Результат интеллектуальной деятельности: ШТАМП ДЛЯ УСТРОЙСТВА НАБИВНЫХ СВАЙ МЕТОДОМ ВДАВЛИВАНИЯ И СПОСОБ УСТРОЙСТВА НАБИВНЫХ БЕТОННЫХ, ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И АРМОБЕТОННЫХ СВАЙ МЕТОДОМ ВДАВЛИВАНИЯ ПУТЕМ УСТРОЙСТВА НАБИВНОЙ СВАИ С УШИРЕНИЕМ, С ПОМОЩЬЮ БЕТОНОЛИТНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ - ШТАМПА

Изобретение относится к строительству, а именно к фундаментостроению, и может быть использовано для устройства свайных оснований при строительстве новых и реконструкции существующих зданий и сооружений различного уровня ответственности, путем формирования в грунте тела набивной бетонной, железобетонной или армобетонной (далее набивной) сваи, повышенной несущей способности, за счет образования зоны радиально уплотненного грунта вокруг тела сваи, а также за счет создания (в случае необходимости) уширения сваи.

Известен инъектор, с теряемым наконечником, для закрепления водонасыщенных грунтов, предназначенный для погружения в грунт забивкой или задавливанием [1]. Погружение производят до необходимой глубины. Затем вокруг инъектора на расстоянии, которое определяется расчетом, в грунт погружают перфорированный трубчатый элемент до глубины, соответствующей глубине погружения инъектора. После обезвоживания зоны закрепления грунта в инъектор подается под давлением закрепляющий раствор. Одновременно начинается частичное извлечение из грунта перфорированного трубчатого элемента, создающего при этом вокруг себя зону с пониженным давлением. В процессе закрепления нижнего слоя грунта, а именно подачи закрепляющего раствора, инъектор постепенно извлекается из грунта. При этом теряемый наконечник остается в грунте на отметке, а образовавшаяся скважина заполняется через открытый нижний конец инъектора закрепляющим раствором. Таким образом, формируется закрепленная зона грунта. Размер зоны закрепления определяется расчетом в зависимости от конкретных инженерно-геологических условий.

К недостаткам аналога можно отнести конструктивное решение наконечника инъектора, который остается в грунте, что исключает его повторное использование, также это ведет к искусственному удорожанию «погонного метра» закрепленного основания. Наличие в инъекторе открытых перфорированных отверстий не исключает попадания грунта в будущее тело сваи, что в свою очередь ведет к уменьшению несущей способности сваи.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ устройства армопреобразующих бетонолитных набивных свай с уширениями в основании фундамента [2]. Данный способ устройства армопреобразующих бетонолитных набивных свай с уширениями в слабых водонасыщенных грунтах включает выполнение цилиндрической скважины путем вращательно-поступательного погружения раскатчика на заданную глубину с вытеснением грунта в околоскважное пространство с помощью раскатчика и формирование при этом уплотненной зоны околоскважного пространства, с последующим заполнением цилиндрической скважины бетонной смесью, бетоном классом не ниже В 7,5 на заполнителе 2-5 мм или 5-10 мм. Таким образом, формируется зона закрепленного основания в слабых водонасыщенных грунтах.

Недостатком прототипа является относительно небольшая зона уплотненного грунта, что в свою очередь из-за конструкции раскатчика не исключает схлопывание скважины в торфяных и заиленных водонасыщенных грунтах. Более того, конструкция раскатчика не позволяет использовать более тяжелые бетоны с крупным заполнителем размером частиц свыше 20 мм для закрепления грунтов, так как бетонолитные отверстия имеют небольшие диаметры, что влечет к закупорке инъекционных отверстий.

Целью настоящего изобретения является снижение трудовых, материальных и энергетических затрат по устройству набивных бетонных, железобетонных и армобетонных свай по сравнению с имеющимися технологиями.

