Способ формования в грунте набивной сваи и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительной технике, предназначенной для формования набивных свай, укрепления откосов и создания оснований под полы по грунту. Способ формования в грунте набивной сваи включает операции по проходке в грунте продольной полости (скважины) в вертикальном или наклонном направлении с последующим ее заполнением закрепляющим раствором, например бетонным. Новым в способе является то, что перед проходкой продольной полости инъектируют закрепляющий раствор вокруг продольной оси формуемой набивной сваи, а затем в инъектируемой грунтовой зоне формуют набивную сваю. Устройство для реализации способа формования в грунте набивной сваи содержит ударный механизм, расширитель, трубопровод для подачи закрепляющего раствора. Новым в устройстве является то, что оно снабжено радиальными выступами, выходящими за периферийный контур устройства. При этом в радиальных выступах имеются продольные и сообщающиеся с ними поперечные каналы, выходящие на поверхность радиальных выступов, причем продольные каналы соединены с насосом, подающим инъекционный раствор. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности проходки скважин в грунтах как с повышенной прочностью, так и в слабых. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области строительной техники и предназначено для формования набивных свай, укрепления откосов, создания оснований под полы по грунту.

Известен способ формования бетонных свай по а.с. 4311281, содержащий операции по завинчиванию в грунт ведущей штанги с неизвлекаемым перфорированным винтовым наконечником, заполнение скважины бетонной смесью через кольцевое пространство между стенкой скважины и штангой, нагнетание одновременно с подачей бетонной смеси гидроизоляционного состава с последующим вытеснением последнего из полости штанги песчано-цементным раствором. Конструкция сваи имеет повышенную способность за счет выполнения ее винтообразной. Недостатком ее является сложность изготовления. Это связано с возникновением больших тангенциальных усилий, а при извлечении из грунта ведущей штанги происходит разрушение стенок скважины. Кроме того, выступы (углубления) в грунте размещены только по винтовой линии, что занимает часть площади поверхности сваи, и уменьшает ее несущую способность.

Широко известен способ формования свай пневмопробойниками (см., например, "Инструкцию по устройству набивных свай при помощи пневмопробойников ВСН6610-78". М. Минстрой СССР, 1978, либо а.с. 838003 СССР, 1972 "Способ изготовления набивной армированной сваи", сущность которого в проходке продольной полости (скважины) радиальным уплотнением грунта пневмопробойником с последующим заполнением образованной полости бетонным раствором или полусухой смесью. Возможна многократная проходка полости с последовательным расширением ее диаметра, при этом полость заполняется после каждой проходки бетонным раствором (смесью), либо сначала полость в грунте изготавливается необходимого диаметра, а в конце - осуществляется разовое заполнение полости. Недостатки, присущие этому способу, следующие. При формовании сваи в сравнительно плотных грунтах возникают большие силы сопротивления со стороны грунта. Это приводит к снижению скорости проходки и уменьшению диаметра формуемых скважин, т.е. в конечном счете, снижаются технологические возможности рассматриваемого способа. С другой стороны, возникающие большие силы сопротивления воздействуют на рабочий орган устройства для формования свай, что приводит к большим напряжениям в элементах конструкции. Как показывает опыт, пока не удается разработать ударное устройство, имеющее расширитель большого диаметра и одновременно имеющее большую долговечность и производительность.

С другой стороны, при проходке скважин для последующего формования в них набивных свай в слабых грунтах стенки скважины не устойчивы, использование самоходных ударных устройств затруднено, т. к. отсутствует достаточное сцепление с грунтом, обеспечивающее извлечение его из скважины.

Известно устройство для проходки скважин в грунте с последующим расширением ее диаметра по а.с. 241164 - известное в строительстве под названием пневмопробойник. Оно содержит цилиндрический корпус, внутри которого возвратно-поступательно движется ударник, наносящий удар либо по передней части корпуса, либо по задней в зависимости от направления движения устройства. Движением ударника и самого устройства управляет воздухораспределительный механизм. На корпусе жестко закреплен расширитель с конической и цилиндрической поверхностями. Устройство предназначено для проходки скважин в грунте и не может быть использовано для подачи закрепляющего раствора в вокруглежащий грунт.

