Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления буро-задавливаемой сваи

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам возведения свайных фундаментов.

Известен способ устройства свайных фундаментов с предварительно пробуренной в грунте лидерной скважиной [1: htpp//kommtex.ru/primenenie-lidernyh-skvazin]. Этот способ применяют в плотных грунтах или при большой длине сваи, чтобы облегчить ее погружение в грунт. Реализуется способ следующим образом. В грунте пробуривают лидерную скважину, диаметр которой обычно составляет 0,8-0,9 от диаметра (стороны поперечного сечения) сваи, а глубина соответствует длине сваи. Затем в лидерную скважину вставляется железобетонная (деревянная, металлическая) свая и забивается с помощью дизель молота или копра. За счет лидерной скважины сопротивление грунта забивке сваи существенно снижается и составляет порядка 10-20% от сопротивления грунта без устройства лидерной скважины.

Таким образом, указанный способ изготовления бурозадавливаемой сваи включает бурение в грунте лидерной скважины радиуса R₀ и последующее погружение в ствол скважины сваи до проектной отметки, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.

Кроме того, сваю в ствол скважины погружают под действием динамической нагрузки.

Недостатком данного способа является снижение трения сваи по боковой поверхности по сравнению с обычными забивными сваями, что уменьшает ее общую несущую способность.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является способ, применяемый для устройства фундаментов в вечномерзлых грунтах (т.н. буроопускные сваи) [2: htpp//kommtex/buroopusknie-svai.html]. Сущность способа заключается в том, что в массиве грунта бурят скважину, полость которой частично заполняют водо-цементно-песчаной смесью. Затем в скважину под действием собственного веса опускают железобетонную (металлическую, деревянную) сваю. Вытесненный погруженной сваей твердеющий раствор проникает между стволом сваи и стенками скважины и, твердея, создает прочный контакт сваи с грунтом.

Таким образом, указанный способ изготовления бурозадавливаемой сваи включает бурение в грунте лидерной скважины радиуса R₀, заполнение части скважины раствором и последующее погружение в ствол скважины сваи до проектной отметки, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Кроме того, ствол скважины заполняют водо-цементно-песчаной смесью, а погружение в ствол скважины сваи до проектной отметки осуществляют под действием собственного веса.

Недостатки данного способа аналогичны предыдущему аналогу.

С целью преодоления указанных недостатков предлагается способ изготовления бурозадавливаемой сваи, включающий бурение в грунте лидерной скважины радиуса R₀, заполнение части скважины твердеющим раствором, последующее погружение в ствол скважины сваи до проектной отметки, отличающийся тем, что сваю погружают под действием статической нагрузки, а радиус ее верхней части выбирают с учетом соотношения 1.2R₀<R₁<1.6R₀.

Кроме того, свая выполнена в виде цилиндра, радиус которого выбирают с учетом соотношения 1.2R₀<R₁<1.6R₀.

Кроме того, свая выполнена в виде усеченного конуса, у которого радиус нижней части выбирают с учетом соотношения R₁<R₀.

Кроме того, свая выполнена в виде отдельных соосных секций, образующих усеченный конус, у которого радиус нижней секции выбирают с учетом соотношения R₁<R₀, причем высота каждой секции уменьшается по мере ее заглубления, а погружение секций конуса производится толкателем, выполненным в виде трубы с фланцем, последовательно и поочередно, начиная с секции меньшего диаметра.

Кроме того, нижняя секция конусной сваи имеет направляющую трубу, жестко соединенную с секцией, а последующие секции имеют центральное отверстие для пропуска направляющей трубы.

Положительный результат предлагаемого изобретения состоит в повышении несущей способности сваи, повышении технологичности, снижении стоимости, материалоемкости и времени строительства фундамента, а также в снижении негативных воздействий на грунты основания и конструкции сооружения и повышении точности его реализации.

Список фигур чертежей:

Фиг. 1. Последовательность погружения сваи:

а) проходка лидерной скважины;

б) заполнение скважины жидким (цементным) раствором;

в) погружение ж.б. или металлической сваи в лидерную скважину, заполненную раствором;

г) конечное положение сваи с оболочкой из раствора,

где использованы следующие обозначения:

1 - ствол лидерной скважины; 2 - жидкий раствор; 3 - железобетонная или металлическая свая.

