СПОСОБ УСТРОЙСТВА ЗАБИВНОЙ СВАИ В ПЕРФОРИРОВАННОЙ ТРУБЕ-ОБОЛОЧКЕ
INSTALLATION METHOD FOR A DRIVING PILE IN A PERFORATED MANTLE PIPE

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам повышения несущей способности забивных (вдавливаемых) свай в пробитых (продавленных) скважинах с уширенным основанием по их боковой поверхности преимущественно в слабых влажных и переувлажненных глинистых грунтах.
Известны способы устройства набивных свай в слабых влажных и переувлажненных грунтах, включающих пробивку (продавливание) скважин обсадной трубой с теряемым башмаком до подстилающего несущего слоя грунта, заполнение обсадной трубы литым бетоном с армированием и ее извлечение (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981; СТО 36554501-018-2009. Стандарт организации. Проектирование и устройство свайных фундаментов и уплотненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах. НИЦ "Строительство". - 2010; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011; Руководство по проектированию свайных фундаментов/НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М: Стройиздат, 1980 с дополнениями в 2017 г.).
Основными недостатками предлагаемых технических решений являются низкая несущая способность (или даже ее дополнительное снижение) сваи по боковой поверхности в пределах залегания слоев слабых (например, биогенных) влажных и переувлажненных глинистых грунтов, а также относительно высокая трудоемкость и длительность набора прочности используемой литой бетонной смеси.
В той или иной мере увеличение несущей способности по боковой поверхности достигается способом устройства сваи по патенту RU 2186905, включающим образование скважины, погружение в нее одновременно наружной перфорированной оставляемой и внутренней сплошностенчатой извлекаемой трубы, подачу через внутреннюю трубу твердеющего материала и поэтапное формирование трамбовкой уширений из твердеющего материала вначале под нижним обрезом наружной трубы, а затем ствола сваи с одновременным образованием локальных уширений по ее боковой поверхности в зоне отверстий при перемещении и извлечении внутренней трубы.
Основными недостатками приведенного выше способа устройства сваи являются: некоторая неопределенность в расчете несущей способности сваи по ее боковой поверхности в слабых переувлажненных и тем более водонасыщенных грунтах; низкая эффективность устройства локальных уширений из твердеющего материала трамбовкой с плоским дном по боковой поверхности наружной перфорированной трубы; длительность набора прочности твердеющего материала до требуемой прочности и др.
Известны и широко применяются в различных грунтовых условиях свайные фундаменты из забивных призматических, пирамидальных, булавовидных и других свай (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011; Руководство по проектированию свайных фундаментов/НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1980 с последними дополнениями в 2017 г.).
Основными недостатками фундаментов из забивных свай являются: практически полное отсутствие несущей способности или даже ее снижение по боковой поверхности в пределах толщи слабых влажных и переувлажненных грунтов; относительно низкая несущая способность при опирании их концов на подстилающие грунты с достаточно высокой сжимаемостью.
Более близким к предложенному техническому решению является способ устройства забивной сваи в пробитой скважине в слабых водонасыщенных грунтах (RU 2634912 С1, опуб. 28.11.2017, п. 7 формулы изобретения), включающий с некоторой интерпретацией пробивку или продавливание скважины обсадной трубой с теряемым башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал, поднимают трубу на высоту предполагаемой засыпки, осуществляют формирование уширенного основания путем втрамбовывания жесткого грунтового материала с помощью инвентарной сваи, снабженной на торце съемным наконечником, и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают железобетонную сваю в скважину с формированием возможной дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
Основным недостатком этого технического решения являются низкая эффективность увеличения несущей способности сваи в пределах залегания верхнего слоя из слабых влажных и переувлажненных грунтов по ее боковой поверхности, в том числе из-за увеличения влажности материала засыпки на границе с материалом сваи после извлечения обсадной трубы.
