Способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте

 

Изобретение относится к сооружению оснований и фундаментов в многолетнемерзлом грунте. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в сокращении времени монтажа и повышении несущей способности сваи за счет уменьшения теплового воздействия и сокращения времени вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт. Способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте включает бурение скважины диаметром, близким к диаметру сваи, засыпку разрыхленным грунтом, извлеченным в процессе бурения, введение в скважину паровой иглы и пропаривание разрыхленного грунта, после чего в протаявшую массу опускают металлическую сваю и оставляют ее до смерзания с окружающим массивом многолетнемерзлых пород, при этом время вмерзания сваи рассчитывается путем численного решения приведенного дифференциального уравнения первого порядка с неразделяющимися переменным относительно времени τ.

Изобретение относится к области сооружения оснований и фундаментов в многолетнемерзлом грунте.

Известен способ установки сваи в многолетнемерзлый грунт, включающий бурение скважины, образование оттаянной зоны, погружение сваи в скважину путем вращения с приложением вертикальной вдавливающей нагрузки с заполнением сваи разрыхленным грунтом со стенок скважины и последующее смерзание сваи с массивом многолетнемерзлого грунта (см. SU 1666674 А1, 30.07.91).

Недостатком указанного способа является то, что с увеличением глубины погружения сваи уменьшается количество транспортируемого к поверхности земли грунта, что, в свою очередь, уменьшает силу смерзания, а также увеличивает время вмерзания сваи в массив многолетнемерзлых пород.

Наиболее близким к изобретению по своей сущности и достигаемому результату является способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте, включающий бурение скважины, введение парой иглы, пропаривание, погружение сваи и выдерживание до смерзания с окружающим массивом многолетнемерзлого грунта (см. , например, Гончаров Ю.М., Комзина А.А., Малков Е.Н., Особенности проектирования и устройства оснований зданий на мерзлых грунтах, Л., Стройиздат, ЛО, 1980, с.137, 138).

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость вследствие большого теплового воздействия, а также длительность вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт.

Задачей изобретения является сокращение времени монтажа и повышение несущей способности сваи за счет уменьшения теплового воздействия и сокращения времени вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт.

Задача решается за счет того, что в способе установки сваи в многолетнемерзлом грунте, включающем бурение скважины, введение паровой иглы, пропаривание, погружение сваи и выдерживание до смерзания с окружающим массивом многолетнемерзлого грунта, скважину бурят диаметром, близким к диаметру сваи, а после бурения скважину засыпают разрыхленным грунтом, извлеченным в процессе бурения, в протаявшую массу опускают металлическую сваю. При этом расчет времени вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт производят путем численного решения дифференциального уравнения первого порядка с неразделяющимися переменными относительно времени τ где q_пл - удельная теплота плавления мерзлого грунта, Дж/м³; λ_м - его тепловодность, Дж/м·ч·К; R_ф - радиус фазового перехода, м; R_в - радиус теплового влияния, м; t_ф - температура фазового перехода, ^oC; t_м - начальная температура в массиве мерзлого грунта, ^oC.

Способ реализуют следующим образом.

С помощью шнековой буровой установки, например "Като", в мерзлом грунте бурят скважину диаметром, близким к диаметру сваи и засыпают разрыхленным грунтом, извлеченным в процессе бурения. Затем в скважину вводят паровую иглу и пропаривают разрыхленный грунт. В протаявшую массу опускают металлическую сваю (трубу с открытым нижним концом) и оставляют ее до смерзания с окружающим массивом многолетнемерзлых пород.

Поскольку рыхлый грунт, засыпанный в скважину, имеет высокую проницаемость, подвод тепла при пропаривании происходит, главным образом, за счет конвективного теплопереноса и конденсации пара на развитой поверхности измельченного мерзлого грунта. При этом процесс протаивания массы грунта в скважине происходит очень быстро - всего за 3 - 5 минут, стенки скважины почти не оплавляются, а окружающий массив практически не подвергается тепловому воздействию.

При предварительном бурении с последующей пропаркой температуру грунта в скважине можно поддерживать близкой к температуре фазового перехода, что существенно ускоряет время последующего смерзания.

Для оценки времени вмерзания сваи пользуются методом теплового баланса. Перемещение границы фазового перехода после прекращения теплового воздействия обеспечивается за счет рассеивания в окружающем скважину массиве тепла, выделяющегося при фазовом переходе (условие Стефана) Здесь: q_пл - удельная теплота плавления мерзлого грунта; λ_м - его теплопроводность;
R_ф - радиус фазового перехода.

