Инъекционная свая и способ ее устройства
INJECTION PILE AND THE METHOD FOR ITS INSTALLATION

Изобретение относится к строительству, в частности к способам возведения свайных оснований и фундаментов в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве как при строительстве новых зданий и сооружений, так и при реконструкции существующих.
Способ и устройство винтовых свай телескопического типа с выдвижной инъекционной штангой применяются для цементации грунта с целью формирования опорного ядра в слабонесущих грунтах.
Существуют различные способы устройства инъекционных свай и их конструкций.
Известен способ устройства буро-инъекционной сваи, осуществляемый без извлечения грунта (заявка РФ №2000117934/03, МПК E02D 5/34, E02D 5/44) уплотнение грунта, при котором, выполняется ударным наконечником, обеспечивающим уплотнение только в основании скважины. Способы возведения набивной сваи (патенты РФ на изобретения №1280084, МПК E02D 5/34, опублик. 30.12.1986 и №1656928, МПК E02D 5/34, опублик. 15.12.1993), в которых уплотнение выполняется вдавливанием трубы с кольцевым уширителем, с одновременным заполнением кольцевого пространства бетонной смесью или песком после извлечения трубы. Данный способ имеет следующие недостатки: отсутствие уплотнения грунта от расширения ствола, формирование сваи присходит с внутренними включениями грунта, что не обеспечивает высокую несущую способность по грунту и материалу, особенно для горизонтальных нагрузок.
Известен способ возведения инъекционной сваи с применением обсадных труб (патент РФ на изобретение №2263745, МПК E02D 5/34, E02D 5/46, опублик. 10.11.2005), в котором выполняется поэтапное, по длине, инъектирование твердеющим раствором снизу вверх, подъем обсадной трубы и инъекторной штанги или оставления последней в качестве элемента армирования в теле сваи. Недостатком известного способа является то, что трудно извлечь обсадную трубу после нагнетания раствора, а также невозможно использовать в стесненных условиях из-за применения габаритной техники и оборудования.
Известен способ устройства скважины без извлечения грунта (патент РФ на изобретение №2238366, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 7/26, опублик. 20.10.2004), в котором выполняется вдавливание инъекторной трубы с наконечником, состоящим из диска, диаметр которого превышает диаметр инъекторной штанги и имеющего режущие пластины, от действия которых образуются пазы для расширения зоны инъектирования. В отличие от предлагаемого способа, инъектирование в известном способе проводится с формированием ствола из грунтобетона на всю высоту сваи. Известный патент имеет следующие недостатки: недостаточная прочность свай по материалу, так как они состоят из грунто-бетона на всю высоту сваи, что недопустимо для восприятия горизонтальных нагрузок в верхней зоне, отсутствие защиты от возможного оплывания стенок скважины, низкая технологичность, так как затрачивается большое время на послойное формирование ствола, существует потребность в габаритной технике, сложность использования в стесненных условиях.
Способ по патенту РФ на изобретение №2550620 (МПК E02D 5/34, опублик. 10.05.2015), является наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и, соответственно, принят за прототип. По этому способу устройство скважины производят без извлечения грунта путем вдавливания в грунт перфорированной инъекторной трубы с закрепленным снизу конусным наконечником, состоящим из диска, диаметр которого превышает диаметр инъекторной трубы, и режущих пластин. В инъекторную трубу нагнетают под давлением твердеющий раствор, заполняя устроенную скважину, устье скважины тампонируют, а по достижению конусного наконечника проектной отметки и окончанию инъектирования инъекторную трубу с конусным наконечником оставляют в скважине. В грунт вдавливают инъекторную трубу с перфорированной нижней частью, нагнетание твердеющего раствора производят одновременно с вдавливанием инъекторной трубы, причем поэтапно сверху вниз по мере погружения нижней перфорированной части инъекторной трубы в процессе вдавливания. Устье скважины тампонируют перед нагнетанием твердеющего раствора сразу после вдавливания в грунт конусного наконечника инъекторной трубы. На первом этапе дополнительно обеспечивают защиту от выхода наружу нагнетаемого твердеющего раствора, например, с помощью кожуха, надетого на перфорированную часть инъекторной трубы и установленного над тампонирующим устройством, а после погружения на первом этапе перфорированной части инъекторной трубы в грунт и заполнения скважины твердеющим раствором на высоту зоны перфорации дополнительно проводят расширение полученного ствола сваи путем дополнительного нагнетания под давлением твердеющего раствора. Затем инъекторную трубу вновь вдавливают на высоту зоны перфорации с одновременным нагнетанием твердеющего раствора и последующим дополнительным расширением полученного ствола сваи. Затем операции по формированию ствола сваи на каждом последующем этапе погружения инъекторной трубы на высоту зоны перфорации повторяют вновь в той же последовательности до достижения конусного наконечника проектной отметки.