Наиболее близким к предложенному техническому решению (прототипом) является способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием (RU 2678172 С1, опуб. 23.01.2019, п. 2 формулы изобретения), включающий с некоторой интерпретацией: поэтапное формирование уширенного основания из втрамбованного жесткого грунтового материала (обычно из щебня, гравия, жесткого бетона и т.п.) в несущем слое грунта; установку в обсадную трубу перфорированной трубы-оболочки, в которую засыпают сыпучий или поочередно сыпучий и жесткий грунтовый материал; извлекают обсадную трубу, после чего погружают в заполненную перфорированную трубу-оболочку железобетонную сваю с одновременным образованием по ее боковой поверхности локальных уширений на участках расположения отверстий и возможной дополнительной уплотненной зоны.
Основными недостатками этого технического решения являются: низкая надежность беспрепятственного извлечения обсадной трубы из-за возможного вывала грунта засыпки через отверстия в трубе и заполнения им пространства (зазора) между стенками обсадной трубы и перфорированной трубы-оболочки до погружения в нее сваи и в связи с этим необходимость выполнения дополнительных мероприятий по исключению вывала грунта засыпки; низкая эффективность увеличения несущей способности сваи в пределах залегания верхнего слоя из слабых влажных и переувлажненных грунтов по боковой поверхности трубы-оболочки за счет образования локальных уширений по ее контуру из-за наличия полости-зазора между стенками пробитой (продавленной) скважины и перфорированной трубы-оболочки и тем самым увеличения трудоемкости за счет выполнения дополнительных мероприятий, связанных, например, с необходимостью неоднократного погружения обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником внутри трубы с отверстиями, заполнением ее сыпучим грунтовым материалом и извлечением, в связи с чем, так же ограничивается область применения рассматриваемого способа по грунтовым условиям.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является устранение приведенных выше недостатков прототипа, а именно: обеспечение беспрепятственного извлечения обсадной трубы из скважины; повышение эффективности увеличения несущей способности сваи по ее боковой поверхности за счет ликвидации зазора между стенками перфорированной трубы-оболочки и пробитой (продавленной) скважины после извлечения обсадной трубы и в связи с этим снижение трудоемкости за счет исключения необходимости дополнительных мероприятий по предотвращению заполнения зазора и даже в некоторых случаях по устранению и извлечению грунта засыпки из зазора, а также расширение области применения по грунтовым условиям и тем самым повышение эффективности в целом.
Указанная техническая проблема решается способом устройства забивной сваи, заключающимся в том, что погружают в грунт обсадную трубу с теряемым башмаком-пробойником с образованием скважины с частичным погружением в несущий слой грунта, формируют уширенное основание путем втрамбовывания жесткого грунтового материала в нижнюю часть скважины, образованную в несущем слое грунта, погружают перфорированную трубу-оболочку, засыпают сыпучий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу, погружают в перфорированную трубу-оболочку железобетонную сваю с образованием по боковой поверхности перфорированной трубы-оболочки в окружающем грунте локальных уширений из сыпучего материала и возможных уплотненных зон грунта на участках расположения отверстий, при этом, в отличие от прототипа, погружение перфорированной трубы-оболочки осуществляют снаружи обсадной трубы, засыпку сыпучего грунтового материала осуществляют в обсадную трубу с обеспечением заполнения сыпучим грунтовым материалом перфорированной трубы-оболочки при извлечении обсадной трубы.
Кроме того, погружение перфорированной трубы-оболочки могут осуществлять с добивкой ее торца в уширенное основание, при этом используют перфорированную трубу-оболочку, снабженную ободом-насадкой с режущей кромкой.
В случае необходимости, для увеличения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы погружают в засыпанную перфорированную трубу-оболочку обсадную трубу с самораскрывающимся наконечником, заполняют ее сыпучим грунтовым материалом и извлекают ее, и после этого осуществляют забивку (погружение) в перфорированную трубу-оболочку железобетонной сваи.