Предлагаемое изобретение представляет собой способ устройства набивных бетонных, железобетонных и армобетонных свай путем устройства набивной сваи с уширением, с помощью бетонолитного приспособления, включающий выполнение цилиндрической скважины путем погружения бетонолитного приспособления на заданную глубину с вытеснением грунта в околоскважинное пространство с его помощью и формирование при этом уплотненной зоны околоскважинного пространства, заполнение цилиндрической скважины бетонной смесью под давлением; отличается тем, что погружение и последующее извлечение бетонолитного приспособления - штампа осуществляется методом вдавливания, включающим выполнение выштампованных скважин путем погружения штампа на заданую глубину с последующим заполнением скважин бетонной смесью под избыточным давлением не менее 2 атм, при этом форма и поперечное сечение набивной сваи зависит от глубины и количества повторных погружений штампа вдавливанием в свежеуложенную бетонную смесь; и штамп для устройства набивных свай методом вдавливания, состоящий из прочного полого корпуса, обеспечивающего достаточную прочность и жесткость, необходимую для восприятия усилий от вдавливающей установки и сопротивления грунта, возникающих в процессе погружения штампа при устройстве набивной сваи, бетонолитной трубы, перемещающейся в полом прочном корпусе и имеющей два одинаковых бетонолитных отверстия общей площадью 100 см², ниже бетонолитных отверстий жестко закреплен наконечник с помощью крепежного пальца, диаметр которого больше диаметра бетонолитной трубы, но меньше диаметра прочного корпуса в виде бурового долота.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующим образом.

На проектную отметку методом вдавливания погружают штамп необходимых геометрических размеров (диаметр наружный, длина). В процессе погружения штампа грунт, находящийся в месте погружения штампа, вытесняется в стороны, тем самым происходит уплотнение грунта в радиальном направлении в околоскважинном пространстве. Далее при одновременном извлечении штампа, под избыточным давлением (более 2 атмосфер), производят заполнение скважины бетонной смесью. В зависимости от типа сваи (бетонная, железобетонная или армобетонная) скважину не армируют или армируют погружением в свежеуложенную бетонную смесь стального (арматура, труба, различные профили) или композитного арматурного каркаса. Повышенная несущая способность набивной сваи достигается за счет уплотнения грунта в радиальном направлении при погружении штампа методом вдавливания. В процессе погружения штампа весь объем грунта, равный объему штампа, погруженного в грунт, распределяется в радиальном направлении, при этом максимальная зона уплотнения грунта будет расположена максимально близко к штампу и с отдолением от штампа в горизонтальном направлении зона уплотнения будет рассеиваться.

Отличительным признаком предлагаемого способа является погружение штампа в грунт на проектную отметку путем силового вдавливания с созданием необходимого усилия и возможностью придания дополнительной несущей способности за счет уширения части сваи путем повторного погружения штампа в свежеуложенную бетонную смесь и дальнейшее извлечение штампа. В сравнении с другими технологиями (непрерывный полый шнек, буронабивные сваи) отсутствуют операции бурения, при применении которых происходит выбуривание грунта, его разуплотнение и зачастую вынос на поверхность большего объема грунта, чем требуется, в таких случаях при бетонировании тела сваи расходуется большее количество бетонной смеси.

Кроме этого, отличительной особенностью предлагаемого способа является придание набивной свае дополнительной несущей способности, заключающееся в создании уширения острия сваи (либо другой части сваи по высоте). Данное уширение содается благодаря повторной проходке штампа по свежеуложенной бетонной смеси обратным ходом в вертикальном направлении. Реализация указанного способа возможна благодаря применению штампа, через который подается бетонная смесь, при этом штамп имеет возможность закрывать проходное отверстие подачи бетонной смеси и в любой момент может повторно осуществлять проходку в вертикальном направлении.

На фиг. 1 изображен технологический процесс устройства набивной сваи с уширением методом вдавливания при помощи штампа.