Известный патент имеет те же недостатки, что и предыдущие приведенные технические решения, а именно, требует использование габаритной техники, поэтому его нельзя применять в стесненных условиях, отсутствует защита от возможного оплывания стенок скважины, низкая технологичность, так как затрачивается большое время на послойное формирование ствола.
Предлагаемое решение отличается, от опубликованных ранее, использованием выдвижной части сваи телескопического типа в качестве инъекционной, с разработкой необходимого конструктивного решения. Создание системы восприятия нагрузки, с опиранием на ядро укрепленного инъектированием грунта, в совокупности с восприятием нагрузки боковыми поверхностями сваи-оболочки, за счет уплотнения грунта при погружении завинчиванием, выделяет предлагаемое решение от известных способов, запатентованных ранее.
Таким образом, техническая проблема в рассматриваемой области заключается в низкой несущей способности винтовой сваи в слабых грунтах, а также в невозможности формирования опорного ядра за счет уплотнения грунта. Предлагаемое техническое решение позволяет решать существующую техническую проблему путем повышения несущей способности сваи в слабых грунтах технологичным способом, без необходимости проведения дополнительных операций. Под дополнительными операциями понимается: бурение, укрепление стенок скважины, использование обсадных труб, армирование, применение тяжелой, дорогостоящей техники и оборудования. Благодаря предлагаемому техническому решению, формируется опорное ядро из грунтобетона, увеличенного по объему сечения, окруженного слоем усиленного посредством тампонирования грунта под опорным конусом винтовой сваи (сваи-оболочки), заполненной бетоном.
Технический результат заключается в улучшении технических характеристик предлагаемого решения, а именно, в повышении несущей способности сваи в слабых грунтах, за счет формировании опорного ядра из грунтобетона, увеличенного по объему сечения, окруженного слоем усиленного посредством тампонирования грунта, и создания усиленной конструкции самой сваи.
Достигается технический результат тем, что в инъекционной свае, включающей полую перфорированную инъекционную трубу с конусным наконечником на конце и режущими элементами, согласно изобретению, инъекционная труба помещена внутрь сваи-оболочки с конусным уплотнителем на нижнем конце и кондуктором, представляющим из себя направляющую втулку для центрирования выдвижной части трубы при погружении, причем конусный уплотнитель устроен в месте перехода от диаметра втулки кондуктора к диаметру ствола сваи-оболочки, в качестве режущих элементов наконечника используют винтовые лопасти или многошаговую спираль, над наконечником инъекционной трубы имеется расширитель, выполненный в виде гильзы, надетой на трубу, с измельчительными ножами в качестве режущих элементов, размещенными на конце гильзы по ее окружности, при этом свая-оболочка оснащена также винтовыми лопастями того же шага, что и лопасть инъекционной трубы.
Дополнительные отличия предлагаемого изобретения:
- свая-оболочка выполнена из металла;
- свая-оболочка выполнена из полимерного материала;
- винтовые лопасти имеют 1,5-2 шага винта;
- наконечник выполнен литым или сварным;
- перфорация на инъекционной трубе выполнена только на нижней выдвигаемой части;
- измельчительные ножи имеют прямоугольную или трапецеидальную форму;
- кондуктор соединен сваркой посредством радиальных пластин со стволом сваи-оболочки, выполненной из металла;
- кондуктор соединен клеевым соединением со сваей-оболочкой, выполненной из полимерного материала.
