Свая и способ ее установки в вечномерзлый грунт

Группа изобретений относится к нефтегазовому строительству, к области сооружения несущих фундаментных конструкций путем погружения трубчатых опорных свай. Технический результат -обеспечение вертикального погружения сваи с учетом ее несущей способности. Свая включает полый трубчатый корпус с открытым нижним торцом и расширитель, прикрепленный к наружной стенке трубчатого корпуса. Расширитель закреплен на уровне открытого нижнего торца трубчатого корпуса и выполнен в виде пространственной криволинейной конструкции, сечение которой геометрической плоскостью, проходящей через вертикальную ось симметрии трубчатого корпуса, представляет собою трапецию с основаниями α и β. Все точки оснований трапеции лежат на пространственных поверхностях, образованных перемещением оснований трапеции по параметрическим кривым. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

 

Группа изобретений относится к нефтегазовому строительству, к области сооружения несущих фундаментных конструкций путем погружения трубчатых опорных свай и предназначена для создания свайных фундаментов и регулирования их воздействия на грунты оснований при строительстве зданий и сооружений различного назначения в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) с сохранением грунтов оснований в естественном состоянии в течение всего срока эксплуатации здания или сооружения.

Термин «территория распространения многолетнемерзлых пород или криолитозона» включает в себя установившееся понятие, означающее область литосферы, где грунты существуют в мерзлом состоянии непрерывно более нескольких (3-5) лет.

Основной проблемой сооружения свайных фундаментов индустриального типа в пределах криолитозоны является значительная неоднородность прочностных характеристик грунтов оснований как в плане, так и в разрезе. Для упомянутых территорий характерна существенная изменчивость температур грунтов инженерно-геологического разреза, формируемых условиями теплообмена на поверхности Земли. Механические характеристики многолетнемерзлых грунтов преимущественно определяются их температурным режимом, при этом амплитуда таких изменений такова, что одни и те же по составу грунты при различных температурах могут представлять собой и разжиженную массу типа "сметана", и обладать ярко выраженными пластичными свойствами по типу "пластилин", и представлять собой "скальный грунт 5 категории". И такие грунты можно встретить даже в пределах пятна застройки отдельного здания или инженерного сооружения.

Особо сложные условия строительства, связанные с труднодоступностью территории распространения многолетнемерзлых пород, неразвитость транспортной и строительной инфраструктуры делают особо актуальным вопрос о применении унифицированных (одинаковых) по конструкции свай и унифицированного способа их погружения, который можно было бы реализовать в любых грунтовых условиях с гарантированным результатом по обеспечению требуемой несущей способности. В этом смысле винтовые сваи являются крайне перспективными к применению, поскольку обеспечивают за счет анкеровки в грунте значительную надежность свай по несущей и выдергивающей нагрузке. Тем не менее, винтовые сваи не нашли широкого применения в северном строительстве, поскольку прочностные свойства многолетнемерзлых грунтов требуют применения технических средств (машин и механизмов), обладающих значительным вращающим моментом, для "преодоления" сопротивления грунтов при погружении сваи. Применяемые на сегодняшний день строительные механизмы позволяют погружать винтовые сваи, но конструкция сваи должна быть "приспособлена" под прочностные характеристики грунта основания. Так, например, сваи для талых грунтов могут быть изготовлены и погружены с довольно значительным (до 800 мм) диаметром винтовой части. Наиболее распространенная конструкция - одновитковый анкер. Сваи же, предназначенные для погружения в многолетнемерзлый грунт имеют больший угол наклона спирали, большее количество "витков" анкерной части, но существенно меньший диаметр анкера. Да, их можно погружать без специализированной техники, но их несущая способность и устойчивость против сил морозного пучения существенно ниже.

