Способ изготовления набивной сваи и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к строительству, в частности, к возведению одиночных грунтово-конструктивных набивных трубчато-заполненных свай для строительства свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений.

Известны способ изготовления набивной трубчатой сваи и устройство для его осуществления, включающих образование в грунте скважины, размещение в ней уплотняющего открытого по торцам полого элемента, диаметр которого меньше диаметра скважины на толщину стенки трубчатой сваи, подачу бетонной смеси в пространство между стенками скважины и полым элементом с ее уплотнением и с одновременной укладкой дренирующего материала в полость элемента и извлечением его из скважины (см. патент Японии №37-16119, кл. 86АЗ, 1962). Недостатком способа и устройства для его реализации является обеспечение уплотнением бетонной смеси незначительного напряжения обжатия ствола сваи окружающим его грунтом по экспериментальным и расчетным данным, примерно, до σ_1-2=60 кПа при физически максимально возможном предельном напряжении грунта основания сваи σ_1-5 равным, примерно, 300 кПа, где σ_1-5 - максимальные напряжения пяти зон состояний предельных равновесий грунта (см. Борозенец, Л.М. Геотехника фундаментостроения и грунтоустойчивости: монография / Л.М. Борозенец. - Тольятти,: ТГУ, 2015. - 588 с.).

Наиболее близким техническим решением является способ возведения набивной трубчатой сваи, включающий: образование в грунте скважины; установку в нее открытого по торцам полого элемента диаметром меньше диаметра скважины на толщину засыпного слоя сухой бетонной смеси стенки ствола трубчатой сваи с коническим расширителем для уплотнения и формующим цилиндром в его нижней части, диаметр которого меньше диаметра скважины на толщину стенки трубчатой сваи; осуществляют засыпку в забой скважины слоя сухой бетонной смеси для закрытия нижнего торца трубчатой сваи и подачу ее в пространство между стенками скважины и полым элементом с одновременным заполнением дренирующим материалом полости элемента и извлечение его из скважины; при этом укладку сухой бетонной смеси и дренирующего материала производят по глубине скважины порциями; после укладки каждой порции внутри полого элемента в пространстве камеры над дренирующим материалом размещают заряд взрывчатого вещества и герметизируют верхний торец полого элемента; уплотнение сухой бетонной смеси коническим расширителем и формирование трубчатого ствола сваи цилиндрическим нижним концом полого элемента, а также извлечение его производят посредством взрыва заряда; после укладки сухой бетонной смеси до устья скважины осуществляют ее увлажнение путем подачи воды в дренирующий материал, (см. Авторское свидетельство на изобретение SU №1045652 А МПК E02D 27/10, E02D 5/38, 1981 «Способ возведения набивной трубчатой сваи»; автора Борозенец Л.М.; заявка: 3301603/29-33, 10.04.1981), принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что уложенный в забое скважины слой бетона жестко закрывает нижний торец трубчатой сваи и исключает дренирующий материал из работы на сжатие совместно с трубчатым стволом сваи; способ требует значительных временных и трудовых затрат, связанных с пооперационной последовательной засыпкой дозированных порций сухой бетонной смеси и дренирующего материала; создание уплотнением сухой бетонной смеси, дренирующего материала и окружающего ствол сваи грунта напряжения, примерно, σ_1-3=120 кПа при физически максимально возможном предельном напряжении грунта основания сваи σ_1-5 равным около 360 кПа.

Известно устройство для осуществления способа, включающее: полый элемент с открытыми торцами диаметром меньше диаметра скважины на толщину засыпного слоя сухой бетонной смеси с коническим раструбом для уплотнения и формующим цилиндром в его нижней части, рабочий диаметр которого меньше диаметра скважины на толщину стенки ствола трубчатой сваи; камеру взрывания заряда взрывчатого вещества и затвор-зарядоноситель для герметизации верхнего открытого торца полого элемента (см. Авторское свидетельство на изобретение SU №1045652 А МПК E02D 27/10, E02D 5/38, 1981 «Способ возведения набивной трубчатой сваи»; автора Борозенец Л.М.; заявка: 3301603/29-33, 10.04.1981), принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относят то, что геометрические параметры полого элемента и формующего ствол трубчатой сваи цилиндра в его нижнем торце не предусмотрены для достижения физически максимально возможного предварительного предельного напряжения окружающего ствол трубчатой сваи грунта, например, до σ_1-5=360 кПа путем дополнительного увеличения диаметра скважины до расчетного значения при помощи механического ее грунтовытеснения и уплотнения окружающего грунта посредством сжимаемой сухой бетонной смеси.