Технический результат также достигается за счет того, что в способе устройства инъекционной сваи, описанной выше, включающем погружение сваи без извлечения грунта путем вдавливания наконечника и инъектирования твердеющего закрепляющего раствора через инъекционную трубу, согласно изобретению, на первом этапе осуществляют одновременное погружение методом завинчивания сборочного комплекта, состоящего из инъекционной трубы и скрепленной с ней сваи-оболочки до проектной отметки размещения нижнего конца сваи-оболочки, затем разъединяют инъекционную трубу и сваю-оболочку, и ввинчивают инъекционную трубу до проектной отметки размещения ее острия, осуществляют нагнетание раствора через ствол инъекционной трубы в пустоты разрыхленного грунта, расположенного ниже уплотнительного конуса сваи-оболочки, до появления отказа в поглощении раствора, а после окончания процесса инъектирования свая-оболочка не извлекается, а заполняется бетоном и остается в грунте, в качестве сваи с уширенной пятой, при этом инъекционная труба остается в теле винтовой сваи в качестве элемента армирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим графическим материалом, представленным фигурами:
фиг. 1, на которой представлено погружение сборочного комплекта до проектной отметки нижнего края сваи-оболочки, где 1 - инъекционная труба; 2 - свая-оболочка; 3 - наконечник инъекционной трубы; 4 - расширитель с измельчительными ножами; 5 - кондуктор сваи-оболочки; 6 - проектная отметка нижнего конца сваи-оболочки; 7 - отверстие для соединения с седлом редуктора; 8 - соединение сваи-оболочки и инъекционной трубы; 9 - не несущий насыпной грунт; 10 - слабонесущий грунт;
фиг. 2, на которой представлено погружение инъекционной трубы, где: 11 - проектная отметка острия выдвижной инъекционной трубы; 12 - перфорированная часть инъекционной трубы;
фиг. 3, на которой представлено инъектирование грунта (3 этап «Заполнение тела сваи бетоном»), где: 13 - след лопасти (спирали) выдвижной сваи; 14 - зона грунта с улучшенными характеристиками; 15 - ядро из грунтобетона, уплотненного избыточным давлением; 16 - бетон, пескобетон;
фиг. 4, на которой представлена инъекционная труба с литым наконечником лопастного типа;
фиг. 5, на которой представлена инъекционная труба со сварным наконечником спирального типа;
фиг. 6, на которой представлена инъекционная труба со сварным наконечником лопастного типа и конусными разрыхлителем, где 17 - измельчительные ножи.
В инъекционной свае, включающей полую перфорированную инъекционную трубу 1 с конусным наконечником 3 на конце и режущими элементами, инъекционная труба помещена внутрь сваи-оболочки 2, в качестве режущих элементов наконечника 3 используют винтовые лопасти и ножи измельчителя 17, нижний конец сваи-оболочки 2 имеет конусную форму и оснащен кондуктором 5, представляющим из себя направляющую втулку для центрирования выдвижной части трубы при погружении, над наконечником 3 инъекционной трубы имеется расширитель 4, выполненный в виде гильзы, надетой на трубу, с измельчительными ножами 17, размещенными по окружности трубы, при этом свая-оболочка 2 оснащена также винтовыми лопастями. Свая-оболочка 2 выполнена из металла или полимерного материала. Винтовые лопасти выполнены с шагом 1,5-2 шага винта или в виде многошаговой спирали. Винтовые лопасти используются для создания осевого усилия для преодоления реактивного отпора грунта при погружении сваи и в совокупности с измельчительными ножами, размещенными над наконечником инъекционной трубы на конце расширителя также являются режущими элементами. Наконечник 3 выполнен литым или сварным с винтовыми или спиральными лопастями. Перфорация на инъекционной трубе выполнена только на нижней выдвигаемой части. Измельчительные ножи 17 могут иметь прямоугольную или трапецеидальную форму.
В способе устройства инъекционной сваи, включающем погружение сваи без извлечения грунта путем вдавливания наконечника 3 и инъектирование твердеющего закрепляющего раствора через инъекционную трубу, на первом этапе осуществляют одновременное погружение методом завинчивания сборочного комплекта, состоящего из инъекционной трубы и скрепленной с ней сваи-оболочки 2 до проектной отметки 6 размещения нижнего опорного конца сваи-оболочки 2, затем разъединяют инъекторную трубу и сваю-оболочку 2, и ввинчивают инъекционную трубу до проектной отметки 11 размещения ее острия, осуществляют нагнетание раствора через ствол инъекционной трубы в пустоты разрыхленного грунта ниже опорного конуса сваи-оболочки 2 до появления отказа в поглощении раствора, а после окончания процесса инъектирования, свая-оболочка не извлекается, а заполняется бетоном и остается в грунте, в качестве сваи с уширенной пятой, инъекционная труба остается в теле винтовой сваи в качестве элемента армирования.
