Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ЗАБИВНОЙ СВАИ В ПРОБИТОЙ СКВАЖИНЕ С УШИРЕННЫМ ОСНОВАНИЕМ

Изобретение относится к области строительства, в частности к возведению фундаментов глубокого заложения из сборных (заводской готовности) забивных свай в пробитых скважинах с уширенным основанием-пятой, т.е. из наиболее распространенных в практике строительного производства призматических, круглого сечения и т.п.преимущественно железобетонных свай в просадочных грунтах с I типом грунтовых условий, насыпных, высокопористых глинистых, песчаных и др. слабых грунтах с пониженной несущей способностью в их природном или техногенном сложении.

В настоящее время широко применяются в различных грунтовых условиях забивные призматические, реже пирамидальные, ромбовидные и др. сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М., 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М., 2011).

Однако этим сваям присущи следующие недостатки, основными из которых являются:

невысокая несущая способность свай в слабых и др. грунтах и особенно при опирании их на грунты с высокой сжимаемостью;

невозможность погружения свай в прочные и плотные - слабоуплотняющиеся грунты без лидерных скважин, т.е. без предварительно пробуренных (с выбуриванием грунтов) скважин и которые характеризуются существенным (до 2-х раз) снижением несущей способности по их боковой поверхности.

Известны и широко применяются в различных грунтовых условиях свайные фундаменты из набивных в пробитых скважинах, а также буроопускных свай, выполняемые:

а) с помощью пневмопробойника с последующим заполнением скважины жесткой бетонной смесью и повторным погружением в нее пневмопробойника с образованием сваи диаметром до 14-26 см (Казаков Ю.Н., Буланкин Н.Ф., Стоян Ю.Ф. Технология устройства набивных свай пневмопробойниками // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1995, №1);

б) путем погружения в грунт сваебойной установкой конической инвентарной трубы-пробивного сердечника диаметром поверху 0,4-0,6 м, понизу 0,05-0,15 м с помощью сваебойного оборудования (Крутов В.И., Сорочан Е.А., Ковалев В.А. Фундаменты мелкого заложения. М.: Издательство АСВ, 2009); В.И. Крутов, А.С.Ковалев, В.А. Ковалев. Проектирование и устройство оснований и фундаментов на просадочных грунтах. - М.: Издательство АСВ, 2013). В рыхлых глинистых грунтах скважины заполняются жесткой бетонной смесью с последующим погружением в нее инвентарной трубы-сердечника;

в) путем устройства уширенного основания из втрамбованного в дно скважины жесткого грунтового материала с помощью специального навесного оборудования на грузоподъемные механизмы или сваебойных установок (СТО 36554501-018-2009. Стандарт организации. Проектирование и устройство свайных фундаментов и уплотненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах. НИЦ «Строительство», 2010; Крутов В.И., Кагай В.К., Глухов B.C. Фундаменты из набивных свай в пробитых скважинах // Основания, фундаменты и механика грунтов, 2011, №2);

г) путем забивки молотом обсадной трубы на чугунном или железобетонном конусе-теряемом башмаке (сваи «Вибро» и их модификации) до требуемой глубины или расчетного отказа, установки арматурного каркаса и заполнения трубы пластичной бетонной смесью с извлечением обсадной трубы из скважины при помощи прицепного устройства и канатного блока или вибратора (Ганичев И.А. «Устройство искусственных оснований и фундаментов» - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1981);

д) путем бурения скважин на заданную глубину и, как правило, не менее чем на 1 м заглубления в подстилающий слой с повышенной прочностью и несущей способностью, устройства камуфлетного уширения под слоем литой бетонной смеси, опускания в скважину через уширение из бетонной смеси сборной железобетонной сваи с вдавливанием ее в подстилающий несущий слой, заполнения зазоров между сваей и стенками скважины грунтом, литой бетонной смесью или др. схватывающимся раствором (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. 2004).

Основными недостатками приведенных выше технических решений, поименованных выше конструкций и способов устройства свайных фундаментов соответственно в п. «а»-«д» являются:

- ограниченная область применения таких свай из-за сравнительно небольших диаметра до 0,14 и в некоторых случаях до 0,26 м и глубины устройства до 2-6 м, а также невозможность выполнения в грунтах с наличием прослойков или даже линз с повышенной плотностью и прочностью и тем более в толще плотных грунтов;