Сущность изобретения заключается в следующем. Заявляемая группа изобретений направлена на решение задачи - внедрение в строительное производство набивных составных грунтово-конструктивных трубчато-заполненных свай, реализующих физически максимально возможную несущую способность грунтов их оснований, состоящих из несущего грунтового строительного элемента сваи - грунтоуплотненного ядра в виде кругового конуса, формируемого грунтовытесняющим статическим воздействием давления формующей колонны дренирующего материала и торца трубы ствола сваи; из несущего конструктивного строительного элемента сваи плотно сопряженного ее нижним торцом с основанием кругового конуса уплотненного ядра грунта, включающего железобетонную трубчатую оболочку ствола сваи, дренирующий материал, размещенный в полости оболочки и оголовок сваи.

Технический результат - осуществление новых условий взаимодействия сухой бетонной смеси с грунтом, окружающим исходную скважину, дренирующего материла с сухой бетонной смесью, уложенных на всю глубину скважины от ее устья; рабочего органа конусно-цилиндрического формы, элементарных секций трубы и секции гидроцилиндра, жестко связываемых между собой с помощью быстроразъемного соединения в формующую колонну; грузоподъемного крана и гидроцилиндра одновременно извлекающих формующую колонну с одинаковой заданной скоростью; скорость движения штока гидроцилиндра в процесс уплотнения дренирующей смеси в два раза превышает скорость подъема корпуса гидроцилиндра, при этом шток гидроцилиндра опускается вниз на длину двух элементарных секций трубы, а корпус одновременно поднимается вверх на длину одной элементарной секции; созданного грунтовытеснением несущего грунтового строительного элемента сваи с его качественно-улучшенным уплотнением грунтовым основанием; дренирующего материала с внутренней поверхностью трубчатой железобетонной оболочки ствола сваи и с ее оголовком под действием сжатия контактным давлением отпора грунта через открытый нижний торец оболочки; боковой поверхности кругового конуса и ствола сваи с предварительно предельно-напряженными зонами пяти состояний предельных равновесий окружающего и обжимающего грунта; реализация вышеуказанных взаимодействий значительно повысит устойчивость, несущую способность, качество, надежность, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность набивной составной грунтово-конструктивной трубчато-заполненной сваи.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что составную сваю возводят из несущих грунтового и конструктивного строительных элементов, грунтовый строительный элемент, или уплотненное ядро грунта, формируется в виде перевернутого кругового конуса статическим грунтовытесняющим давлением собственного веса формующей колонны, столба дренирующего материала, заполняющего полость трубы формующей колонны, трубчатой оболочки ствола сваи и дополнительным принудительным давлением ее уплотнения от действия штока гидроцилиндра, при этом вокруг конуса образуется пять зон 1…5 состояний предельных равновесий, имеющих предварительные максимальные напряжения от значений σ₁=τ₁ до σ₅=τ₅, которые суммарно действуют на боковую поверхность конуса в значениях Σσ_i=σ_1-5, и Στ_i=τ_1-5 причем значения σ_1-5=τ_1-5, таким образом круговой конус определяет несущую способность нижнего конца сваи F_d=А_б.п.τ_1-5, и проявляет контактный отпор грунтового основания конуса σ_q=F_d/А_н.к., который сжимает столб дренирующего материала и железобетона трубчатого ствола по длине сваи до ее оголовка раздельно; конструктивный элемент включает железобетонную трубчатую оболочку и дренирующий материал-заполнитель, трубчатую оболочку выполняют после опускания в подготовленную исходную скважину диаметром D_C1 с концентричным расположением арматурного каркаса и формующей колонны, предварительно смонтированной из цилиндро-конического раструба рабочего органа и элементарных секций трубы колонны, засыпкой сухой бетонной смеси между стенкой скважины и наружной поверхностью трубы формующей колонны сразу на всю глубину скважины и дренирующего материала в полость колонны также на всю ее длину, наращивают трубу колонны секцией трубы, содержащей внутри гидроцилиндр, с помощью быстроразъемного жесткого соединения стыка, грузоподъемным краном и гидроцилиндром извлекают формующую колонну на высоту h, при этом цилиндро-коническим раструбом рабочего органа производится