Фиг. 2. Устройство свай с лидерной скважиной, заполняемой цементным раствором:

а) погружение инъектора в лидерную скважину и заполнение цементным раствором;

б) общий вид сваи с уширением.

Фиг. 3. Последовательность устройства составных конических свай, погружаемых в лидерную скважину:

а) проходка лидерной скважины;

б) заполнение скважины жидким (цементным) раствором через инъектор;

в) задавливание толкателем нижней части конической сваи;

г) задавливание второй секции конической сваи по направляющей;

д) задавливание третьей секции конической сваи;

е) конечное положение сваи,

где использованы следующие обозначения:

1 - ствол лидерной скважины; 2 - жидкий раствор; 3 - свая (коническая, состоящая из первой, второй, третей секции); 4 - инъектор; 5 - направляющая; 6 - толкатель; 7 - уширение из цементного раствора; 8 - уплотненный грунт.

Фиг. 4 Фундамент из составных конических свай:

а) общий вид секционной конической сваи

б) коническая секционная свая с направляющей трубой;

в) общий вид составной конической сваи, погруженной в лидерную скважину, заполненную раствором.

На фиг. 1 приведена последовательность работ по устройству свай по предлагаемому способу.

На фиг. 2 (фото) приведены результаты эксперимента на модели сваи в грунтовом лотке по предлагаемой технологии.

На фиг. 3 показана последовательность погружения секций составной конической сваи.

На фиг. 4 показаны результаты экспериментов на модели составной конической сваи в грунтовом лотке.

Предлагаемый способ предназначен для использования в обычных грунтах и реализуется следующим образом. В массиве грунта бурится лидерная скважина, которая частично заполняется твердеющим раствором. Радиус скважины должен составлять не более 0.7 от радиуса залавливаемой сваи для того, чтобы раствор, вытесняемый из полости скважины при погружении сваи, не прорвался по ее стволу к устью. Это соотношение следует из условия равенства объема полости скважины и полости, заполняемой раствором, которая образуется при уплотнении грунта стенок скважины из-за вытеснения раствора погружаемой сваей:

где R₁ - радиус скважины; R₂ - радиус скважины с уплотненными стенками.

То есть, левая часть равенства представляет объем вытесненной из ствола скважины бетонной смеси на единицу глубины, а правая часть - объем кольца, образованного за счет уплотнения грунта вокруг стенок скважины на единицу глубины. Отсюда следует, чтобы не было прорыва бетонной смеси по стволу сваи - ее диаметр должен быть больше, чем радиус расширенной уплотнением скважины:

Далее свая погружается до проектной глубины. После твердения бетонной смеси такая свая будет обладать несущей способностью, значительно большей, чем обычная свая, задавленная в грунт. Это происходит из-за того, что диаметр задавленной сваи с учетом оболочки из затвердевшего раствора вокруг нее составит:

То есть, площадь боковой поверхности такой сваи будет, примерно, на 30% больше, чем у обычной сваи. Кроме того, за счет большего уплотнения грунта вокруг сваи из-за того, что ее радиус будет больше на 30%, чем у обычной сваи, сила трения сваи о грунт по боковой поверхности будет существенно больше.

В качестве варианта предлагаемой технологии предлагается, в случае рыхлых грунтов, погружать в лидерную скважину сваю в виде усеченного конуса. Меньший радиус вершины усеченного конуса должен быть меньше или равен радиусу лидерной скважины, а основание конуса (угол) подбирается расчетом и зависит от грунта и возможностей силовой установки задавливающего устройства.

Такая форма задавливаемой сваи обеспечит невозможность прорыва раствора, находящегося в полости скважины, к ее устью, обеспечит более эффективное уплотнение грунта вокруг сваи и обеспечит повышение трения сваи о грунт, что существенно повысит ее общую несущую способность.

Кроме того, для снижения усилия задавливания сваи и повышения технологичности процесса предложено сделать коническую сваю составной, разделив ее по высоте на несколько частей.

Тогда последовательность работ будет выглядеть следующим образом. Вначале осуществляется проходка лидерной скважины. Затем нижняя часть скважины заполняется твердеющим раствором и в скважину при помощи толкателя - металлической трубы с фланцем (для более равномерной передачи нагрузки) задавливается статической нагрузкой первая секция конусной сваи. В процессе задавливания конус секции уплотняет грунт вокруг скважины и расширяет ее до радиуса, равного радиусу основания (широкой части) конуса. Когда секция коснется раствора в скважине, давление будет передаваться на раствор, а от него - на стенки скважины, создавая уширение в грунте.