- неполное использование несущей способности грунтов под торцом сваи из-за малой его площади, не превышающей 0,002-0,018 м²; необходимость использования двух видов бетонной смеси, а именно жесткой бетонной на крупном заполнителе для вдавливания ее в боковую поверхность скважины при возможном повторном погружении пробивного сердечника и литой на мелком заполнителе при бетонировании ствола сваи; затруднение и часто невозможность повторного погружения пробивного сердечника в скважину, заполненную жесткой бетонной смесью при наличии прослойков и линз достаточно прочных и плотных, в том числе маловлажных глинистых грунтов; низкая несущая способность таких свай в глинистых грунтах с повышенной влажностью, а также плотных и маловлажных грунтах в связи с отсутствием возможности вдавливания жесткой бетонной смеси в стенки скважины;

- отсутствие специального навесного оборудования на грузоподъемные и транспортные механизмы и необходимость его кустарного изготовления;

- относительно низкая несущая способность на вертикальные и тем более на моментные и горизонтальные нагрузки;

- практически полное исключение в передаче нагрузки на грунт основания по боковой поверхности сваи и по всей ее длине на вертикальные и горизонтальные нагрузки, вследствие чего эти сваи целесообразно применять только при прорезке заторфованных и др. грунтов с наличием в них слоев торфов, а также в самоуплотняющихся от собственного веса просадочных с II типом грунтовых условий и неслежавшихся насыпных грунтах.

Кроме того, общим недостатком всех приведенных выше фундаментов является значительный (до 0,2-0,5 месяца) перерыв в производстве работ нулевого цикла, необходимый для набора прочности бетона набивных свай до требуемых значений, вследствие чего существенно увеличиваются сроки строительства.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу является способ возведения свайного фундамента из забивных свай на просадочных грунтах с II типом по просадочности, принятый за прототип, из которого известно устройство свайного фундамента с образованием скважин, оси которых совпадают с проектным положением осей свай и заполненных дренирующим материалом, при этом сваи выполнены с возможностью замачивания и погружения в скважины, которые образуют на всю глубину просадочного грунта с заглублением в подстилающий непросадочный грунт. После заполнения скважин дренирующим материалом осуществляют обвалование территории по периметру сооружения, покрывают обвалованную площадь слоем дренирующего материала, причем замачивание осуществляют путем заливки воды на обвалованную территорию и выдерживания в течение 15-30 дней, после чего погружают сваи в скважины (SU 885446, 30. 11.1981).

По способу возведения свайного фундамента по SU 885446 необходимо отметить следующее:

а) рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты с II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса, а способ по предлагаемой заявке только на просадочные грунты с I типом по просадочности, т.е. при отсутствии просадки от собственного веса;

б) в соответствии с ранее действующими (Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат. 1977; Крутов В.И., Галицкий В.Г. и др. Уплотнение просадочных грунтов. М.: Стройиздат, 1974) и сохранившимися до настоящего времени требованиями (Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986) дренажные скважины должны выполняться путем бурения с выборкой грунта без создания вокруг и под ними уплотненных зон. В случаях выполнения скважин путем пробивки и создания вокруг них уплотненных зон весьма существенно снижается фильтрационная способность дренажных скважин, т.е. они будут выполнять функцию армирующих элементов и сдерживать интенсивность уплотнения грунтов, поэтому оказываются не эффективными;

в) для того чтобы обеспечить создание вокруг и особенно под сваей уплотненных зон, при которых достигается повышение несущей способности сваи, необходимо снижение влажности грунтов от полного водонасыщения ω_s до значения, близкого к оптимальной влажности ω₀, обычно равной ω₀=ω_р (ω_р - влажность на границе пластичности). Такое снижение влажности, как правило, происходит в течение 10-20 суток после прекращения замачивания, т.е. только спустя это время следует погружать забивную сваю в дренажную скважину. В связи с чем, если погружать сваю сразу же после прекращения замачивания, когда грунт находится в состоянии практически полного водонасыщения (степень влажности S_r≥0,8-0,9), то погружение сваи будет происходить практически без уплотнения околосвайного грунта и главным образом за счет выпора грунта в стороны с весьма существенным подъемом его поверхности вокруг скважины и частичным разуплотнением грунта вокруг и под сваей.

Таким образом, от момента выполнения дренажной скважины до погружения в нее забивной сваи по SU 885446 требуется около 2-3-х месяцев. По предлагаемой заявке это время может быть сокращено в зависимости от грунтовых условий до нескольких (1-2-х) часов;

г) выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой по SU 885446 неизбежно приводит к снижению прочностных и деформационных характеристик этих грунтов (особенно при их глинистом составе) и тем самым к снижению несущей способности забиваемой в последующем сваи, а также увеличению ее длины;

д) в SU 885446 не указываются пределы изменения диаметра дренажных скважин, которые могут в большей степени, чем их глубина, определять эффективность повышения несущей способности забивной сваи.