Кроме того, в качестве сыпучего грунтового материала засыпки при соответствующем обосновании целесообразно использовать экологически чистые отходы промышленных производств не склонных к распаду и близкие по гранулометрическому составу к песчаным грунтам.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в исключении возможности попадания грунта засыпки в зазор между обсадной и перфорированной трубами, а также в исключении или минимизации возможности образования полости-зазора между стенками пробитой (продавленной) скважины и перфорированной трубы-оболочки. Этот результат достигается за счет того, что перфорированную трубу-оболочку погружают не внутри обсадной трубы, а снаружи. Таким образом, исключается засыпка зазора между обсадной и перфорированной трубами и тем самым обеспечивается беспрепятственное извлечение обсадной трубы. Кроме того, не образуется полость-зазор между перфорированной трубой и стенками скважины за счет возможности погружения ее вплотную к стенке пробитой (продавленной) скважины или ее минимизации и увеличения тем самым надежности по обеспечению требуемой несущей способности сваи по боковой поверхности.
Благодаря погружению перфорированной трубы-оболочки снаружи обсадной трубы существенным образом увеличивается надежность по обеспечению максимально возможной несущей способности по боковой поверхности сваи в пределах верхнего слоя слабых влажных и переувлажненных грунтов, снижается трудоемкость и расширяется область применения предлагаемого технического решения по грунтовым условиям по сравнению с прототипом за счет исключения дополнительных мероприятий по исключению возможного вывала грунта из отверстий трубы-оболочки, более надежного вовлечения в совместную работу с локальными уширениями из сыпучего или жесткого грунтового материала окружающего грунта природного сложения, в том числе в неблагоприятных грунтовых условиях с низкими значениями физико-механических характеристик.
В качестве труб-оболочек, как и в прототипе, целесообразно использовать бывшие в употреблении металлические, полимерные и т.п. обсадные трубы, а в качестве сыпучего материала - экологически чистые отходы промышленных производств не склонных к распаду и близкие по гранулометрическому составу к песчаным грунтам (горелая земля, сталеплавильные шлаки и т.п.).
Предлагаемый способ поясняется чертежами, на которых показана последовательность технологических операций по устройству локальных уширений и возможных зон уплотнения по боковой поверхности трубы-оболочки на участках с отверстиями.
На фиг. 1 изображена скважина, в которой обсадная труба с частичным защемлением ее торца в верхней части сформированного уширенного основания из жесткого грунтового материала в несущем подстилающем слое грунта природного сложения и отсыпанным в нее сыпучим грунтовым материалом.
На фиг. 2 - скважина с частично погруженной в уширенное основание снаружи обсадной трубы перфорированной трубой-оболочкой.
На фиг. 3 - скважина с железобетонной сваей, погруженной в заполненную сыпучим материалом перфорированную трубу-оболочку с частичным погружением ее торца в уширенное основание после извлечения обсадной трубы с одновременным образованием локальных уширений из сыпучего материала и возможных зон из уплотненного грунта вокруг боковой поверхности трубы-оболочки на участках с отверстиями.
На фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 3 в увеличенном масштабе железобетонной сваи, погруженной в сыпучий материал засыпки перфорированной трубы-оболочки, с локальными уширениями и возможными уплотненными зонами грунта природного сложения по внешнему контуру трубы-оболочки (уплотненные зоны грунта условно не показаны).
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - инвентарная обсадная труба;
2 - башмак-пробойник;
3 - пробитая (продавленная) скважина;
4 - верхняя граница несущего слоя грунта;
5 - возможная уплотненная зона грунта в окружающем грунте природного сложения;
6 - башмак-уширитель;
7 - уширенное основание из жесткого грунтового материала;
8 - засыпка из сыпучего грунтового материала;
9 - перфорированная труба-оболочка, установленная снаружи обсадной трубы 1;
10 - отверстия в трубе-оболочке 9;
11 - забивная (вдавливаемая) сборная железобетонная свая;
12 - локальные уширения из сыпучего материала по боковой поверхности перфорированной трубы-оболочки 9.
Способ устройства забивной сваи в перфорированной трубе-оболочке с уширенным основанием осуществляют следующим образом.