Известна винтовая свая (патент РФ на полезную модель №49841), включающая полый ствол с опорным элементом и ребрами жесткости на его верхнем конце и винтовой лопастью на наружной поверхности нижней части ствола. Нижняя часть ствола выполнена в виде литого наконечника, соединенного с верхней частью ствола посредством сварки, при этом на внутренней поверхности наконечника выполнена дополнительная лопасть, а нижний конец наконечника выполнен коническим и снабжен на торце зубьями. Погружение винтовой сваи осуществляется следующим образом. Свая путем завинчивания погружается в лидерную скважину, диаметр которой равен диаметру ствола. Достигнув осыпи в скважине, дополнительная винтовая лопасть перемещает грунт осыпи вверх относительно ствола. Дополнительная винтовая лопасть имеет 1,5-2 витка, при этом ширина дополнительной лопасти составляет 0,15-0,25 от внутреннего диаметра наконечника.

Результат, достигаемый при использовании упомянутой конструкции описанным способом, заключается в облегчении процесса погружения посредством сооружения лидерной скважины и за счет выбуривания грунта дополнительной лопастью из внутренней полости сваи. "Существенный прирост" несущей способности сваи обеспечивается за счет увеличения площади проекции дополнительного винта на плоскость, перпендикулярную оси сваи, которая в свою очередь может быть оценена величиной в 1,5-2,0% при использовании лопасти размером 0,25 d_внутр. Вышеизложенное дает основание утверждать, что получить требуемую (проектную) несущую способность и устойчивость сваи таким способом проблематично, поскольку "диапазон регулирования несущей способности и устойчивости" не превышает нескольких процентов.

Известен способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт (патент РФ на изобретение №2199627), включающий вращение сваи с образованием кольцевой зоны нагрева с одновременной осевой подачей сваи с приложением к ней вдавливающей нагрузки, отличающийся тем, что осевую подачу сваи регулируют из соотношения

где h - осевая подача, мм/об; P - осевое усилие, кгс; f - коэффициент трения стали о грунт; k - термический эквивалент работы, кал/кгм; k₁ - удельная теплоемкость льда, кал/г·град; t⁰ - температура мерзлого грунта, °С; k₂ - теплота плавления льда, кал/г; q - удельная масса льда, г/мм³; k_L - коэффициент льдистости мерзлого грунта; δ - толщина стенки погружаемой трубы, мм; δ' - расширение торцевой плоскости зоны трения вследствие радиальных биений торца трубы, мм.

Способ позволяет погрузить в грунт трубчатую сваю с гладкими стенками, без анкерного устройства, поскольку представленное численное соотношение описывает равенство тепловыделений за счет сил трения торца сваи о грунт и затрат тепла на нагрев и "плавление" многолетнемерзлого грунта в кольцевой зоне у нижнего торца сваи, выделяемого за один оборот ротора механизма для погружения, с учетом объема, занимаемого стенкой сваи (с учетом биения), погружаемой на h миллиметров за один оборот. Любое анкерное устройство, размещенное на нижнем конце сваи, потребует больших затрат тепла, поскольку при реализации процесса погружения необходимо будет "образовать" кольцевую талую зону большего диаметра, чем в упомянутой формуле изобретения. Также к недостаткам способа можно отнести невозможность погружения сваи с анкерным элементом.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой группе изобретений являются конструкция трубчатой сваи с защитным покрытием и способ ее погружения в многолетнемерзлый грунт (патент РФ на изобретение №2202680). Полый трубчатый корпус выполнен с открытым нижним торцом, наружная стенка трубчатого корпуса на уровне нижней границы его защитного покрытия снабжена расширителем, выполненным в виде прямой трехгранной призмы, основаниями которой являются прямоугольные треугольники, при этом одно из ребер α каждого основания располагается по образующей трубчатого корпуса, другое ребро β каждого основания перпендикулярно ей, а величины ребер α и β оснований призмы расширителя определяются из соотношений ,