Задача, на решение которой направлена предложенная заявка, заключается в создании устройства свайного фундамента из забивных свай в пробитых скважинах с уширенным основанием-пятой, которое исключало бы указанные выше недостатки.

Технический результат, достигаемый при реализации данного способа, заключается в повышении несущей способности свай и эффективности применения свайных фундаментов за счет использования только одной сваебойной установки как при пробивке скважин, так и при повышении несущей способности свай путем создания уширенного основания из втрамбованного-уплотненного жесткого грунтового материала в нижней, а также при необходимости и в верхней части забивной сваи.

Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи, заключающемся в образовании скважины, заполненной без уплотнения уплотняющимся грунтом, и погружении в нее железобетонной сваи, достигается тем, что скважину образуют путем пробивки ее с использованием сваи с башмаком-пробойником в нижней части, над которым затем формируют уширенное основание из послойно отсыпанного и уплотненного жесткого грунтового материала, поверх которого отсыпают без уплотнения грунтовый материал с последующим погружением в него забивной железобетонной сваи и окончательным формированием уширенного основания в его верхней части и уплотненной зоны как в нижней части, так и по боковой поверхности забивной сваи.

Для пробивки скважины можно использовать инвентарную сваю с наконечником, имеющим нижнюю полость, в которой размещен башмак-пробойник.

Кроме того, для пробивки скважины можно использовать забивную железобетонную сваю со съемным наконечником, имеющим две полости в его нижней и верхней частях, в которых размещены соответственно верхняя часть башмака-пробойника и нижняя торцевая часть забивной сваи.

С целью сохранения целостности забивной железобетонной сваи в грунтах с плотными или твердыми включениями и башмака-пробойника при образовании скважины целесообразно вначале выполнить пробивку лидерной скважины.

При этом пробивку лидерной скважины осуществляют стальной инвентарной сваей с извлекаемым башмаком меньшего диаметра, чем диаметр башмака-пробойника.

Для повышения несущей способности забивной железобетонной сваи на горизонтальные и моментные нагрузки формируют в верхней части забивной железобетонной сваи уширение из жесткого грунтового материала с использованием шаблона-трамбовки с внутренней полостью вначале путем вытрамбовывания котлована-приямка с погружением в грунт шаблона вокруг оголовка сваи на глубину (1-2) d диаметра d поперечного сечения пробитой скважины с последующим заполнением котлована-приямка жестким грунтовым материалом и уплотнением его тем же шаблоном.

Кроме того, пробивку скважины в неустойчивых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтах выполняют с обсадной трубой, а после формирования уширенного основания выполняют засыпку скважины песчаным грунтом либо сыпучим грунтовым материалом одновременно с извлечением обсадной трубы из скважины с приложением к ней в необходимых случаях вибрации.

Описание предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена скважина, пробитая башмаком-пробойником, вставляемым в нижнюю полость, в том числе съемного наконечника, инвентарной сваи, погружаемой в грунт сваебойной установкой на заданную глубину с образованием уплотненной зоны вокруг пробитой скважины; на фиг. 2 - скважина, пробитая забивной железобетонной сваей, для чего забивная железобетонная свая в нижней части оборудуется съемным наконечником с двумя нижней и верхней полостями, в которые соответственно вставляются башмак-пробойник и закрепленная к наконечнику забивная железобетонная свая; на фиг. 3 - сформированное уширенное основание из втрамбованного нижней частью наконечника инвентарной сваи (уплотненного) жесткого грунтового материала (щебень, гравий, жесткий бетон и т.п.) после послойной отсыпки и втрамбовывания (уплотнения) в нижнюю часть скважины над башмаком-пробойником жесткого грунтового материала заданного объема на заданную высоту; на фиг. 4 - сформированное нижней частью съемного наконечника забивной железобетонной сваи уширенное основание из втрамбованного (уплотненного) жесткого грунтового материала (щебень, гравий, жесткий бетон и т.п.) после послойной отсыпки и втрамбовывания-уплотнения в нижнюю часть скважины над башмаком-пробойником жесткого грунтового материала заданного объема на заданную высоту; на фиг. 5 - погружение железобетонной забивной сваи в засыпанную скважину без уплотнения жесткого грунтового материала (щебень, гравий и т.п.) или местного грунта (песчаного, глинистого) на всю ее верхнюю часть с образованием дополнительных зон уплотнения грунта у уширенного основания и по боковой поверхности забивной сваи; на фиг. 6 изображено устройство уширения из уплотненного жесткого грунтового материала в верхней части забивной сваи стальным шаблоном-трамбовкой с внутренней полостью на глубину 1-2 диаметра пробитой скважины после вытрамбовывания котлована, послойной отсыпки и уплотнения в образовавшемся котловане-приямке жесткого грунтового материала.