Известно устройство для проходки скважин в грунте по патенту Польши 41749, содержащее ударный механизм, размещенный в цилиндрическом корпусе. На корпусе имеются выступающие плоскости, используемые для стабилизации направления движения устройства. Использовать известное устройство для подачи закрепляющего раствора в вокруглежащий грунт невозможно и оно для этого не предназначено.

Задача, решаемая в предложенном техническом решении, - повышение эффективности проходки скважин в грунтах, как с повышенной прочностью, так и в слабых.

Это достигается за счет того, что перед проходкой в грунте продольной полости инъектируют закрепляющий раствор вокруг продольной оси формуемой набивной сваи, а затем в инъектируемой грунтовой зоне формуют набивную сваю. Такая последовательность операций позволяет одновременно решить несколько проблем, а именно: а) при формовании набивной сваи в прочных грунтах обеспечивается временное разупрочнение грунта, т. е. в процессе формования сваи силы сопротивления становятся существенно меньше, что позволяет проходить скважины большего диаметра и с большей скоростью; б) в случае формования сваи в слабых грунтах, когда стенки скважины неустойчивы, использование предлагаемого способа позволяет закрепить грунт в окрестности продольной полости, а затем уже ее проходить. Иными словами предлагаемое техническое решение позволяет расширить технологические возможности при формовании набивных свай в сложных грунтовых условиях.

Целесообразно проходку продольной полости осуществлять спустя 5-8 часов после инъектирования раствора в грунт, т.е. после начала его схватывания, но до приобретения им максимальной прочности. Такая последовательность операций позволяет проходить продольную полость в слабых грунтах, т.к. к этому времени грунт в результате инъектирования начнет приобретать прочность, что исключит возможность разрушения стенок продольной полости и в то же время прочность грунта еще будет сравнительно невелика, чтобы создать большие силы сопротивления при проходке.

Целесообразно проходку продольной полости (скважины) в грунте осуществлять до начала схватывания раствора. Такое выполнение операций позволяет разупрочнить грунт влагой, находящейся в закрепляющем растворе, и проходить продольные полости в прочных грунтах, резко уменьшив при этом силу сопротивления.

Целесообразно формовать радиальные пазы, исходящие из продольной полости и смещенные друг относительно друга по окружности, в которые затем нагнетают закрепляющий раствор. Такая операция позволяет инъектировать в грунт закрепляющий раствор на большую глубину при уменьшении необходимого для этого гидростатического давления раствора.

Целесообразно проходку продольной полости осуществлять радиальным уплотнением грунта в инъектируемой зоне. Такое выполнение операции обеспечивает повышение эффективности процесса формования, т.к. осуществляется одновременное закрепление грунта и его уплотнение, что способствует достижению большей прочности грунта, а следовательно и повышению несущей способности сваи. Целесообразно инъектирование закрепляющего раствора в грунт осуществлять одновременно с проходкой радиальных пазов через образованные радиальные полости. Такая операция повышает производительность процесса, т.к. позволяет уменьшить подготовительные операции между основными и вместо двух проходок осуществить одну.

Устройство для реализации предлагаемого способа формования в грунте набивной сваи содержит самоходный механизм, расширитель, трубопровод для подачи закрепляющего раствора, при этом оно снабжено радиальными выступами, выходящими за периферийный контур устройства, причем в радиальных выступах имеются продольные каналы и сообщающиеся с ними поперечные каналы, выходящие на боковую поверхность радиальных выступов, продольные каналы соединены с насосом, подающим инъекционный раствор. Такое выполнение конструкции позволяет реализовать предлагаемый способ формования набивной сваи в грунте.

Целесообразно поперечные каналы радиальных выступов выполнять тангенциальными, выходящими на боковые поверхности радиальных выступов. Такое выполнение устройства позволяет подавать закрепляющий раствор по обе стороны радиальных выступов, что обеспечивает равномерное поступление раствора вокруг продольной полости.

Целесообразно поперечные каналы радиальных выступов выполнять в радиальном направлении, выходящими на периферийную поверхность радиальных выступов. Такое выполнение конструкции устройства обеспечивает подачу закрепляющего раствора в радиальном направлении вдоль плоскости скольжения, образуемой в грунте при формовании радиальных выступов.