В качестве основного допущения примем квазистационарное распределение температуры грунта в мерзлой зоне в виде
t = (t_ф-t_м)ln(R_в/R)ln(R_в/R_o)+t_м, (2)
где t_ф - температура фазового перехода;
t_м - начальная температура в массиве мерзлых пород;
t_о - начальный радиус теплой зоны;
R_в - радиус теплового влияния.

Величину R_в обычно определяют по приближенному выражению

где τ - время теплового воздействия;
λ_м и С_м - теплопроводность и теплоемкость мерзлых пород, соответственно.

Выражение (3) дает хорошие результаты при большом времени теплового воздействия, однако в начальный период дает довольно большую погрешность. Точное (в рамках метода теплового баланса) выражение для определения радиуса теплового влияния в зависимости от времени и теплофизических свойств грунта
R²_в = (R²_c+R²_c/R_c)+4λ_мτ/C_м. (4)
Если в трансцендентном выражении (4) пренебречь логарифмическим членом, то из него как частный случай получают выражение (3).

Оценка точности выражения (3) показала, что максимальная относительная погрешность будет иметь место при R_в = 1,65lnR_c и составит 8,8%. Для рассматриваемого случая величина R_в порядка 1,5 ± 2R_с будет достигнута через 3 - 8 часов с момента установки сваи, поэтому при расчетах необходимо использовать более точное выражение (4).

Продифференцировав (2) при R = R_ф с учетом (4) и подставив полученную производную в (1), получают выражение

Выражение (5) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с неразделяющимися переменными, решать его можно численным способом на ЭВМ.

Для того, чтобы приближенно свести (5) к квадратурам, можно с высокой степенью точности заменить в правой части этого уравнения переменную величину R_ф на постоянную R_с. Такое допущение достаточно правомерно, так как при R_в ≫ R_ф тепловой поток практически не зависит от положения фронта фазового перехода. При этих допущениях получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными. Интегрируя его в пределах от τ = 0 до τ и от R_ф = R_с до R_ф получим

За начальный радиус талой зоны R_о в случае заглубления свай описанным способом можно принять радиус долота, которым бурилась скважина под сваю. Это особенно верно, если температура растаявшего грунта в скважине незначительно отличается от нуля. В том случае, если допущен существенный перегрев шлама в скважине, а также при проходке нетронутого массива мерзлоты непосредственно паровой иглой, в выражении (6) целеобразно добавить член ΔR_ф, определяющий величину первоначального смещения фронта фазового перехода от стенки скважины. Величину добавки ΔR_ф можно найти, приравняв количество тепла, аккумулированного в скважине шламом, нагретым до температуры t_с
Q_скв = πC_м(t_c-t_ф)R_ф, (7)
к количеству тепла, затраченному на фазовый переход в кольцевом слое пород от R_ф до R_ф+ΔR_ф

Приравняв (7) и (8), получим окончательно

Таким образом, достигаются поставленные в предлагаемом способе задачи, а именно: сокращается время монтажа и повышается несущая способности сваи за счет уменьшения теплового воздействия на многолетнемерзлый грунт и сокращения времени вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт.

Формула изобретения

Способ установки сваи в многолетнемерзлом грунте, включающий бурение скважины, введение паровой иглы, пропаривание, погружение сваи и выдерживание до смерзания с окружающим массивом многолетнемерзлого грунта, отличающийся тем, что скважину бурят диаметром, близким к диаметру сваи, а после бурения скважину засыпают разрыхленным грунтом, извлеченным в процессе бурения, в протаявшую массу опускают металлическую сваю, причем время вмерзания сваи в многолетнемерзлый грунт определяют путем численного решения дифференциального уравнения первого порядка с неразделяющимися переменными относительно времени τ
q_плdR_ф= [λ_м(t_ф-t_м)/l_n(R_в/R_ф)]dτ,
где q_пл - удельная теплота плавления мерзлого грунта, Дж/м³;
λ_м - его теплопроводность, Дж/м·ч·К;
R_ф - радиус фазового перехода, м;
R_в - радиус теплового влияния, м;
t_ф - температура фазового перехода, ^oC;
t_м - начальная температура в массиве мерзлого грунта, ^oC.

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 32-2003

Извещение опубликовано: 20.11.2003