Принятые обозначения:

1 - инвентарная свая;

2 - наконечник с внутренней полостью в нижней (торцевой) части;

3 - башмак-пробойник;

4 - пробитая скважина;

5 - уплотненная зона грунта вокруг и под пробитой скважиной;

6 - уширенное основание из втрамбованного-уплотненного жесткого грунтового материала;

7 - уплотненный грунтовый материал по боковой поверхности забитой сваи;

8 - дополнительная уплотненная зона после погружения-забивки железобетонной сваи;

9 - шаблон-трамбовка для формирования вытрамбованного котлована и уплотнения в нем жесткого грунтового материала 10;

11 - забивная железобетонная свая;

12 - съемный наконечник с внутренними полостями в нижней (торцевой) части и верхней части.

Способ устройства забивной сваи осуществляется следующим образом.

Скважину 4 образуют пробиванием инвентарной сваей 1 на заданную глубину с использованием наконечника 2, в том числе съемного (насадка), в нижнюю полость которого вставляется башмак-пробойник 3 (фиг. 1).

Кроме того, при определенных грунтовых условиях может быть использована только одна железобетонная свая, для чего забивная железобетонная свая 11 на фиг. 2 в нижней части оборудуется съемным наконечником 12 с двумя нижней и верхней полостями, в которые соответственно вставляются башмак-пробойник 3 и прикрепленная к наконечнику 12 забивная железобетонная свая 11 (фиг. 2). Полости в верхней и нижней частях съемного наконечника 12 выполняют соответственно по форме и размерам верхней части башмака-пробойника 3 и нижней (торцевой) части забивной железобетонной сваи 11. Причем съемный наконечник 12 используется только в процессе пробивки скважины (см. фиг. 2) и создания уширенного основания в нижней части скважины 4 из жесткого грунтового материала (фиг. 4).

Скважину 4 образуют путем пробивки ее на заданную глубину инвентарной сваей 1 с башмаком-пробойником 3 с углами заострения 25-90°, вставляемым в нижнюю часть наконечника 2 инвентарной сваи 1 с углом заострения и формой, аналогичными верхней части башмака-пробойника 3, или забивной железобетонной сваей 11 с наконечником 12, оборудованным двумя полостями, в нижнюю часть которого вставляется башмак-пробойник 3, а в верхнюю - забивная железобетонная свая 11. После этого в скважину 4 над башмаком-пробойником 3 послойно отсыпают и втрамбовывают (уплотняют) жесткий грунтовый материал нижней частью наконечника 2 или 12 инвентарной 1 или забивной железобетонной 11 сваей соответственно, на высоту, равную не менее 2-3 d - диаметра d пробитой скважины 4 над верхним острием башмака-пробойника 3 или до состояния отказа с формированием уширенного основания 6. Затем в скважину 4 отсыпают для повышения несущей способности по боковой поверхности сваи 11 жесткий грунтовый материал или местный грунт (песчаный, глинистый и т.п.) без уплотнения с последующим погружением в засыпанную скважину 4 забивной железобетонной сваи 11 с заглублением ее в жесткий грунтовый материал на глубину не менее 0,5 м (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. 2004) или до состояния отказа (при меньшей глубине, чем 0,5 м) с окончательным формированием нижнего уширенного основания 6 в верхней его части и уплотненной зоны как в нижней части, так и по боковой поверхности забивной сваи 11.

Углы заострения башмака-пробойника 3 назначают для обеспечения наибольшего эффекта уплотнения грунтов основания в нижней части и формирования уширенного основания 6 из втрамбованного (уплотненного) жесткого грунтового материала в верхней части вначале наконечником 2 инвентарной сваи 1 или наконечником 12 забивной железобетонной сваи 11, а затем в процессе погружения в него забивной железобетонной сваи 11.

Для повышения несущей способности забивной железобетонной сваи 11 на горизонтальные и моментные нагрузки выполняют уширение уплотненного грунтового материала 10 в верхней ее части (фиг. 6), для чего используют стальной шаблон-трамбовку 9 с внутренней полостью, когда вначале вытрамбовывают котлован (котлован-приямок) на глубину 1-2 d диаметра d скважины 4 (или по расчету), затем отсыпают в него послойно жесткий грунтовый материал 10 и уплотняют его шаблоном-трамбовкой 9 той же сваебойной установкой до коэффициента уплотнения k_com≥0,95 (В.И. Кругов, А.С. Ковалев, Е.И. Шихов. Опыт применения рациональных конструкций и технологий при устройстве оснований и фундаментов в г. Новороссийске //Механизация строительства. -1997, №12).