Сущность предлагаемого способа формования в грунте набивной сваи заключается в том, что до проходки продольной полости (скважины) в грунт внедряют инъектор 2 с отверстиями 3 и инъектируют в грунт закрепляющий раствор вокруг продольной оси формуемой набивной сваи, и затем в инъектируемой зоне осуществляют формование набивной сваи, что показано на фиг. 1.

Возможна проходка продольной полости 4 (фиг. 2 - 4) до схватывания закрепляющего раствора ( в случае формования сваи в плотных грунтах) или после его схватывания до достижения максимальной прочности (в случае формования сваи в слабых грунтах). При этом возможно нагнетание закрепляющего раствора в радиальном направлении со стороны продольной полости либо в тангенциальном направлении с формованием в этом случае радиальных пазов 5 (фиг. 9). Последнее позволяет увеличить радиус закрепляемой зоны, не увеличивая при этом гидростатическое давление в нагнетаемом растворе. Завершающей операцией является заполнение продольной полости 4 и пазов 5 (если они имеются) бетоном 6 или бетонной смесью (фиг. 6).

Сущность предлагаемого способа формования в грунте набивной сваи проиллюстрируем на примере конкретного применения. Показано на: фиг. 1 операция по инъектированию закрепляющего грунт раствора; фиг. 2 - продольная полость образованная после извлечения инъектора из грунта; фиг. 3 - проходка скважины устройством ударного действия (пневмопробойником); фиг. 4 - расширение скважины пневмопробойником с расширителем; фиг. 5 - образованная продольная полость (скважина) с закрепленным вокруг нее грунтом; фиг. 6 - набивная свая; фиг. 7 - устройство с радиальными выступами; фиг. 8 - вид по стрелке А фиг. 7; фиг. 9 - операция по проходке продольной полости и пазов; фиг. 10 - устройство с каналами, размещенными в радиальных выступах; фиг. 11 - вариант выполнения инъектирующих каналов (вид по стрелке Б фиг. 10).

Устройство для формования набивной сваи содержит ударный механизм. Он может размещаться на поверхности (на фиг. 1, 7 он используется, но не показан) или быть погруженным (фиг. 4, 9, 10). В последнем случае целесообразно использовать пневмопробойник 7 с расширителем 8. При этом возможно использовать их вместе или только пневмопробойник 7 без расширителя 8. Расширитель 8 жестко крепится на корпусе пневмопробойника 7, имеющий обычно цилиндрическую форму, переходящую в передней части в коническую. Радиальные ребра 9 могут быть закреплены, например, сваркой на инъекторе 2 (фиг. 1) либо на расширителе 8 (фиг. 9). В радиальных ребрах 9 имеются продольные 10 и поперечные 11 каналы (фиг. 7, 8, 10, 11), соединенные между собой и насосом (на чертежах не показан), причем последний расположен на поверхности и может быть соединен с продольным каналом шлангом 12. Поперечные каналы 5 могут быть направлены в радиальном направлении (фиг. 9) или в тангенциальном (фиг. 11).

Принцип работы по формованию набивной сваи.

В грунт 1 внедряют инъектор 2, имеющий отверстия (или щели) 3 по всей длине, на которую он внедряется в грунт. Затем инъектируют в грунт закрепляющий раствор. Химический состав раствора может быть любым, в частности, он может быть в виде цементного молочка, битумных эмульсий, силикатно-алюминиевого раствора и т.д. Обычно в строительстве наиболее применимыми и достаточно широко изученными являются закрепляющие растворы на основе цемента. Их физические свойства таковы. При одинаковой затрате работы на уплотнение в зависимости от того, начато ли уплотнение сразу после увлажнения смеси или после истечения 3 - 5 часов после внесения цемента и увлажнения смеси можно получить материалы, отличающиеся друг от друга по плотности в 1,1 и более раз и по прочности в 2 и более раз (И.М. Щейхет, А.Ф. Царев "К вопросу об оптимальной влажности и максимальной плотности укрепленных цементом связных грунтов". Материалы к VI Всесоюзному совещанию по закреплению и уплотнению грунтов ("Теория и методы искусственного улучшения грунтов различных петрографических типов). Из-во Московского университета, 1968 ).