где α, β- размеры ребер прямой трехгранной призмы, м; V - скорость погружения трубчатой сваи, м/мин; ω - скорость вращения трубчатой сваи, об/мин; - наружный диаметр трубчатой сваи, м; H_n - расстояние от нижнего торца трубчатой сваи до расширителя, м; - плотность оттаянного грунта, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с²; - коэффициент внутреннего трения грунта, ξ₀ - коэффициент бокового трения грунта, L_V - теплота таяния единицы объема мерзлого грунта, Дж/м³, δ_покр - толщина покрытия, м. Способ погружения трубчатой сваи с защитным покрытием в многолетнемерзлый грунт включает одновременное воздействие на трубчатую сваю крутящего момента и осевого усилия до образования в грунте под торцом трубчатой сваи и вдоль ее стенок оттаянной зоны в виде полого цилиндра и заглубление в нее трубчатой сваи. В процессе погружения трубчатой сваи вдоль ее стенок в интервале от дневной поверхности до нижней границы защитного покрытия создают зону оттаянного грунта, толщина которой превышает толщину зоны оттаянного грунта вдоль стенок трубчатой сваи ниже защитного покрытия не меньше, чем на толщину защитного покрытия.

Известное решение позволяет погрузить трубчатую сваю с расширителем в форме прямой трехгранной призмы посредством вращения сваи с образованием кольцевой зоны нагрева под нижним торцом и под расширителем. Недостатком упомянутого способа является то, что целевая функция способа не предусматривает использования расширителя в качестве анкерного устройства после погружения сваи в грунт и восстановления естественных температур многолетнемерзлых пород. Расширитель используется лишь для обеспечения сохранности изолирующего покрытия в пределах деятельного сезонного слоя грунтов вблизи верхнего конца сваи.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа технических решений, является создание унифицированной конструкции анкерной сваи, погружаемой в грунт, при использовании минимального количества технологических операций, минимальным количеством и номенклатурой строительной техники, обеспечивающей возможность получения заданной (проектной) несущей способности и устойчивости против сил морозного пучения посредством изменения геометрических параметров сваи. Также задачей является создание способа установки сваи, обеспечивающего погружение сваи в грунты с любыми встречающимися на осваиваемых территориях распространения многолетнемерзлых пород механическими характеристиками.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в обеспечении вертикального погружения сваи с учетом ее несущей способности.

Поставленная задача решается тем, что в свае, включающей полый трубчатый корпус с открытым нижним торцом и расширитель, прикрепленный к наружной стенке трубчатого корпуса, согласно техническому решению расширитель закреплен на уровне открытого нижнего торца трубчатого корпуса и выполнен в виде пространственной криволинейной конструкции, сечение которой геометрической плоскостью, проходящей через вертикальную ось симметрии трубчатого корпуса, представляет собою трапецию с основаниями α и β, при этом все точки оснований трапеции лежат на пространственных поверхностях, образованных перемещением оснований трапеции по параметрическим кривым:

; ; и

; ; где

x_α, y_α, z_α - пространственные координаты для точек поверхности расширителя, описываемой нижним основанием трапеции;

x_β, y_β, z_β - пространственные координаты для точек поверхности расширителя, описываемой верхним основанием трапеции;

d_нар - наружный диаметр трубчатого корпуса, м;

L_рас - длина проекции высоты расширителя на ось симметрии трубчатого корпуса, м;

h_тр - высота трапеции, м;

φ∈[0, φ_max] - параметр, описывающий угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад.;

φ_max - максимальное абсолютное значение параметра φ, рад.;

δ - толщина стенки трубчатого корпуса, м.

Численные значения величин α и β выбраны из диапазонов и β∈[0, α] с возможностью обеспечения заданных прочностных характеристик сваи. Боковые стороны трапеции могут представлять собой вогнутые кривые. Численные значения величин d_нар, φ_max, δ, h_тр, L_рас могут быть выбраны из следующих диапазонов:

d_нар - от 0,1 до 0,4 м;

δ - от 6 до 12 мм;

h_тр - от 0,0·d_нар, до 1,5·d_нар;

φ_max - от 0 до 100π;

L_рас - от до

с возможностью обеспечения и регулирования проектной несущей способности сваи и ее устойчивости к силам морозного пучения в соответствии со следующим соотношениями:

;

для вдавливающей нагрузки и

для выдергивающей, где

F_d,du - несущая способность сваи, тс;

