СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ БУРОВОЙ СВАИ
METHOD TO ERECT BORED PILE

Изобретение относится к области строительства, а именно к технологии изготовления буровых железобетонных свай при сооружении оснований и фундаментов.
Известен способ изготовления набивных армированных свай, когда арматурный каркас погружают в грунт перед образованием скважины, а скважину вытрамбовывают внутри арматурного каркаса (а.с. СССР №1677180, E02D 5/34, 15.09.1991 г.).
В сваях, изготовленных таким способом, отсутствует защитный слой бетона и арматура контактирует с грунтом, поэтому и не контролируется сплошность ствола сваи, что снижает ее долговечность.
Известен способ изготовления свай в предварительно продавленной скважине, согласно которому арматурный каркас погружают в свежеуложенный бетон с помощью вибратора (патент RU №2231596, E02D 5/34, 27.06.2004 г.).
Грунт, вмещающий скважину, сформированную путем продавливания, стремится вернуться в исходное состояние, пока скважину заполняют бетонной смесью. При погружении арматурного каркаса в свежеуложенный бетон вибратором невозможно исключить, что в некоторых местах арматурный каркас может соприкасаться с грунтом в зоне образовавшихся пережимов, т.к. в слабоустойчивых и малопрочных грунтах, прочностные свойства которых мало отличаются от прочности свежеуложенного бетона, невозможно отличить, в какую среду погружается арматурный каркас - в свежеуложенный бетон или в малопрочный грунт.
В сваях, изготовленных таким способом, в процессе их изготовления невозможно контролировать сплошность ствола сваи, что негативно отражается на ее долговечности.
Известен способ образования буронабивной сваи, включающий внедрение непрерывного полого шнека в грунт на проектную глубину с последующим его извлечением и одновременной подачей через полость шнека бетонной смеси под концевую часть шнека. После извлечения шнека из скважины осуществляют вибропогружение в бетонную смесь объемного арматурного каркаса, изготовленного в виде параллельно расположенных продольных арматурных стержней, объединенных поперечными связями, при этом стенки скважины поддерживаются от обрушения и пережимов лопастями шнека и грунтом, находящимся на лопастях, а под шнеком стенки скважины поддерживаются бетонной смесью, которую одновременно подают через полость шнека под его концевую часть (заявка Японии N 63-51208, E02D 5/34, 1988 г.).
При вибропогружении арматурного каркаса возможно его отклонение и погружение в грунт с образованием зоны пережима скважины. В сваях, изготовленных таким способом, не контролируется сплошность ствола сваи, что негативно отражается на ее долговечности.
Наиболее близким техническим решением является способ образования буронабивной сваи методом непрерывного полого шнека (НПШ) (за рубежом - CFA), который включает внедрение непрерывного полого шнека в грунт, преимущественно путем ввинчивания на проектную глубину, последующее извлечение шнека с одновременной подачей через его полость бетонной смеси под концевую часть шнека. При этом обеспечивают давление смеси не менее 1,5 атм. После извлечения шнека из скважины в бетонную смесь погружают жесткий объемный арматурный каркас в виде параллельно расположенных продольных арматурных стержней, объединенных поперечными связями (RU №2127345, МКП E02D5/36, 1999 г.).
При устройстве буровых свай по этому методу используют бетонные смеси с осадкой конуса 20-22 см, имеющие фракцию крупного заполнителя до 20 мм. Погружение арматурного каркаса в такие бетонные смеси возможно только с помощью достаточно мощных вибропогружателей, поставляемых комплектно с буровыми установками для устройства свай методом CFA. Для погружения арматурного каркаса в бетонную смесь его изготавливают достаточно жестким: параллельно расположенные продольные арматурные стержни объединяют поперечными связями, выполненными в виде кольцевых отрезков трубы, расположенных по оси каркаса на расстоянии друг от друга, не превышающем тридцати среднеарифметических длин кольцевых отрезков. Продольные арматурные стержни приваривают с внешней стороны кольцевых отрезков трубы, а концы арматурных стержней в нижней части каркаса отгибают под острым, преимущественно 15-30°, углом к его продольной оси, то есть каркас заострен для снижения вероятности его погружения мощным вибратором в грунт стенок скважины.
При погружении жесткого арматурного каркаса в свежеуложенную бетонную смесь вибратором невозможно обнаружить, что в некоторых местах каркас пройдет сквозь пережимы, которые часто образуются в теле сваи при подъеме шнека в зоне слабоустойчивых грунтов, особенно на глубинах, где бытовое давление значительно превышает указанное давление закачиваемой бетонной смеси. Часто это происходит на участках ствола сваи, где скважина пересекает пласты слабоустойчивых и малопрочных грунтов, прочностные свойства которых мало отличаются от свойств свежеуложенной бетонной смеси, и оператор вибратора (вибропогружателя) не может определить, в какую среду погружается арматурный каркас - в свежеуложенный бетон или в малопрочный грунт. Погрузить же арматурный каркас без вибропогружателя в свежеуложенную бетонную смесь, содержащую щебень размером до 20 мм, невозможно. В сваях, изготовленных таким способом, в процессе их изготовления не контролируется сплошность ствола, что негативно отражается на долговечности сваи.