Если грунт сравнительно прочный, то извлекают из него инъектор 2 при этом продольная полость (скважина) 4 остается с устойчивыми стенками (фиг. 2). Если необходимо формовать сваю в неустойчивых слабых грунтах необходимо выждать некоторое время для того, чтобы закрепляющий раствор начал схватываться (примерно 4 часа после инъектирования), в результате чего грунт приобретет некоторую прочность, достаточную для устойчивости стенок продольной полости 4. Если используют закрепляющий раствор на основе цемента, то через 3 - 5 часов после инъектирования можно продолжить работу, грунт при этом еще не приобрел максимальную прочность, но и перестал быть неустойчивым.

Следующей операцией является извлечение инъектора 2 из грунта (в зависимости, как было изложено выше, сразу после инъектирования либо спустя несколько часов). В итоге образуется продольная полость 4 (фиг. 2). Затем проходят ударным самоходным устройством (пневмопробойником) 7 скважину 4 (фиг. 3). Если используется сравнительно мощный пневмопробойник 7 или грунт имеет небольшую прочность, то можно использовать расширитель 8, жестко монтируемый на пневмопробойник 7 (фиг. 4). В этом случае будет образована скважина 4 диаметром, превышающим диаметр корпуса пневмопробойника 7. Здесь и ниже для удобства изложения под продольной полостью 4 будем понимать скважину малого диаметра, образованную после извлечения инъектора 2 из грунта 1, либо скважину с продольными пазами 5. Расширение продольной полости 4 (скважины) до нужного диаметра (фиг. 5) можно осуществить за счет нескольких проходок, т. е. меняя диаметры расширителя 8, осуществить последовательное расширение продольной полости (скважины) 4. Учитывая, что грунт 1 имеет при этом небольшую прочность (естественную или достигнутую в результате его смачивания еще не закрепившимся раствором) можно образовывать скважину 4 при сравнительно малых затратах энергии. Практически это приводит к возможности использования сравнительно маломощных ударных устройств для образования скважин большого диаметра при высокой скорости проходки, причем этими параметрами можно варьировать. При проходке скважины 4 наблюдается радиальное уплотнение грунта вокруг ее продольной оси (фиг. 5) и вытеснение влаги в радиальном и осевом направлении. Последний эффект способствует увеличению закрепляющей зоны, а одновременное уплотнение и закрепление грунта еще в большей степени способствует повышению его прочности вокруг сваи. Завершающей операцией является заполнение бетоном образованной скважины 4 и его уплотнения. Итогом является сформованная свая (фиг. 6) с закрепленным и уплотненным грунтом, лежащим вокруг и на переднем торце сваи. Все вместе образует общую систему набивная свая - инъектированное и уплотненное грунтовое основание, работающую как одно целое.

Целесообразно повысить эффективность процесса формования набивной сваи. Это можно достичь за счет того, что нагнетание закрепляющего раствора в грунт 1 производить как можно дальше в радиальном направлении от продольной оси инъектора 2. В этом случае инъектор 2 выполнен с радиальными выступами 9, закрепленными, например, сваркой, к цилиндрической трубе. В последней имеются каналы (продольные 10 и поперечные 11). Продольные каналы 10 соединены с каналами 11, выполненными в радиальных выступах 9, при этом они могут выходить на боковую поверхность радиальных выступов в тангенциальном (фиг. 11) или радиальном направлениях (фиг. 7, 10). В качестве инъектора 2 может быть использован цилиндрический элемент, забиваемый с поверхности (фиг. 7) специальным ударным приводом (на чертежах не показан), либо можно использовать самоходное ударное устройство - пневмопробойник 7 (фиг. 9 - 11), у которого имеются радиальные выступы 9, закрепленные на поверхности расширителя 8. В этих выступах имеются продольные 10 и поперечные 11 каналы, соединенные шлангом 12 с насосом, находящимся на поверхности (на чертежах не показан). Поперечные каналы 11 также могут выходить на радиальную или тангенциальную боковые поверхности радиальных выступов 9.