γ_i - коэффициенты надежности: γ_af - коэффициент, зависящий от вида поверхности смерзания, γ_c - коэффициент надежности по условиям работы сваи, γ_t - температурный коэффициент;

R - удельное расчетное сопротивление мерзлого грунта нормальному давлению, тс/м²;

R_sh - удельное расчетное сопротивление многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания с грунтом, тс/м²;

R_af,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания трубчатого корпуса сваи с многолетнемерзлыми грунтами, тс/м²;

A_af,i площадь поверхности смерзания i-ого слоя грунта с боковой поверхностью трубчатого корпуса сваи, м². Свая также может быть снабжена разрыхлителем, закрепленным к расширителю со стороны его нижней торцевой поверхности и выполненным в виде фигуры, по форме близкой к треугольной пирамиде, по крайней мере, с одной криволинейной гранью, при этом основание пирамиды расположено на нижней торцевой поверхности расширителя, кривизна криволинейной грани пирамиды соответствует кривизне трубчатого корпуса, а высота пирамиды h_пр установлена в диапазоне значений от 0,6 h_тр до 1,8 h_тр, где h_тр - высота трапеции, м. Участок трубчатого корпуса сваи, расположенный между зоной размещения нижней торцевой поверхности расширителя и нижней торцевой поверхностью сваи представляет собой усеченный конус, при этом криволинейные грани пирамиды разрыхлителя выполнены изогнутыми в виде геликоидного винта, а вершина разрыхлителя расположена на образующей усеченного конуса вблизи нижнего торца трубчатого корпуса. Поставленная задача также решается тем, что в способе установки сваи, включающем бурение лидерной скважины с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр полого трубчатого корпуса сваи, установку сваи в лидерную скважину, одновременное воздействие на сваю крутящего момента и осевого усилия до погружения сваи на проектную глубину, заполнение внутренней полости сваи цементно-песчаным раствором, оттаянным выбуренным грунтом или иным грунтовым или песчано-цементным раствором и выдержку последней до ее смерзания с массивом вечномерзлых грунтов, согласно техническому решению в процессе одновременного воздействия крутящего момента и осевого усилия обеспечивают достижение осевой подачи, равной величине за один оборот ротора вращающего механизма посредством попеременного изменения крутящего момента и осевого усилия, где

L_рас - длина проекции высоты расширителя на ось симметрии трубчатого корпуса, м;

φ∈[0, φ_max] - параметр, описывающий угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад.;

φ_max - максимальное абсолютное значение параметра φ, описывающего угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад. Перед установкой сваи на стенки лидерной скважины оказывают тепловое воздействие до достижения температуры начала оттаивания вечномерзлого грунта.

В качестве варианта решения поставленной задачи заявляется способ установки сваи, включающий бурение лидерной скважины с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр полого трубчатого корпуса сваи, установку сваи в лидерную скважину, одновременное воздействие на сваю крутящего момента и осевого усилия до погружения сваи на проектную глубину, заполнение внутренней полости сваи цементно-песчаным раствором, оттаянным выбуренным грунтом или иным грунтовым или песчано-цементным раствором и выдержку последней до ее смерзания с массивом вечномерзлых грунтов, при этом, согласно техническому решению, в процессе одновременного воздействия крутящего момента и осевого усилия при прекращении погружения сваи снимают осевую нагрузку и извлекают сваю из грунта посредством приложения к ней противоположно направленного крутящего момента, после чего возобновляют одновременное воздействие крутящего момента и осевого усилия с увеличением скорости вращения механизма, используемого для погружения, при этом обеспечивают растепление грунта под нижней торцевой поверхностью сваи и вокруг ее боковой поверхности с формированием оттаянной кольцевой зоны, внешний радиус которой составляет не менее . При возобновлении воздействия обеспечивают заданную производительность погружения сваи, устанавливая осевую подачу в соответствии со следующим соотношением:

, где

η - осевая подача сваи в грунт, м/сек;

Q_f - удельная теплота нагрева оттаивания грунта, Дж/м³;

f - коэффициент трения между сваей и поверхностью грунта;

P_c - давление, оказываемое сваей на поверхность грунта, Па.

