рабочего материала в данном способе используют гравий, и/или щебень, и/или сухой сыпучий суглинок, и/или бетонный раствор, и/или песок. Но прототип, хотя и является более совершенным способом по сравнению с остальными аналогами, все же обладает определенными недостатками. А именно, способ изготовления буронабивной сваи требует использования специальной подготовки и оборудования. К недостаткам следует отнести: недостаточную прочность формируемой буронабивной сваи вследствие недостаточного уплотнения сухого рабочего материала. Кроме того, недостатком является быстрый износ буровых машин при обратном вращении шнека.
Задача, которую поставил перед собой разработчик нового способа возведения буронабивной сваи, состояла в создании такого способа, который бы позволил повысить качество буронабивной сваи по сравнению с прототипом и другими аналогами. Техническим результатом заявляемого способа является повышение плотности рабочего материала сваи за счет высокочастотных колебаний. Данные колебания получают с помощью вибратора, установленного на колонну шнекового снаряда.
Сущность изобретения состоит в том, что способ возведения буронабивной сваи, включает формирование скважины вращением шнекового снаряда при нагрузке его давлением, уплотнение стенок скважины при обратном вращении шнекового снаряда, с помощью подачи рабочего материала через устье скважины по внешней поверхности шнекового снаряда при обратном вращении, с последующим уплотнением рабочего материала, извлечение шнекового снаряда при нагрузке его давлением, путем выталкивания шнекового снаряда из скважины уплотненным рабочим материалом, перед подачей рабочий материал увлажняют либо высушивают до влажности 27-32%, доводя его консистенцию до мягкопластичной, числом пластичности Ip=0,17-0,22, а при обратном вращении шнекового снаряда включают режим вибрации, при этом частота вибрации составляет 1500 колебаний/мин, с вынуждающей силой 0,63-1,25 кН. При возведении сваи используют шнековые снаряды диаметром от 100 мм до 300 мм, со скоростью вращения 0,5-5 оборотов/сек, а нагрузку от 100 кг до 8 тонн. В качестве рабочего материала используют выбуренный грунт, либо привезенный суглинок, либо выбуренный грунт с добавлением цемента, причем содержание цемента в готовом рабочем материале составляет от 10% до 30%.
Доказательства возможности осуществления заявляемого способа возведения буронабивной сваи наглядно приводятся ниже на конкретном примере.
Изобретение поясняется графически, где:
на фиг. 1 - схематически изображен процесс формирования скважины прямым вращением шнекового снаряда, т.е. по часовой стрелке при нагрузке его давлением;
на фиг. 2 - схематически изображен способ уплотнения стенок скважины при обратном вращении шнекового снаряда, т.е. против часовой стрелки, а также подача рабочего материала через устье скважины по внешней поверхности шнекового снаряда при обратном вращении;
на фиг. 3 - схематически изображен способ уплотнения рабочего материала с включенным режимом вибрации;
на фиг. 4 - схематически изображено извлечение шнекового снаряда при нагрузке его давлением путем выталкивания шнекового снаряда из скважины уплотненным рабочим материалом;
на фиг. 5 - схематически показан процесс формирования буронабивной сваи, заявляемым способом;
на фиг. 6 - схематически показан процесс усиления грунтов заявленным способом под основанием фундаментов уже построенных зданий;
на фиг. 7 - схематически показан процесс уплотнения грунтов заявленным способом под основанием фундамента с фундаментной плиты.