Этапы технологического процесса по фиг. 1:

а) погружение штампа с вытеснением грунта в околоскважинное пространство, формирование уплотненной зоны околоскважинного пространства;

б) штамп погружен на заданную глубину, грунт вытеснен в околоскважинное пространство;

в) подача через штамп бетонной смеси. Заполнение образованной скважины бетонной смесью под избыточным давлением (не менее 2 атмосфер) с одновременным извлечением штампа на необходимую высоту. Процесс бетонирования скважины должен быть непрерывным вплоть до ее полного заполнения бетонной смесью доверху. Все это время шнек должен постепенно перемещаться вверх без вращения, а в бетонируемой системе постоянно поддерживаться избыточное давление бетонной смеси. При понижении давления до значения менее 0,2 МПа подъем шнека прекращается до восстановления указанного давления. При наличии водонасыщенных грунтов избыточное давление в системе бетонирования устанавливается расчетом и, составляя более 0,2 МПа, должно превышать давление внешней подземной воды на 5-10%.

г) создание уширения тела сваи путем вдавливания штампа в свежеуложенную бетонную смесь;

д) заполнение образованной скважины бетонной смесью под избыточным давлением (не менее 2 атмосфер) с одновременным извлечением штампа на необходимую высоту (до отметки верха сваи);

е) погружение в свежеуложенную бетонную смесь армирующего элемента;

д) готовая набивная свая, изготовленная методом вдавливания.

Преимуществами данного метода являются высокая производительность, материалоемкость, повышенное качество работ. Высокая производительность достигается благодаря применению мощных гидравлических установок шагающего типа, имеющих многократный запас по усилию вдавливания и извлечению штампа. Кроме этого, потребуется меньшее количество свай с уширением в основании, нежели свай одинакового сечения, что в свою очередь приведет к уменьшению потребности в материале и сокращении сроков выполнения работ. Повышенное качество производства работ достигается благодаря использованию различных датчиков контроля и учета. При помощи датчиков контролируют следующие параметры:

- усилие вдавливания на различных глубинах, в том числе на отметке острия сваи;

- расход бетонной смеси в процессе формирования сваи;

- давление подачи бетонной смеси.

При устройстве набивной сваи должно выполняться следующее условие: усилие вдавливания при погружении штампа N должно быть не менее несущей способности сваи - Fd, указанной в проекте с коэффициентом надежности - kg, принимаемым равным в зависимости от уровня ответственности проектируемого здания или сооружения от 1,2 до 0,8,

где N - усилие вдавливания, кН;

N≥k_g*Fd/m,

kg - коэффициент надежности, принимаемый равным:

1,2 - в отношении здания и сооружения повышенного уровня ответственности;

1,0 - в отношении здания и сооружения нормального уровня ответственности;

0,8 - в отношении здания и сооружения пониженного уровня ответственности;

Fd - несущая способность сваи, указанная в проекте, кН;

m - коэффициент условий работы, принимаемый равным 0,6.

Примечание. Величину коэффициента m допускается уточнять по результатам статических испытаний свай (но не более 0,8).

На фиг. 2 изображены виды набивных свай, устроенных методом вдавливания:

а) набивная свая с уширенной пятой (репа);

б) набивная свая постоянного сечения (стержень);

в) набивная свая непостоянного сечения по высоте тела сваи (бусы);

г) набивная свая булавовидной формы (булава).

Форма тела набивных свай меняется в зависимости от величины (глубины) и количества вдавливания штампа в свежеуложенную бетонную смесь в процессе формирования сваи.

На фиг. 3 изображена конструкция предлагаемого штампа и описан основной принцип работы штампа.

а) с закрытым проходным отверстием;

б) с открытым проходным отверстием.

Конструкция штампа состоит из двух основных элементов:

1 - прочный полый корпус;

2 - бетонолитная труба.

Прочный полый корпус (1) воспринимает на себя все усилия, от установки и сопротивления грунта. Наружные геометрические размеры прочного корпуса определяют форму набивной сваи (диаметр сваи и ее длину). Полость в прочном корпусе необходима для обеспечения перемещения бетонолитной трубы (2) в процессе погружения штампа и дальнейшего его извлечения. Бетонолитная труба (2) предназначена для транспортировки бетонной смеси при бетонировании сваи. Бетонолитная труба снабжена защитным наконечником (4), благодаря которому исключается попадание грунта в трубу в процессе устройства набивной сваи.