После достижения проектной отметки нижней части конуса на устье скважины устанавливают вторую секцию усеченного конуса, у которого радиус меньшей (нижней) части равен радиусу верхней (широкой) части первой секции сваи и, соответственно, радиусу уширенной лидерной скважины и производят при помощи толкателя задавливание статической нагрузкой до касания первой секции. Затем, аналогичным образом, задавливают остальные секции.

Для того чтобы обеспечить погружение секций строго по оси скважины и избежать перекосов при задавливании секций, к нижней (первой) секции жестко крепится направляющая труба, а, соответственно, остальные секции имеют отверстия, в которые проходит направляющая труба при погружении секций.

Для обеспечения равных усилий при погружении секций целесообразно каждую последующую секцию изготавливать длиннее предыдущей.

Покажем, что требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.

То, что в предлагаемом способе осуществляют бурение в грунте лидерной скважины радиуса R₀, заполнение части скважины твердеющим раствором, последующее погружение в ствол скважины сваи до проектной отметки, сваю погружают под действием статической нагрузки, а ее радиус ее верхней части выбирают с учетом соотношения 1.2R₀<R₁<1.6R₀, повышает несущую способности сваи, снижает стоимость, материалоемкости и время строительства фундамента, а так же снижает негативные воздействия на грунты основания и конструкции сооружения.

То, что в предлагаемом способе свая выполнена в виде цилиндра, радиус которого выбирают с учетом соотношения 1.2R₀<R₁<1.6R₀, также повышает несущую способности сваи, снижает стоимость, материалоемкость и время строительства фундамента, а также снижает негативные воздействия на грунты основания и конструкции сооружения.

То, что в предлагаемом способе свая выполнена в виде усеченного конуса, у которого радиус нижней части выбирают с учетом соотношения R₁<R₀, повышает несущую способность сваи,

То, что в предлагаемом способе свая выполнена в виде отдельных соосных секций, образующих усеченный конус, у которого радиус нижней секции выбирают с учетом соотношения R₁<R₀, причем высота каждой секции уменьшается по мере ее заглубления, а погружение секций конуса производится толкателем, выполненным в виде трубы с фланцем, последовательно и поочередно, начиная с секции меньшего диаметра, также повышает технологичность способа, упрощает его реализацию за счет снижения необходимых создаваемых нагрузок, также повышает несущую способности сваи, снижает стоимость строительства.

То, что в предлагаемом способе нижняя секция конусной сваи имеет направляющую трубу, жестко соединенную с секцией, а последующие секции имеют центральное отверстие для пропуска направляющей трубы, также повышает технологичность способа, точность его реализации, упрощает его реализацию за счет снижения необходимых создаваемых нагрузок, также повышает несущую способности сваи, снижает стоимость строительства..

В результате проведенных экспериментов обнаружено, что для погружения сваи по предлагаемой технологии требуется усилие на 20% больше, чем при задавливании обычной сваи в грунт, зато несущая способность такой сваи больше на 35-40%, что свидетельствует о состоятельности предлагаемой технологии.

Несмотря на простоту предлагаемой технологии, насколько это известно авторам, она не описана в технической и патентной литературе и не применялась ранее на практике. Это объясняется тем, что для реализации данной технологии необходимо обеспечение задавливания свай статической нагрузкой. Метод забивки в данном случае неприменим, так как удар дизель-молота обладает слишком малым импульсом силы (малым временем взаимодействия со сваей). В результате короткого импульсного воздействия в полости сваи, заполненной жидким раствором, возникает импульсное гидростатическое воздействие, но грунт не успевает деформироваться, и молот получает упругий отскок.

Погружение свай статической нагрузкой осуществляется значительно реже, чем погружение свай забивкой или устройство буронабивных свай. Для погружения свай задавливанием требуется громоздкое оборудование с возможностью восприятия реактивного усилия от задавливания сваи.

Однако для особых случаев, например при пересадке здания на сваи при реконструкции, эта технология может быть весьма эффективна, так как реактивное усилие от задавливания может восприниматься весом здания.

Для обеспечения равного усилия погружения секций высота каждой последующей секции больше предыдущей более чем в 1.4 раза.

Предлагаемая технология была апробирована в лабораторных условиях и показала достаточно хорошую эффективность.