Заявляемая группа изобретений поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлено изображение сваи, установленной в грунт.

На фиг.2 схематично представлен участок трубчатого корпуса сваи с расширителем, вертикальное сечение которого в каждой точке представляет собой трапецию.

На фиг.3 схематично представлено формообразование расширителя в виде трапеции.

На фиг.4 схематично представлено формообразование расширителя в виде прямоугольника.

На фиг.5 схематично представлено формообразование расширителя в виде треугольника.

На фиг.6 схематично представлено формообразование расширителя в виде треугольника (вырожденной трапеции) с вогнутыми боковыми сторонами.

На фиг.7 схематично представлено формообразование расширителя в виде трапеции с пирамидальным разрыхлителем, закрепленным на нижней торцевой поверхности расширителя.

На фиг.8 представлен участок трубчатого корпуса сваи, выполненный в виде усеченного конуса.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - свая, 2 - трубчатый корпус, 3 - расширитель,4 - разрыхлитель.

Свая (1) представляет собой трубчатую металлическую конструкцию, включающую трубчатый корпус (2) и расширитель (3), изготовленные, например, из стали. Трубчатый корпус (2), сваи выполнен в виде полого цилиндра с открытым верхним и нижним торцом и толщиной стенки δ. Вблизи нижней торцевой части трубчатого корпуса (2) сваи (1) на внешней его поверхности жестко закреплен расширитель (3), например, при помощи сварки или литья, выполненный в виде криволинейной спиралевидной фигуры, опоясывающей трубчатый корпус (2) сваи (1) на участке длиной L_рас. При этом количество полных оборотов расширителя (3) вокруг трубчатого корпуса (2) равно φ_max. Сечение каждого участка расширителя (3) плоскостью, проходящей через ось симметрии трубчатого корпуса (2), в общем случае представляет собой трапецию, основания которой (α и β) параллельны оси симметрии трубчатого корпуса и могут быть проварьированы в диапазоне величин и β∈[0, α]. Боковые стороны трапеции, могут быть выполнены как в форме прямых, так и вогнутых линий, при этом вогнутость направлена внутрь трапеции. Размеры оснований трапеции выбраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить равнозначные прочностные характеристики отдельных частей сваи как единой конструкции, обеспечив при этом одновременное выполнение требований по уменьшению сопротивления разрезанию грунта разрыхлителем при погружении сваи, по обеспечению развитой поверхности трения металла о грунт для обеспечения образования кольцевой талой зоны вокруг внешней и внутренней поверхностей трубчатого корпуса (2), а с другой стороны, обеспечить достаточную площадь заанкеривания расширителя (3) сваи (1) в многолетнемерзлые грунты после восстановления их естественных температур. На внешней поверхности вблизи нижнего торца трубчатого корпуса (2) встык с нижней торцевой трапециевидной поверхностью расширителя (3) может быть закреплен разрыхлитель (4), с геометрической точки зрения представляющий собой пирамидальную конструкцию, основание которой размещено на торцевой трапециевидной грани поверхности расширителя (3), а одна из боковых граней разрыхлителя (4) выполнена криволинейной, при этом кривизна этой грани соответствует кривизне трубчатого корпуса (2).

Нижняя часть корпуса может быть выполнена в форме усеченного конуса или прямого цилиндра.

Регулирование несущей способности сваи и ее устойчивости к силам морозного пучения обеспечивается посредством обоснованного выбора численных значений геометрических параметров трубчатого корпуса d_нар, δ и расширителя φ_max, h_тp, L из диапазона значений

d_нар - от 0,1 до 0,4 м.;

δ - от 6 до 12 мм;

h_тр - от 0,0·d_нар до 1,0·d_нар;

φ_max - от 0 до 100 π;

L_рас - от до ;

до получения в конкретных грунтовых условиях проектных значений сил вдавливающей и выдергивающей нагрузки с учетом проектных коэффициентов "надежности".