уплотнение сухой бетонной смеси и грунтовытеснение исходной скважины от диаметра D_C1, до расчетного диаметра D_C, с одновременной переукладкой дренирующего материала в полости трубчатой оболочки диаметром D_d и уплотнением его давлением от собственного веса и штока гидроцилиндра, равного силе подъема его корпуса, в верхней части колонны штоком гидроцилиндра дренирующий материал продавливается из двух элементарных секций на глубину 2h, отсоединяют одну элементарную секцию, извлеченную из скважины, от трубы колонны и от гидроцилиндра, засыпают дозу дренирующего материала в объем двух пустых элементарных секций до обреза трубы, соединяют в стыке секцию трубы гидроцилиндра с трубой колонны включают извлечение формующей колонны на следующую высоту h, далее операции продолжаются до выхода рабочего органа из скважины, водонасыщают дренирующий материал для пропитки сухой бетонной смеси и последующего ее твердения, после набора прочности бетона оформляют оголовок сваи из литой бетонной смеси для жесткого закрытия верхнего торца трубчатого ствола сваи. По боковой поверхности ствола сваи на длине действуют также, как и на корпус, предварительные максимальные напряжения σ_1-5=τ_1-5 обжатия пяти зон 1…5 состояний предельных равновесий, а на глубину напряжения изменяются от σ_d до σ_1-5=τ_1-5, таким образом, произведения значений указанных напряжений на соответствующие площади боковой поверхности ствола сваи и кругового конуса определяют физически максимально возможную несущую способность ее грунтоуплотненного основания.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что формующая колонна состоит из рабочего органа, набора элементарных секций и гидроцилиндра, рабочий орган включает отрезок трубы колонны диаметром D₁, снабженный быстроразъемным соединением в виде одного витка прямоугольной резьбы сечением 10(h) × 20(b) мм, раструб уплотнения в виде усеченного конуса и отрезок формующего цилиндра диаметром D_d, элементарная секция принята длиной h равной высоте извлечения рабочего органа за одну операцию и снабжена по торцам элементарными быстроразъемного соединения, диаметр D₁ секции принят меньше диаметра D_d формующего цилиндра на значение расчетной разности D_C и D_C1, секция трубы для размещения гидроцилиндра содержит петлю для подвески на кран и в нижнем торце элемент быстроразъемного соединения, корпус гидроцилиндра жестко соединен с трубой в ее верхнем закрытом торце, длина рабочего хода штока гидроцилиндра принята равной 3h из расчета подъема корпуса гидроцилиндра с трубой на отрезок h относительно уровня дневной поверхности грунта и выхода штока из гидроцилиндра на 2h для уплотнения дренирующего материала, при этом скорость извлечения формующей колонны краном и корпусом гидроцилиндра принимаются равными по величине, а скорость перемещения штока гидроцилиндра в два раза превышает скорость его корпуса.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше, и вышеуказанным техническим результатом. Образование под нижним торцом сваи давлением собственного веса столба дренирующего материала, формующей колонны и сухой бетонной смеси и давлением штока гидроцилиндра грунтоуплотненного ядра в виде кругового конуса, с углом при вершине равным значению двум углам внутреннего трения грунта ϕ, и формование круговым конусом наибольших напряжений σ_1-5=τ_1-5 пяти зон состояний предельных равновесий 1…5 окружающих его боковую поверхность, обусловливают его физически максимально возможную несущую способность, поэтому названным присоединенным к нижнему торцу сваи, ее несущим строительным грунтовым элементом. Укладка сухой бетонной смеси между стенками исходной скважины и колонны, дренирующего материала в полостях рабочего органа и трубы колонны одновременно на всю глубину скважины и длину колонны способствует сокращению временных и трудовых затрат. Уплотнение сухой бетонной смеси с дополнительным грунтовытеснением исходной скважины до размера расчетной скважины и одновременной переукладкой и уплотнением дренирующего материала, заполняющего объем полости трубы колонны и рабочего органа давлением собственного веса его столба и штока гидроцилиндра с фиксацией и сохранением предварительно сформированных максимальных по значению напряжений в пяти зонах состояний предельных равновесий грунта окружающего ствол сваи, обеспечивает достижение физически максимально возможной несущей способности грунтоуплотненного