Бетонолитная труба имеет ограничитель (3), благодаря которому труба ограничена в перемещении внутри прочного корпуса и остается в нем в процессе выполнения работ. Возможно исполнение штампа в двух вариантах, с принудительным перемещением бетонолитной трубы при помощи привода (5) либо без него, в таком случае бетонолитная труба перемещается вдоль прочного корпуса (1) под собственным весом. В нижней части бетонолитной трубы (2) расположены пропускные отверстия (6), которые открываются при опускании бетонолитной трубы (2) относительно прочного корпуса (1). Через отверстия (6) происходит подача бетонной смеси, при этом суммарная площадь отверстий равна 100 см. Отверстия имеют прямоугольную форму с округлением углов. Размеры отверстия определяются по формулам:

k*а≤Р/2;

k*b≤100/а,

где k - количество отверстий;

а - ширина отверстия;

b - высота отверстия;

Р - периметр сечения бетонолитной трубы.

Благодаря геометрическим размерам наконечника (4), который в диаметре больше бетонолитной трубы (2), но при этом меньше диаметра прочного корпуса (1), бетонная смесь свободно заполняет весь доступный объем скважины. Крепление наконечника к бетонолитной трубе осуществляется при помощи крепежного пальца.

Принцип работы штампа

Штамп в сборе погружают методом вдавливания на проектную отметку с достижением необходимого усилия. Далее в зависимости от предусмотренной в проекте формы набивной сваи выполняют последовательно следующие операции - для набивной сваи постоянного сечения (стержень).

Подача бетонной смеси необходимой подвижности через бетонолитную трубу (2) к острию скважины (по манометру бетононасоса следят за достижением давления подачи смеси до значения, равного 2 атм и более).

Извлекают штамп на небольшую высоту. Перемещают бетонолитную трубу относительно прочного корпуса вниз, либо бетонолитная труба перемещается самостоятельно в случае отсутствия принудительного привода (5). Перемещение возможно до момента опирания ограничителя (3) о прочный корпус (1). При перемещении бетонолитной трубы (2) открываются пропускные отверстия (6) и бетонная смесь под избыточным давлением поступает в вытрамбованую скважину. Штамп извлекают с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением (более 2 атм) - для набивной сваи с уширенной пятой (репа).

Операции идентичны операциям при формировании сваи постоянного сечения (стержень), отличие заключается в наличии дополнительных операций по созданию уширения. После того как штамп извлекли на необходимую высоту и заполнили полость скважины бетонной смесью, производят вдавливание штампа в свежеуложенную бетонную смесь, при этом отверстия (6) должны быть закрыты. При наличии привода (5) предварительно закрывают отверстия (6), при отсутствии привода (5) бетонолитная труба, упершись в бетонную смесь, начнет перемещаться относительно прочного корпуса (при его опускании), отверстия (6) закроются.

В результате вдавливания штампа бетонная смесь начнет изменять форму. Из цилиндра (параллелепипеда) начальной высоты начальная форма сваи начнет стремиться преобразоваться в форму, стремящуюся к форме шара. При этом начальная высота фигуры уменьшится, а диаметр получаемой формы увеличится из условия сохранения начального объема. В зависимости от требуемых значений условного диаметра уширения и конечного усилия вдавливания штампа производят повторение операции (при необходимости) по созданию уширения в одной абсолютной отметке.

Принцип использования штампа, описанный выше, аналогично применяется при создании набивных свай непостоянного сечения по высоте тела сваи (бусы) и набивной сваи булавовидной формы (булава).

Источники информации

1. Патент РФ №2301299 от 20.06.2007 г.

2. Патент РФ №2506371 от 20.02.2014 г.