Пример регулирования несущей способности сваи

Инженерно-геологический разрез рассматриваемого участка строительства представлен в пределах деятельного слоя до 1,6 метров суглинками льдистыми (i=0,40), слабозасоленными (D_sal=0,77), со средними температурами на момент максимального (1,6 м) протаивания t=+0,4°С. Далее до глубины 4,0 м супесь, льдистость i=0,25, засоленность D_sal=0,24, температура t=-2,3°C. С глубины 4,0 м и ниже по разрезу супесь слабольдистая (i=0,16), незасоленная (D_sal=0,06) с температурой t=-2,4°С.

На рассматриваемом участке закладывается свайный фундамент, который воспринял бы нагрузку от сооружения, равную F_{вдавлив}=18,0 тс на единичную сваю. Этот уровень нагрузок наиболее характерен для фундаментов каркасных производственных зданий, сложных технологических трубопроводных обвязок, отдельных фундаментов технологического оборудования. Использованы в качестве трубчатого корпуса свай металлические трубы длиной L=6,0 м, диаметром d_нар=0,219 м и толщиной стенки δ=0,008 м.

Свайный фундамент, одновременно с обеспечением восприятия проектной нагрузки, должен "защитить" сооружение от сезонной деформации свай под воздействием сил морозного пучения, равных, для рассматриваемых инженерно-геотехнических условий, величине F_выдерг=12,9 тс.

В соответствии с СНиП 2.02.04-88 значения коэффициентов надежности равны γ_af=0,7 (коэффициент, зависящий от вида поверхности смерзания), γ_c=1,0 (коэффициент надежности по условиям работы сваи), γ_t=0,8 (температурный коэффициент); значения удельного расчетного сопротивления мерзлого грунта нормальному давлению в тс/м² (R), удельного расчетного сопротивление многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания с многолетнемерзлым грунтом в тс/м (R_sh) и расчетного сопротивления мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания трубчатого корпуса сваи с многолетнемерзлыми грунтами в тс/м² (R_af,i) рассчитаны СНиП 2.02.04-88 и приведены в таблице.

Высота трапеции расширителя выбрана в диапазоне абсолютных значений вблизи минимального предела, например h_тр=0,04·d_нар=0,219·0,04=0,008 м; размеры ее оснований α=β=δ=0,008 м. Длина расширителя L_рас=0,40 м обеспечивает φ_max равным 720°, то есть (φ_max=4π).

При этом общая площадь поверхности смерзания в пределах двух многолетнемерзлых слоев инженерно-геологического разреза (строка 2 и 3, табл.1) равна (слой 1 не является многолетнемерзлым, он сезонно-талый).

При этом площади смерзания боковой поверхности корпуса сваи с грунтами в пределах каждого инженерно-геологического элемента (слоя) равны A_af,1=0,55 м² (порода не смерзается с поверхностью сваи в пределах слоя сезонного оттаивания), и

соответственно.

Силы, удерживающие сваю в грунтах за счет их смерзания с ее корпусом, равны вне зоны расположения расширителя:

Силы, противодействующие смещению сваи вниз по вертикали за счет приложения нагрузок от надфундаментной конструкции:

Силы, противодействующие смещению сваи вверх вдоль вертикальной оси за счет сил морозного пучения грунтов сезонно-талого слоя:

Силы, удерживающие сваю в грунте за счет заанкеривания расширителя и действия сил, препятствующих смешению расширителя вдоль оси сваи:

В итоге с учетом коэффициентов надежности свая предложенной конструкции имеет суммарную несущую способность по вдавливающей нагрузке, равную:

и обладает устойчивостью положения против воздействия выдергивающей нагрузки:

Таким образом, свая с выбранными характеристиками (d_нар=0,219 м, φ_max=4π, δ=0,008 м, h_тр=0,008 м, L_рас=0,40 м) не обеспечивает проектных показателей по вдавливающей нагрузке. Требуется регулирование геометрических параметров расширителя для обеспечения проектируемых показателей.

Однако отсутствие расширителя как такового приводит к следующим результатам. Рассмотрим несущую способность сваи при d_нар=0,219 м, φ_max=4π, δ=0,008 м, h_тр=0,0 м, L_рас=0,0 м.