таким образом основания по боковой поверхности ствола сваи. Уменьшение длины трубы колонны, извлекаемой из скважины, удалением элементарных секций, укладка дополнительной дозы дренирующего материала в объем двух освобождаемых от него штоком гидроцилиндра элементарных секций и жесткое закрытие верхнего торца трубы колонны ее секцией с гидроцилиндром повышают производительность изготовления сваи. Повышение предельным уплотнением сухой бетонной смеси монолитности и плотности бетона трубчатого ствола сваи исключением присутствия пузырьков воздуха в нем, как концентраторов напряжений, его качества и прочности, следовательно, уменьшения расхода бетона. Применение открытого торца трубчатого ствола сваи позволяет включить его в раздельную работу на сжатие наряду со столбом дренирующего материала, что уменьшает расход бетона на трубчатый ствол сваи. Устройство в виде грузоподъемного крана и составной формующей колонны, включающей рабочий орган, элементарные секции трубы и секцию трубы для гидроцилиндра, объединяемых друг с другом при помощи быстроразъемных резьбовых элементов соединения, позволяющих оперативно уменьшать длину колонны при извлечении ее из скважины, что обеспечивает простоту его работы и повышает производительность. Разность размеров радиусов основания конуса R_d и его усечения R₁ рабочего органа равняется значению дополнительного грунтовытеснения исходной скважины от D_C1 до D_C, что осуществляет при извлечении формующей колонны уплотнение сухой бетонной смеси, дополнительное грунтовытеснение скважины, грунтоуплотнение основания сваи и формирование максимальных напряжений пяти зон состояний предельных равновесий. Гидроцилиндр, размещенный в секции трубы колонны, жестко соединенной с ней, совместно с грунтоподъемным краном участвует в извлечении формующей колонны с одновременным продавливанием и уплотнением дренирующего материала в полости трубчатого ствола сваи, чем уменьшаются технико-экономические затраты используемого в работе крана. Скорость подъема корпуса гидроцилиндра принята равной скорости извлечения формующей колонны грузоподъемным краном на высоту, равную длине элементарной секции трубы, а скорость выдвижения штока гидроцилиндра при продавливании и уплотнении дренирующего материала в двух элементарных секциях трубы в два раза большей скорости его корпуса, что обеспечивает постоянное расчетное давление гидроцилиндра на дренирующий материал и исключение деформации ствола сваи при выходе рабочего органа из слоя слабого грунта в слой более прочного и, следовательно, повышение качества изготовления свай.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию их единства, поскольку эта группа образует единый замысел, причем заявленный объект группы - способ изготовления набивной трубчатой сваи при его осуществлении предназначен в совокупности для формирования несущего грунтового строительного элемента и изготовления несущего конструктивного строительного элемента; заявленный объект группы - устройства для осуществления способа при его применении предназначен в совокупности для получения грунтоуплотненного кругового конуса, т.е. несущего грунтового строительного элемента и трубчато-заполненного ствола сваи, т.е. несущего конструктивного строительного элемента.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления каждого объекта заявленной группы изобретений с получением вышеуказанного технического результата. По объекту-способу отмечается, что изготовление составной сваи производят из ее несущего грунтового строительного элемента, формируемого вытеснением и уплотнением грунта давлением формующей колонны, сухой бетонной смеси и столба дренирующего материала, рассматриваемого как уплотненное ядро, в виде кругового конуса из максимально уплотненного грунта в его объеме; из несущего конструктивного строительного элемента сваи, изготавливаемого из железобетона и дренирующего материала-заполнителя; по объекту-устройству для осуществления способа изготовления сваи отмечается, что монтаж составной формующей колонны выполняется из рабочего органа, элементарных секций трубы, деталей гидроцилиндра, выполняемых из стальных труб и поковок; набивная составная грунтово-конструктивная трубчато-заполненная свая производится из присоединенного кругового конца уплотненного грунта, железобетонного трубчатого ствола и столба уплотненного дренирующего материала-заполнителя.