Погружают обсадную трубу 1 с теряемым башмаком-пробойником 2 с образованием скважины 3 на заданную (расчетную) глубину с частичным погружением в несущий слой 4 грунта и с образованием вокруг скважины 3 возможной уплотненной зоны 5 в грунте природного сложения. Затем формируют уширенное основание 7 над башмаком-уширителем 6 из втрамбованного (или уплотненного) щебня примерно до верхней границы несущего слоя грунта 4. Формирование уширенного основания 7 осуществляют известным образом путем втрамбовывания жесткого грунтового материала (щебень, гравий, жесткая бетонная смесь и т.п.) в нижнюю часть скважины, пробитую (продавленную) в несущем слое 4 грунта, например, как это описано в патентах RU 2634912, RU 2678172, RU 2685719. После этого отсыпают в приподнятую обсадную трубу 1 над сформированным уширенным основанием 7 сыпучий грунтовый материал (например, из отсева щебня) 8 (фиг. 1).
Снаружи обсадной трубы 1 погружают соосно ей с минимально возможным от стенки скважины 3 зазором или вплотную перфорированную трубу-оболочку 9 с отверстиями 10, расположенными, как изображено на фиг. 2, в шахматном или ином порядке. Труба-оболочка 9 имеет на торце режущую кромку или снабжена на торце жестким ободом-насадкой для обеспечения возможной добивки (погружения) торца трубы-оболочки 9 в верхнюю часть сформированного уширенного основания 7 на глубину до 10 см или состояния «отказа» при меньшей глубине добивки, либо по расчету по аналогии с патентом RU 2640467 (см. фиг. 2).
Извлекают обсадную трубу 1 с одновременным заполнением перфорированной трубы-оболочки 9 с отверстиями 10 сыпучим грунтовым материалом 8, после чего забивают (погружают) сборную железобетонную сваю 11 в заполненную сыпучим грунтовым материалом 8 трубу-оболочку 9 с одновременным образованием на участках расположения отверстий 10 локальных уширений 12 из уплотненного сыпучего грунтового материала 8 и возможной дополнительной уплотненной зоны 5 в грунте природного сложения (фиг. 3).
На фиг. 4 изображено сечение А-А на фиг. 3 в увеличенном масштабе с изображением перфорированной трубы-оболочки 9, забивной сваи 11 в уплотненном грунте засыпки 8 и локальными уширениями 12 на участках отверстий. Образовавшаяся уплотненная зона в грунте природного сложения по внешнему контуру трубы-оболочки 9 на фиг. 4 условно не показана.
В случае необходимости для увеличения несущей способности сваи 11 в трубе-оболочке 9 по ее боковой поверхности после извлечения обсадной трубы 1 осуществляют одно- или двукратное погружение в грунт засыпки 8 обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником (на чертежах условно не показана), заполнение ее аналогичным материалом 8, извлечение ее и последующее погружение в перфорированную трубу-оболочку 9 сваи 11.
Перфорированную трубу-оболочку 9 изготавливают из полимерных и т.п. материалов, а также металла, железобетона, асбестоцемента и др. В качестве неизвлекаемой перфорированной трубы-оболочки 9 могут быть использованы б/у обсадные трубы, усиленные в случае необходимости, например, стальными бандажами, что способствует их утилизации.
Минимальный диаметр трубы-оболочки 9 с учетом отверстий 10 и допустимых отклонений при погружении сваи 11 принимают равным не менее 1,5-2 размера (диаметра) в поперечном сечении забивной или вдавливаемой сваи 11, либо устанавливают опытным путем в зависимости от вида материала засыпки 8.
Размеры и расположение отверстий 10 в стенке трубы-оболочки 9 назначают с учетом оптимально возможного объема вдавливаемого (втрамбованного-уплотненного) в окружающий грунт природного сложения через отверстия 10 сыпучего материала 8 при погружении (забивке) сваи 11. Эти и другие параметры устанавливают опытным путем из-за отсутствия подобных исследований при устройстве забивных свай в пробитых (продавленных) скважинах с уширенным основанием.