Способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке
METHOD FOR ERECTION OF BORED PILE IN SOIL-CEMENT COATING

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения буронабивных свай при строительстве в непосредственной близости от стоящих зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов сооружений различного назначения, в частности в слабых грунтах. При этом в заявленном способе используют для укрепления слабых грунтов струйную технологию одновременно с возведением буронабивных свай.
Известен «способ возведения буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46 - [1], включающий проходку скважины в грунте с последующим ее бетонированием. При этом перед проходкой скважины в грунте создают грунтоцементную сваю, а проходку скважины буронабивной сваи ведут в теле грунтоцементной сваи, по крайней мере, в пределах ее боковой поверхности, причем соотношение диаметров буронабивной и грунтоцементной свай составляет 0,4…0,8, а проходку скважины буронабивной сваи ведут на 2…7-е сутки после создания грунтоцементной сваи. При этом проходку скважины буронабивной сваи могут вести с заглублением в коренной грунт.
Недостатком способа [1] является то, что при его реализации сроки строительства достаточно велики за счет последовательного выполнения этапов создания грунтоцементной и буронабивной сваи с временным интервалом до 7 суток.
Также известен «способ возведения буроинъекционной сваи» по опубликованной заявке на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00 - [2], включающий проходку скважины в грунте с последующим заполнением ее бетоном. Бурение скважины в грунте осуществляют одновременно с выполнением грунтоцементной сваи посредством погружения в грунт полой, заглушенной снизу на период погружения обсадной трубы с ребордами и жестко закрепленным монитором на заглушенном конце, при этом посредством монитора струей твердеющего раствора осуществляют размыв и перемешивание грунта с твердеющим раствором. После достижений проектной глубины скважины сначала извлекают монитор из обсадной трубы, в которую затем устанавливают арматурный каркас с последующим заполнением обсадной трубы бетоном литой консистенции до устья, после чего производят постепенное поднятие обсадной трубы с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением в скважину до полного заполнения образовавшегося пространства.
Недостатком способа [2] является то, что его реализация трудно реализуема из-за недостаточности раскрытия материалов в опубликованной заявке.
Известен «способ изготовления буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34 - [3], предусматривающий образование скважины с использованием обсадной трубы, установку арматурного каркаса и рабочего разрядника, заполнение скважины твердеющим электропроводным материалом и образование ствола с уширениями посредством производства на разных горизонтах высоковольтных электрических разрядов.
Недостатком способа [3] является то, что он применяется только для изготовления буронабивной сваи и неизвестно его использование для комплексного его использования при создании буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в один технологический прием.
Кроме того, известен «способ закрепления грунта» по патенту на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12 - [4], включающий определение характеристик геологических элементов в геологическом разрезе закрепляемого массива грунта с последующим закреплением грунта при перемещении раздаточного элемента снизу-вверх по высоте пилотной скважины в закрепляемом грунте струйной технологией. Определение характеристик геологических элементов осуществляют при бурении пилотной скважины, причем в качестве характеристик геологических элементов используют момент закручивания и усилие сжатия буровой колонны, регистрируемые при бурении пилотной скважины. Закрепление грунта производят в пилотной скважине со скоростью перемещения раздаточного элемента, определяемой по математическому выражению, причем при изменении типа грунта осуществляют корректировку скорости перемещения раздаточного элемента. Способ [4] позволяет производить закрепление грунта путем создания грунтоцементной колонны сложной формы в зависимости от прочности грунта.
Однако при реализации способа [4] возникают значительные затраты времени, так как закрепление грунта осуществляется последовательным выполнением операций бурения и закрепления при обратном ходе раздаточного элемента, при переменной скорости закрепления. Кроме того, отсутствие армирования закрепленного массива отрицательно скажется на несущей способности созданной грунтоцементной колонны.
-3
-3
Прототипом заявленного технического решения является «способ возведения буронабивной сваи по патенту на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 - [5], включающий проходку скважины в грунте буровым инструментом с последующим ее бетонированием и создание грунтоцементной оболочки. Грунтоцементную оболочку создают путем одновременного бурения и цементации, которую осуществляют в направлении, перпендикулярном оси бурения. При цементации используют раздаточный элемент, имеющий сопла диаметром (2…5)⋅10 м при скорости цементации скважины, определяемой по приведенной в формуле зависимости. Бетонирование скважины осуществляют при возвратном движении бурового инструмента, при этом используют раздаточный элемент, имеющий сопла с диаметром (10…20) м, при скорости бетонирования, определяемой по приведенной в формуле зависимости. В качестве бурового инструмента используют буровой инструмент, оснащенный шнеком. При этом в известном способе используют шнек диаметром от 250 до 800 мм. Способ [4] позволяет создавать буронабивную сваю в грунтоцементной оболочке практически одновременно во времени, при этом затвердевание грунтоцементной и буронабивной сваи происходит совместно.
Недостатком способа - прототипа [5] является то, что формирование грунтоцементной оболочки производится без учета слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, а создаваемая буронабивная свая имеет цилиндрическую форму постоянного сечения, что снижает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи.
Недостатки аналогов и прототипа ставят задачи повышения качества и несущей способности (повышения прочностных и несущих свойств) возводимой буронабивной сваи при строительстве новых объектов на слабых грунтах созданием буронабивной сваи переменного по высоте сечения, а также сокращения времени возведения сваи.