1
1
2
2
2
2
2
1
2
3
Заявляемый способ возведения буронабивной сваи состоит в следующем. Вначале электродвигателем 1 через редуктор 2 передают вращение валу 3 шнекового снаряда 4. По валу 3 вращение передают на шнековый снаряд 4. Далее прямым вращением шнекового снаряда 4 при нагрузке его давлением P формируют скважину 5. Таким образом, бурение скважины 5 осуществляют посредством вращения шнекового снаряда 4 вращателем 6 в направлении по часовой стрелке. Одновременно с формированием скважины 5 происходит уплотнение ее стенок. Перемещение вращателя 6 вниз производят за счет перемещения каретки 7 вращателя 6 по направляющим полозьям 8 мачты 9 собственно буровой установки (на чертежах не показана). Перемещение вращателя 6 вниз производят за счет действия цепного привода 10 механизма 11. Механизм 11 передает силу P через две направляющие звездочки 12 на каретку 7 вращателя 6, жестко связанного с кареткой 7. Направляющие звездочки 12 расположены внизу и вверху мачты 9. При этом шнековым снарядом 4 выбуренный грунт поднимают на поверхность. Затем включают режим обратного вращения шнекового снаряда 4 для уплотнения стенок скважины 5. Таким образом, в результате указанных действий формируют уплотненную зону 13. Затем осуществляют подачу рабочего материала 14. Рабочий материал 14 подают через устье 15 скважины 5 под пяту 16 шнекового снаряда 4 в забой 17 скважины 5. Перед подачей рабочий материал 14 увлажняют либо высушивают до влажности 27-32%, доводя его консистенцию до мягкопластичной. Как показали экспериментальные исследования, наиболее оптимальной является мягкопластичность числом пластичности Iр=0,17-0,22. Подачу рабочего материала 14 производят при обратном вращении шнекового снаряда 4 по его внешней поверхности. В качестве рабочего материала 14 могут быть использованы: глинистый, сыпучий грунт, песчано-гравийная смесь, жесткий бетонный раствор, выбуренный грунт с добавлением цемента. Если в качестве рабочего материала 14 используют выбуренный грунт с добавлением цемента, то содержание цемента в готовом рабочем материале составляет от 10% до 30%. Поскольку подаваемый рабочий материал 14 является жесткой и однородной массой, то расслоения смеси или образования микроразрывов грунта, а также ухода рабочего материала 14 по микротрещинам происходить не будет. Под действием винтовой подачи шнековым снарядом 4 рабочий материал 14 перемещают к забою 17 скважины 5. Шнековый снаряд 4 в этом случае работает по принципу винтового пресса и начинает втрамбовывать рабочий материал 14 в стенки ствола скважины 5. При этом возникает сила Р, стремящаяся вытолкнуть шнековый снаряд 4 вверх. Шнековый снаряд 4 жестко связан через цепной привод 18 с мачтой 9 буровой установки (на чертежах не показана) и станиной 19. На станине 19 установлен пригруз 20. Следовательно, выталкивание шнекового снаряда 4 не произойдет, пока сила Р не превысит массу буровой установки, на чертежах не показана, с установленным пригрузом 20. Между станиной 19 и кареткой 7 вращателя 6 закреплен динамометр 21. Когда сила Р превысит расчетную силу, показываемую динамометром 21, включают вибратор 22. Вибратор 22 жестко установлен на подвижной каретке 7. Он передает высокочастотные колебания через шнековый снаряд 4 к забою 17 скважины 5. В результате чего тиксотропность рабочего материала 14 и стенок ствола скважины 5 вокруг забоя 17 скважины 16 увеличивается, образуя спресованную область 23. Под тиксотропностью в данном случае, понимается способность субстанции уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя. Результатом действия силы Р и вибрации является увеличение плотности рабочего материала 14 и околоскважинного пространства 24. Следствием роста плотности и спрессовывания рабочего материала 14 в районе забоя 17 скважины 5 является уменьшение действия силы Р. После этого осуществляют подъем вращателя 6 на заданную высоту и цикл формирования грунтовой сваи повторяют. Количество циклов зависит от расчетной глубины сваи. Таким образом, на рабочий материал 14 осуществляют ритмичную передачу высокочастотных колебаний, передаваемых шнековому снаряду 4 вибратором 22, установленным на колонну шнекового снаряда 4. Частота передаваемых шнековому снаряду 4 колебаний составляет 1500 колебаний/мин, с вынуждающей силой 0,63-1,25 кН. Для формирования буронабивной сваи рассматриваемым способом используют вибратор площадочный ИВ-127Э, с мощностью 0,12 