В качестве материала башмака-пробойника 3 может быть использован, например, бетон (железобетон), металл или их комбинация с углами заострения в верхней и нижней частях в пределах 25-90°, диаметром (поперечным сечением) с учетом наиболее распространенной номенклатуры железобетонных свай не менее 35 см, обеспечивающий, как показывает опыт, пробивку скважин в зависимости от грунтовых условий диаметром 35-45 см и образование уплотненной зоны диаметром до 55 см. В качестве съемного наконечника 2 или 12 может быть использована стальная труба круглой или квадратной формы в плане, которая снабжена одной нижней полостью при использовании инвентарной сваи 1 или двумя полостями в нижней и верхней частях при использовании забивной железобетонной сваи 11, выполненными соответственно по форме и размерам верхней части башмака-пробойника 3 и нижней части забивной железобетонной сваи 11, которые крепятся в своей нижней части к стенкам съемного наконечника 2 или 12, например, болтами.

Перед забивкой-погружением инвентарной 1 или забивной 11 железобетонной сваи башмак-пробойник 3 устанавливают на месте будущей скважины, затем опускают на него инвентарную 1 (или забивную 11) железобетонную сваю с наконечником 2 или 12 с нижней полостью и погружают ее, например, штанговым дизель-молотом в грунт с образованием пробитой скважины 4 и уплотненной зоны.

Кроме отмеченного выше, для повышения несущей способности и обеспечения возможности устройства:

- в неустойчивых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтах пробивку скважины выполняют с обсадной трубой (не показана) и после извлечения инвентарной или железобетонной сваи выполняют засыпку скважины песчаным грунтом или сыпучим жестким грунтовым материалом с одновременным извлечением обсадной трубы тросом лебедки сваебойного агрегата из скважины с приложением к ней в необходимых случаях вибрации после формирования нижнего уширения;

- при наличии твердых включений, например, в насыпных грунтах вначале пробивают лидерную скважину (не показана) стальной инвентарной сваей с извлекаемым башмаком, например, конструкции НИИОСП (Смородинов М.И. и др. Машины и оборудование для устройства оснований и фундаментов. - М.: Стройиздат, 1985) меньшего диаметра, а затем сваей с башмаком-пробойником по предлагаемому способу большего диаметра;

- пробивку скважины, формирование уширенного основания, забивку сваи осуществляют с помощью направляющей металлической плиты с отверстием в центре под забивную сваю, например, частично по аналогии с оборудованием для устройства фундаментов из забивных блоков (В.И. Кругов, А.С. Ковалев, В.А. Ковалев. Проектирование и устройство оснований и фундаментов на просадочных грунтах. М.: Издательство АСВ, 2013).

Наиболее существенными отличиями и преимуществами предлагаемого способа является возможность:

- пробивки скважины 4, формирования уширенного основания 6, погружения сваи 11 в отсыпанный без уплотнения в пробитую скважину 4 грунт - жесткий грунтовый материал или местный грунт с существенным сокращением времени на устройство свайного фундамента и созданием вокруг и под скважиной уплотненных зон грунтов с повышенными прочностными и деформационными характеристиками грунтов;

- повышения несущей способности сваи 11 (свайного фундамента) за счет устройства уширенного основания 6 (уширения) из втрамбованного-уплотненного жесткого грунтового материала в нижней и верхней ее частях соответственно;

- в грунтах с твердыми включениями использовать вначале пробивку лидерной скважины, в том числе инвентарной стальной сваей с извлекаемым башмаком меньшего диаметра, например, конструкции НИИОСП (Смородинов М.И. и др. Машины и оборудование для устройства оснований и фундаментов. - М.: Стройиздат, 1985), а затем пробивку скважины по предложенному способу большего диаметра поперечного сечения.

Необходимо также отметить, что изложенные выше отличия и преимущества предложенного способа позволяют существенно (в целом до 1,5-2-х и более раз) снизить материальные и трудовые затраты, время на устройство свайных фундаментов по сравнению с применением рассмотренных выше известных технических решений, а также повысить надежность установки-забивки башмака-пробойника на дне пробитой скважины за счет обеспечения плотного контакта его стенок с грунтом основания и тем самым качества устройства нижнего уширенного основания.