Таким образом, известные методы не позволяют сколько-нибудь достоверно установить наличие пережимов ствола сваи грунтом, и тем более, уменьшение величины защитного слоя бетона. Кроме того, при устройстве сваи методом непрерывного шнека все известные способы проверки сплошности ствола свай выполняют на стадии, когда бетон в сваях набрал прочность и исправление брака весьма трудоемко.
Задачей настоящего изобретения является исключение возможности контакта арматурного каркаса с грунтом основания путем обеспечения оперативного контроля сплошности ствола буровой сваи, контроля отсутствия в скважине пережимов, а следовательно, обеспечение надежности и долговечности сваи.
Достигается это тем, что в способе сооружения формируемой в грунте буровой железобетонной сваи, включающем образование скважины, заполнение ее твердеющей, предпочтительно бетонной смесью и погружение арматурного каркаса, контролируют, чтобы объем закачанной в скважину твердеющей смеси превышал объем извлеченного из скважины грунта, устанавливают, предпочтительно путем вывешивания над заполненной бетонной смесью скважиной, арматурный каркас или отдельную его секцию, с установленными фиксаторами защитного слоя бетона, совмещают продольную ось арматурного каркаса с продольной осью скважины, погружают каркас или секцию под собственным весом при поворотном или при возвратно-поворотном движении каркаса или секции вокруг его продольной оси. При этом для контроля сплошности ствола всей сваи погружают до нижнего конца сваи арматурный каркас или его секцию, выполненный с габаритными размерами скважины в нижней части каркаса или его секции. А при посекционном погружении арматурного каркаса каждую очередную секцию временно вывешивают над скважиной, совмещают продольные стержни верхней и нижней секций, совмещают продольную ось очередной секции с продольной осью скважины, осуществляют стыковку верхней и нижней секций арматурного каркаса, погружают каркас на длину или на большую часть длины очередной секции.
При необходимости, нижние секции арматурных каркасов перед погружением охлаждают. А при несанкционированном стопорении погружения каркаса или его секции, его извлекают, в скважину погружают заливочную колонну и прокачивают скважину новой бетонной смесью, после чего повторяют погружение арматурного каркаса. Или при несанкционированном стопорении погружения каркаса или его секции за счет образовавшегося пережима каркас или его секцию извлекают, в скважину в зону стопорения погружают электродную систему и обрабатывают серией электрических разрядов, добавляя бетонную смесь, затем погружают заливочную колонну и прокачивают скважину новой бетонной смесью, после чего повторяют погружение арматурного каркаса или его секции. В качестве твердеющей смеси используют цементный раствор или пластичную мелкозернистую бетонную смесь, подвижностью П4…П5, которая может содержать крупный заполнитель фракции до 10 мм. При этом в случаях, когда арматурный каркас, в процессе повторного погружения, например, после дополнительной проработки скважины, не погружается свободно, то погруженные части арматурного каркаса извлекают, и скважину перебуривают сразу или после набора бетоном минимальной прочности, обеспечивающей устойчивость стенок скважины, после перебуривания скважины повторяют операции погружения арматурного каркаса под собственным весом. Кроме того, перед погружением арматурного каркаса в устье скважины устанавливают кондуктор.
Основным критерием устойчивости стенок скважины и, соответственно, сплошности ствола формируемой сваи на глубину армирования является свободное, под собственным весом, погружение арматурного каркаса в скважину, заполненную бетонной смесью, при этом вращательные или вращательно-возвратные движения каркаса вокруг продольной оси каркаса, снабженного центраторами, фиксирующими минимальную величину защитного слоя бетона для рабочей арматуры, позволяют контролировать отсутствие пережимов по периметру ствола сваи. По результатам характера погружения каркаса судят о целостности стенок скважины и обеспечении сплошности ствола сваи до глубины свободно погруженного в скважину каркаса.
При использовании в качестве фиксаторов бетонных (железобетонных) элементов или элементов из других материалов, способных поглощать воду из бетонной смеси и образовывать вокруг себя сгустки обезвоженного бетона, создающих поршневой эффект при погружении в скважину каркаса, водопоглощающие центраторы заблаговременно увлажняют.
При устройстве буровых свай в условиях жаркого сухого климата нижние секции арматурного каркаса заблаговременно охлаждают, например, путем смачивания водой.
Для контроля сплошности ствола длинной сваи арматурный каркас погружают до нижнего конца сваи на всю длину, при этом нижняя часть каркаса имеет конструктивное исполнение, для контроля сечения скважины.