При использовании рассматриваемых устройств с радиальными выступами 9 для образования продольных пазов 5 в грунте 1 инъектирование закрепляющего раствора в грунт произойдет на некотором расстоянии от продольной оси набивной сваи. Это позволит инъектировать закрепляющий раствор на большее расстояние от продольной оси сваи при приложении меньшего гидростатического давления в растворе, т.к. не нужно будет им продавливать слой грунта вблизи от инъекторов. При направлении устья продольных каналов 10 в радиальном направлении (фиг. 7, 10) в большей степени раствор будет растекаться в радиальном направлении). В случае выполнения устья поперечных каналов 11 в тангенциальном направлении (фиг. 11), закрепляющий раствор будет в большей степени растекаться вокруг формуемой набивной сваи. Инъектирование закрепляющего раствора в грунт может осуществляться одновременно с проходкой скважины и пазов (фиг. 9), либо на обратном ходу устройства, когда оно выходит из скважины 4. Когда осуществляется одновременная проходка с инъекцией грунтозакрепляющего раствора, создаваемые ударные импульсы ударным устройством, способствуют более глубокому проникновению раствора в грунт от оси формуемой поверхности скважины.

Применение предлагаемых способа и устройства для формования набивных свай позволяет расширить технологические возможности процесса, т.к. набивная свая взаимодействует с грунтом, имеющим большую прочность. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет формовать набивную сваю с большей производительностью за счет изменения физико-механических свойств грунта, в процессе проходки скважины. Снижение силы сопротивления, достигаемое при этом, способствует повышению долговечности исполнительного устройства, особенно ударного действия, являющегося наиболее эффективным в настоящее время средством для формования в грунте скважин.

Формула изобретения

1. Способ формования в грунте набивной сваи, включающий операции по проходке в грунте продольной полости (скважины) в вертикальном или наклонном направлении с последующим ее заполнением закрепляющим раствором, например бетонным, отличающийся тем, что перед проходкой продольной полости инъектируют закрепляющий раствор вокруг продольной оси формуемой набивной сваи, а затем в инъектируемой грунтовой зоне формуют набивную сваю.

2. Способ формования в грунте набивной сваи по п.1, отличающийся тем, что проходку продольной полости осуществляют спустя 6 - 8 ч после инъектирования раствора в грунт, т.е. после начала его схватывания, но до приобретения им максимальной прочности.

3. Способ формования в грунте набивной сваи по пп.1 и 2, отличающийся тем, что проходку продольной полости в грунте осуществляют до начала схватывания инъектированного раствора.

4. Способ формования в грунте набивной сваи по пп.1 и 2, отличающийся тем, что проходку продольной полости осуществляют радиальным уплотнением грунта в инъектируемой зоне.

5. Способ формования в грунте набивной сваи по пп.1 - 4, отличающийся тем, что формуют радиальные пазы в грунте, исходящие из предельной полости, смещенные друг относительно друга по окружности, в которые затем нагнетают закрепляющий раствор.

6. Способ формования в грунте набивной сваи по пп.1 - 5, отличающийся тем, что инъектирование закрепляющего раствора в грунт осуществляют через формуемые пазы и одновременно с проходкой последних.

7. Устройство для реализации способа формования в грунте набивной сваи, содержащее ударный механизм, расширитель, трубопровод для подачи закрепляющего раствора, отличающееся тем, что оно снабжено радиальными выступами, выходящими за периферийный контур устройства, при этом в радиальных выступах имеются продольные и сообщающиеся с ними поперечные каналы, выходящие на поверхность радиальных выступов, причем продольные каналы соединены с насосом, подающим инъекционный раствор.

8. Устройство для реализации способа формования в грунте набивной сваи по п. 7, отличающееся тем, что поперечные каналы радиальных выступов выполнены тангенциальными, выходящими на боковые поверхности радиальных выступов.

9. Устройство для реализации способа формования в грунтнабивной сваи по п.7, отличающееся тем, что поперечные каналы радиальных выступов выполнены в радиальном направлении, выходящими на периферийную поверхность радиальных выступов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11