Сущность заявленного способа состоит в том, что при возведении буронабивной сваи, включающем проходку скважины полым шнеком с буровым инструментом, оснащенными магистралями подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами и системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, с последующим армированием, бетонированием, уплотнением импульсными разрядами и формированием грунтоцементной оболочки посредствам подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент со струеформирующими соплами. Грунтоцементную оболочку создают переменного поперечного сечения в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов, причем большее поперечное сечение оболочки формируют в областях пониженных механических свойств грунтов раздаточным элементом, который размещают внутри полого шнека, имеющего боковые окна для струеформирующих сопел раздаточного элемента, а также размещают раздаточный элемент выше бурового инструмента на расстоянии, обеспечивающем запас времени между процессами бурения и цементации необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме. Величину запаса времени определяют по формуле:
1
2
Т=Т+Т,
1
где: T - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива;
2
Т - время формирования командного решения для перехода на цементацию в новом режиме.
1
Время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива T определяют по формуле:
1
т
б
T=k×h/v,
т
т
где: k - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами. Значение k задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива.
h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м;
б
v - скорость бурения, м/с.
2
Время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т зависит от длины магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, размещенного в конструкции буровой колонны и определяют по формуле:
2
д
M
т
Т=k(L+H)/v,
д
д
где: к - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации. Значение k задают в проектной документации на основании исходной информации о материале магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента;
м
L - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м;
Н - глубина бурения, м;
т
v - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с.
Формирование грунтоцементной оболочки производят при текущей скорости бурения, а выполнение большего диаметра грунтоцементной оболочки осуществляют за счет увеличения давления подаваемого цементирующего раствора. Значение давления определяют по формуле:
-1
0
где: D - диаметр уширения грунтоцементной оболочки (задается в проектной документации), м; n - частота вращения буровой колонны, с; d -диаметр сопел раздаточного элемента, м; С - характеристика механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив (коэффициент сцепления).
После достижения грунтоцементной оболочкой проектной глубины из пробуренной скважины извлекают раздаточный элемент и буровой инструмент, и в полость шнека опускают армирующий каркас и разрядник для формирования высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов. Далее заполняют скважину бетоном литой консистенции до устья. После чего производят постепенное поднятие шнека, путем его вывинчивания с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением в скважину (в полость полого шнека) до полного заполнения образовавшегося пространства. После поднятия полого шнека постепенно подымают разрядник, и по мере его поднятия в ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта подают импульсы для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов.
При этом в заявленном способе толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов может составлять от 0,5 до 40 м.
В результате после затвердения в массиве образуется армированная буронабивная свая переменного сечения в грунтоцементной оболочке, причем больший диаметр сваи соответствует большему диаметру грунтоцементной оболочки и располагается в области грунтов с пониженными механическими свойствами.
Техническим результатом заявленного способа является сокращение времени строительства буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств в слабых грунтах.
Использование предлагаемого способа возведения буронабивной сваи позволяет существенно увеличить несущую способность буронабивной сваи за счет предложенной совокупности признаков, не увеличивая при этом время выполнения работ. Так в заявленном способе созданы условия для повышения несущей способности сваи за счет того, что сформированная грунтоцементная оболочка выполняется в соответствие с установленной в ходе бурения структурой массива. При этом сформированные уширения оболочки располагаются между слоями массива с повышенными механическими свойствами таким образом, что конструкция сваи «опирается» на слои с повышенными механическими свойствами, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.
Пример осуществления заявленного способа возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке приведен в таблицах 1 - (Проектные данные), 2 - (Параметры цементации) и 3 - (Структура пробуриваемого массива и характеристики сваи).
В расчете принимались следующие коэффициенты:
т
т
k=1, соответствует горизонтальному расположению слоев пробуриваемых грунтов. Для наклонного расположения слоев k ≈sin α, где α - угол наклона слоев пробуриваемых пластов грунтов;
д
д
k=1, используется для металлических магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента. В случае если магистрали выполнены из неметаллических материалов k=1,2, тем самым учитывается наличие потерь давления водоцементного раствора при течении по неметаллическим магистралям подвода.
Таким образом, реализация предложенного способа при параметрах, представленных в расчете, обеспечивает запас времени между процессами бурения и цементации необходимый для выявления протяженности областей с повышенными или пониженными механическими свойствами массива, корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, а соответствующее изменение давления позволяет сформировать грунтоцементную оболочку заданной конфигурации с учетом слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.
Заявленный способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков его формулы изобретения является новым для способов (технологий) при которых обеспечивается возможность возведения свай при строительстве новых объектов на слабых грунтах при сокращении времени их возведения с повышением прочностных и несущих свойств, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Совокупность признаков формулы изобретения предложенного способа неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует общеизвестным правилам возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, при которых учитываются конкретные слоистая структура и изменяющиеся свойства вмещающего грунтового массива. Создаваемая буронабивная свая имеет форму переменного сечения с армированием по всей ее высоте, что повышает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи. Все это доказывает соответствие заявленного способа критерию "изобретательский уровень".
Осуществление (внедрение) предложенного способа возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в настоящее время и на современном уровне развития техники не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46, «Способ возведения буронабивной сваи».
2. Заявка на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00, «Способ возведения буроинъекционной сваи».
3. Патент на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34, «Способ изготовления буронабивной сваи».
4. Патент на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12, «Способ закрепления грунта».
5. Патент на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 «Способ возведения буронабивной сваи» - прототип.