При наличии пережимов в скважине арматурный каркас не погружается под собственным весом, в этом случае каркас извлекают, выполняют дополнительную промывку скважины бетонной смесью, погрузив заливочную колонну до забоя скважины, промывают скважину до прекращения всплытия и выхода из устья скважины комков грунта, подъем заливочной колонны осуществляют с продолжением подачи бетонной смеси в скважину в объеме не менее объема извлекаемой колонны, так чтобы горизонт бетонной смеси в устье скважины не понижался, а после извлечения заливочной колонны повторяют операции по погружению каркаса под собственным весом.
В случаях, если арматурный каркас после дополнительной промывки не погружается свободно, как описано выше, то погруженные части арматурного каркаса извлекают, в скважину погружают электроды до первого сверху пережима, на электроды подают импульсы тока высокого напряжения (осуществляют электрические разряды - электровзрывы), одновременно погружая и поднимая электродную систему, уплотняют грунт электровзрывами, восстанавливают стенки скважины по всей глубине скважины, при этом о сплошности ствола формируемой сваи судят по свободному погружению арматурного каркаса до проектной отметки.
В случаях, если арматурный каркас после дополнительной проработки скважины не погружается свободно, как описано в первом случае, то погруженные части арматурного каркаса извлекают, и скважину перебуривают сразу или после набора бетоном минимальной прочности, обеспечивающей устойчивость стенок скважины в конкретных грунтовых условиях. После перебуривания скважины повторяют операции погружения арматурного каркаса под собственным весом.
3
3
Если в скважине имеются пережимы, сужения диаметра скважины в местах пересечения скважиной слоев малопрочных грунтов или при наличии в скважине больших комков грунта, отделенных долотом от массива, но не захваченных лопастями шнека и не вынесенных на поверхность, то такие большие комки грунта с объемной массой менее 2 т/м при заполнении скважины бетонной смесью объемной массой более 2 т/м медленно всплывают по скважине и часто не успевают всплыть до устья скважины. К этому времени мелкие комочки грунта, как правило, всплывают и уже из устья скважины вытекает чистая бетонная смесь. При погружении арматурного каркаса в скважину, где медленно всплывает комок грунта значительных размеров, арматурный каркас может отклоняться комком грунта к противоположной стенке скважины, каркас при этом расклинивается между комком и стенкой скважины. В месте остановки арматурным каркасом комка грунта сплошность сваи будет не обеспечена. В таком случае свободно, под собственным весом погрузить арматурный каркас не получится, потому что комок грунта входит в тело ствола сваи и сплошность ствола не будет обеспечена. Нужно извлечь каркас из скважины, скважину промыть бетонной смесью, после чего повторить попытку свободного погружения каркаса.
В случае быстрого подъема шнека не успевает происходить полное заполнение скважины под шнеком, создается пониженное (относительно бытового давления грунта) давление. За счет более высокого бытового давления грунта, чем давление в скважине, происходит сужение ствола скважины. В малопрочных грунтах сужение скважины может достигать сплошного перекрытия сечения скважины. Свободно под собственным весом погрузить арматурный каркас сквозь грунтовый пережим скважины практически невозможно. Такая скважина должна быть расширена до размеров диаметра шнека. Для этого в скважину погружают электродную систему, упирая ее в грунт на участке пережима, с этого места начинается обработка ствола скважины электровзрывами. Электродная система при этом устанавливается на кровлю грунта пережима, а после одного-двух электровзрывов перемещается вверх и вновь устанавливается на грунт в участке пережима. Если пережим произошел в локальной зоне по длине скважины, то после 10…50 электровзрывов грунт вокруг скважины уплотняется, смещаясь в радиальном направлении от оси скважины до такой степени, что диаметр скважины на этом участке становится больше диаметра пробуренной скважины. Арматурный каркас при погружении в скважину после ее обработки электровзрывами, как правило, погружается свободно, под собственным весом. Если даже после обработки скважины электровзрывами каркас свободно не погружается, скважина должна быть перебурена или сделана дополнительная свая.
Основным критерием устойчивости стенок скважины и соответственно сплошности ствола формируемой сваи на глубину армирования является свободное под собственным весом погружение арматурного каркаса в скважину, заполненную бетонной смесью, при этом вращательные или вращательно-возвратные движения каркаса вокруг продольной оси каркаса, снабженного центраторами, фиксирующими минимальную величину защитного слоя бетона для рабочей арматуры, позволяют контролировать отсутствие пережимов по периметру ствола сваи. По результатам погружения каркаса судят о целостности стенок скважины и обеспечении сплошности ствола сваи до глубины свободно погруженного в скважину каркаса.
Преимущество заявляемого способа контроля сплошности ствола сваи заключается в том, что контроль сплошности осуществляется в процессе изготовления сваи и к моменту окончания работ по устройству всего свайного поля можно уверенно утверждать, что сплошность ствола у всех свай обеспечена. Такая система контроля сплошности тела свай, со 100% охватом свай в свайном поле, позволяет существенно повысить качество свайных оснований, их надежность и долговечность. При этом заявленная система контроля качества удачно вписывается в технологию изготовления свай и не влечет существенных материальных затрат и времени.