По объекту-устройству для реализации способа изготовления сваи или составной формующей колонны с грузоподъемным краном, в целом на фиг. 1 изображен его вертикальный разрез, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А по фиг. 1; на фиг. 3 - вертикальный разрез сваи, на фиг. 4 - поперечное сечение Б-Б по фиг. 3.

В грунте образуют исходную скважину 1 диаметром D_C1, в ней размещают соосно арматурный каркас 2, с последующим размещением в нем концентрично составной формующей колонны 3, укладывают сухую бетонную смесь 4 засыпной плотности, между стенками исходной скважины 1 и формующей колонны 3 на всю глубину скважины до ее устья с использованием воронки 5, одновременно укладывают дренирующий материал-заполнитель 6 в полости рабочего органа 7 и составной трубы 8 из элементарных секций 9 с помощью воронки 10, на всю высоту трубы до ее обреза, верхний торец трубы 8 жестко закрывается секцией трубы 11 с размещенным в ней гидроцилиндром 12, все элементы 7, 8 и 11 составной формующей колонны 3 жестко монтируются друг с другом быстроразъемным резьбовым соединением 13 с помощью рычажных накидных ключей, при извлечении колонны 3 из скважины 1 на высоту, равную длине элементарной секции 8 грузоподъемным краном 14 совместно с гидроцилиндром 12 усеченный конус 15 рабочего органа 7 уплотняет сухую бетонную смесь 4 и одновременно дополнительно расширяет исходную скважину 1 от диаметра D_C1 и грунтовытесняет рабочую скважину 16 до расчетного диаметра D_C, цилиндр 17 рабочего органа 7 диаметром D_d формует полость 18 трубчатого ствола сваи, из уплотненной сухой бетонной смеси 19, при этом вокруг ствола сваи 20 формируются зоны 1…5 состояний предельных равновесий грунтоуплотняемого основания А с предварительными максимальными напряжениями σ₁…σ₅ равными τ₁…τ₅. В процессе изготовления несущего конструктивно строительного элемента Б составной сваи под его нижним концом 21 формируется несущий грунтовый строительный элемент В с уплотнением грунта основания А давлением собственного веса формующей колонны 3, трубчатой оболочки сухой бетонной смеси 4, столба дренирующего материала 6 и принудительным давлением гидроцилиндра 12 с формированием грунтоуплотненного ядра в виде кругового конуса 22 и зон 1…5 состояний предельных равновесий грунта с предварительными максимальными напряжениями σ₁…σ₅, равными τ₁…τ₅. Верхний торец трубчатой оболочки 23 жестко закрывается железобетонным оголовком 24. Таким образом, обжатие боковых поверхностей ствола сваи и ее кругового конуса осуществляется предварительными максимальными напряжениями грунтоуплотненного несущего основания А.

Заявленная группа изобретений предназначена для применения при изготовлении набивных составных грунтово-конструктивных трубчато-заполненных свай в строительстве свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий и других сооружений. В настоящее время известны все средства и методы для осуществления заявленной группы изобретений.

Использование группы изобретений ведет к расширению области применения в условиях плотной городской застройки указанных решений, к достижению физически максимально возможной несущей способности предварительно грунтонапряженных оснований, к снижению затрат на строительство и к сокращению сроков строительства свайных фундаментов зданий и прочих сооружений путем изготовления набивных составных свай из несущего грунтового строительного элемента, формируемого в грунте в процессе изготовления несущего конструктивного элемента, включающего железобетонную трубчатую оболочку ствола сваи, заполненную несущим дренирующим материалом и несущий оголовок, жестко соединенных между свай.

На основании новизны технических решений группы изобретений для изготовления набивных составных трубчато-заполненных свай осуществляются новые условия взаимодействия между: несущими грунтовым и конструктивным строительными элементами сваи и их несущим грунтонапряженным основанием; рабочим органом, элементарными секциями и гидроцилиндром составной формующей колонны; рабочим органом, сухой бетонной смесью, вытесняемым уплотняемым и напрягаемым грунтом и дренирующим материалом; дренирующим материалом-заполнителем, железобетонной трубчатой оболочкой сваи и с ее оголовком.