кВт, вес вибратора 12 кг. Он представляет собой асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, с установленными на концах вала дебалансами. Конструкция корпуса вибратора обеспечивает виброустойчивость статорной обмотки и механическую прочность вала ротора, подшипникового узла и корпусных деталей. При обратном вращении шнекового снаряда 4 происходит оттеснение окружающего слабого грунта под пятой 16 шнекового снаряда 4. Затем, посредством давления на шнековый снаряд 4, осуществляют уплотнение рабочего материала 14 пятой 16 шнекового снаряда 4. Уплотнение производят за счет применения стандартных буровых установок, например: УГБ-50, УРБ-2А-2, ЛБУ-50, машина вибро-грунто-свайная МВГС 20/40 и других, обеспечивающих обратное вращение шнекового снаряда 4 с давлением P. Вибрацию через шнековый снаряд 4 передают к забою 17 скважины 5, вследствие чего увеличивается тиксотропность рабочего материала 14 и околоскважинного пространства 24 скважины 5. С помощью вибрации шнекового снаряда 4, совместно с обратным вращением, сначала образовывают под пятой 16 уплотненное «ядро» с диаметром, превышающим в несколько раз диаметр шнекового снаряда 4, а затем выталкивают вверх нагруженный шнековый снаряд 4. Таким образом, извлечение шнекового снаряда 4 при его обратном вращении производят путем выталкивания шнекового снаряда 4 из скважины 5 уплотненным рабочим материалом 14. При данной операции извлечения шнекового снаряда 4 в скважине 5 последовательно формируют снизу вверх буронабивную прессованную сваю 23. Сваю возводят из жесткого рабочего материала 14 с уплотнением грунта в околоскважинном пространстве 24. Когда пята 16 шнекового снаряда 4 появляется на поверхности, возведение сваи 25 заканчивают. Заявляемым способом возведения буронабивной сваи 25 также осуществляют усиление грунтов под фундаментами уже построенных зданий. Свайногрунтовую буровую установку (на чертеже не показана) устанавливают непосредственно у стены усиливаемого здания 26 и крепят винтовыми анкерами 27. Бурят скважину 5 посредством прямого вращения шнекового снаряда 4. При достижении расчетной глубины включают обратное вращение шнекового снаряда 4 с подачей рабочего материала 14 в устье скважины 5. Затем включают вибратор 22. Под действием возникающей, при обратном вращении силы Р и вибрации, производят уплотнение рабочего материала 14. Тем самым плотность грунтов основания увеличивается до 1,65 г/см и несущая способность грунтов увеличивается. Уплотнение рабочего материала 14 осуществляют до одной высотной привязки с основанием фундамента 28. Аналогичным способом осуществляют уплотнение грунтов оснований фундаментов 28 с фундаментной плиты 29. При устройстве фундаментной плиты 28 в ней оставляют закладные трубки 30 с диаметром, превышающим на несколько сантиметров диаметр шнекового снаряда 4. Этот способ позволяет сократить время строительства, так как работы по уплотнению грунтов ведут после изготовления фундаментой плиты 29 параллельно с основной стройкой.
В заявляемом способе возведения буронабивной сваи используют более широкий арсенал буровой техники. Так, известные способы для формирования буронабивной сваи используют шнековые снаряды диаметром 200-300 мм со скоростью вращения 0,5-5 оборотов/сек. Рассматриваемый способ позволяет формировать буронабивную сваю, используя шнековые снаряды диаметром от 100 мм до 300 мм, со скоростью вращения 0,5-5 оборотов/сек. Известные аналоги позволяют получить сваи диаметром 800 мм-900 мм и глубиной до 15 метров. Рассматриваемый способ позволяет получить сваи диаметром от 300 мм до 1 200 мм и глубиной от 2 до 20 метров. Кроме того, для формирования буронабивной сваи известными способами используется нагрузка от 6 до 8 тонн. В рассматриваемом способе используют нагрузку от 100 кг до 8 тонн. Применение заявляемого способа для формирования буронабивной сваи в области строительства позволит обеспечивать по сравнению с известными способами более высокую степень уплотнения рабочего материала при меньшем крутящем моменте редуктора буровой машины, т.е. при наименьших затратах энергии. Указанный способ позволяет формировать буронабивные сваи в слабых, обводненных, в том числе плывунных грунтах, с более высокой несущей способностью буронабивной сваи, при меньших затратах энергии. Также способ возведения буронабивной сваи позволяет обеспечивать усиление оснований фундаментов под построенными объектами.