Винтовой наконечник 3 имеет больший диаметр, чем диаметр перфорированной инъекционной трубы, что позволяет создать расширительную камеру для принятия тампонажного раствора и создания зоны избыточного давления для нагнетания инъекционной смеси в грунт. После заполнения расширительной камеры и пустот в зоне нагнетания инъекционной смеси тампонажным раствором, выполняется расширение ядра путем дополнительного нагнетания твердеющего раствора под давлением. Нагнетание раствора в пустоты грунта продолжается до появления отказа в поглощении раствора (снижения расхода раствора до 5-10 л/мин при избыточном давлении 0,1-0,5 МПа). Нагнетаемая под давлением смесь заполняет все свободное пространство в грунте, измельченном ножами, которое образуется в узле стыковки наконечника 3 с инъекционной трубой, а также след 13 от лопастей (спирали), образовывая при схватывании ядро 15 из грунтобетона повышенной плотности, окруженное зоной усиленного при тампонировании грунта. Для предотвращения «ухода» инъекционной смеси при тампонировании и нагнетании в полость основной сваи, роль защиты, в качестве кожуха, выполняет труба кондуктора 5, устроенного в конусе острия основной сваи, или выполняется опережающее заполнение полости основной сваи бетоном. По завершению бетонирования ствола основной сваи, перфорированная инъекционная труба остается в теле сваи в качестве элемента армирования.
Укрепление методом цементации выполняется для дисперсных, крупно-обломочных и крупно- и среднезернистых песков с коэффициентом фильтрации - 50…100 м/сут.
Грунты преимущественно мелкозернистые и пылеватые пески, супеси, с коэффициентом фильтрации - 0,3 и выше м/сут укрепляются нагнетанием растворами основе тонкодисперсных цементов с пластификатором или выполнением силикатизации грунта.
Грунты связные - суглинки и глины, с коэффициентом фильтрации - 0,3 и выше м/сут., укрепляются нагнетанием цементно-глинистых растворов.
Перед началом погружения инъекционная труба 1 винтовой сваи соединяется со сваей-оболочкой 2 в сборочный комплект, закрепляется в седле редуктора привода механизма закручивания, и устанавливается вертикально в проектном положении. Погружение сборочного комплекта на данном этапе осуществляется посредством лопастей (спиралей) обеих свай, при этом происходит уплотнение грунта по боковым поверхностям сваи-оболочки 2. Совместное погружение осуществляется до проектной отметки 6 размещения нижнего конца сваи-оболочки.
На данном этапе сваи (см. фиг. 2) разъединяются, и производится до опускание внутренней инъекционной трубы, посредством винта лопасти (спирали) наконечника 3 до проектной отметки 11 острия трубы. При этом, происходит образование скважины большего, чем диаметр перфорированной части 12 инъекционной трубы 1, а также разрыхление грунта ножами 17, устроенными на стыке винтового наконечника 3 с расширителем 4. В результате опускания, образуется камера с разрыхленным грунтом, подготовленная для заполнения тампонажным раствором, в которую заходит выдвинутая из кондуктора перфорированная часть 12 инъекционной трубы 1.
После заполнения расширительной камеры (см. фиг. 3) и пустот в зоне нагнетания инъекционной смеси тампонажным раствором, выполняется расширение ядра путем дополнительного нагнетания твердеющего раствора под давлением.
Нагнетание раствора в пустоты грунта продолжается до появления отказа в поглощении раствора (снижения расхода раствора до 5-10 л/мин при избыточном давлении 0,1-0,5 МПа). Нагнетаемая под давлением смесь заполняет все свободное пространство в грунте, измельченном ножами измельчителя, устроенного в узле стыковки наконечника 3 с перфорированной частью 12 трубы 1, а также след 13 от лопастей (спирали). При этом, после схватывания, образуется ядро 15 из грунтобетона повышенной плотности, окруженное зоной усиленного при тампонировании грунта. Для предотвращения «ухода» инъекционной смеси при тампонировании и нагнетании в полость основной сваи, роль защиты, в качестве кожуха, выполняет труба кондуктора 5, устроенного в конусе острия сваи-оболочки, или выполняется опережающее заполнение полости основной сваи бетоном. По завершению бетонирования ствола сваи-оболочки, инъекционная труба 1 остается в теле сваи в качестве элемента армирования, что обеспечивает возможность устройства 2-уровнего оголовка и жесткого соединения сваи с ростверком.
Таким образом, благодаря предлагаемому техническому решению повышается несущая способность сваи в слабых грунтах за счет формирования опорного ядра из грунтобетона, увеличенного по объему сечения и окруженного усиленным посредством тампонирования грунтом, а также за счет предложенной конструкции сваи.