В этом случае, по сравнению с предыдущим примером, значение F увеличится на величину, соответствующую силам смерзания материала корпуса сваи с грунтами в пределах поверхности корпуса, где ранее был размещен расширитель

Остальные составляющие несущей способности сваи равны:

В итоге с учетом коэффициентов надежности свая без расширителя имеет суммарную несущую способность по вдавливающей нагрузке, равную:

и обладает устойчивостью положения против воздействия выдергивающей нагрузки:

Таким образом, дополнение трубчатого корпуса сваи совсем небольшим расширителем приводит к увеличению на 35% несущей способности сваи и ее устойчивости против сил сезонного морозного пучения при прочих равных условиях (характеристики грунтов, размеры корпуса сваи и пр.).

Процесс регулирования несущей способности обеспечивается посредством изменения геометрических характеристик расширителя в заданных диапазонах.

Так, например, в данном случае увеличение h на 20 мм, до величины 0,028 м (0,13·d_нар) дает положительный результат и суммарные удерживающие сваю силы возрастают до запланированных проектных значений, а именно

В итоге суммарная несущая способность по вдавливающей нагрузке равна:

и обладает устойчивостью положения против воздействия выдергивающей нагрузки:

Требуемые проектные величины по вдавливающей нагрузке достигнуты. Характеристики сваи устанавливаем равными d_нар=0,219 м, φ_max=4π, δ=0,008 м, h_тр=0,025 м, L_рас=0,4 м.

Заявляемый способ реализуют следующим образом.

Основной фактор при монтаже сваи - это обеспечение определенной осевой подачи для вертикального погружения сваи. Предварительно бурят лидерную скважину, диаметр которой меньше внутреннего диаметра корпуса сваи. Диаметр лидерной скважины выбирают из диапазона от 0 до d_нар-δ в зависимости от состояния многолетнемерзлых грунтов. При этом минимальный диаметр используют преимущественно для мелкодисперсных пластично-мерзлых грунтов, залегающих при температуре, соответствующей началу перехода поровой влаги в талое состояние, а максимальный - для многолетнемерзлых грунтов со значительной разницей между естественной температурой залегания и температурой начала протаивания.

Сваю заявляемой конструкции устанавливают в лидерную скважину, после чего к свае одновременно прикладывают осевое (вдоль вертикально расположенной оси симметрии корпуса сваи) усилие и крутящий момент. При этом обеспечивают такое соотношение прикладываемой осевой нагрузки и крутящего момента, чтобы осевая подача (скорость погружения) равнялась величине метров за один оборот ротора вращающего механизма посредством попеременного изменения крутящего момента и осевого усилия. До установки сваи в лидерную скважину на стенки последней может быть оказано тепловое воздействие до достижения температуры начала оттаивания вечномерзлого грунта. Для теплового воздействия может быть использован любой протяженный тепловыделяющий источник, например шланг с отверстиями в боковых стенках для подачи перегретого пара, или разогретая масса выбуренного грунта. Таким образом, при обеспечении указанной осевой подачи сваю погружают на требуемую глубину, после чего ее полый корпус, при необходимости, заполняют песчано-цементным или иным фиксирующим раствором и выдерживают до смерзания с грунтом, после чего считают установку завершенной.

В случае когда погружение сваи в процессе одновременного воздействия крутящего момента и осевого усилия прекращается, то есть не удается обеспечить заданную величину осевой подачи, сваю извлекают посредством прекращения осевого усилия и смены направления крутящего момента. После извлечения сваи на поверхность возобновляют одновременное воздействие крутящего момента и осевого усилия с увеличением скорости вращения роторного механизма, используемого для погружения, например установка "КАТО" модели PF-1200-YSVIII. При этом вследствие трения о многолетнемерзлые породы нижнего торца трубчатой сваи и боковой поверхности расширителя обеспечивают растепление грунта под нижним торцом сваи и вокруг ее боковой поверхности с формированием кольцевой зоны, внешний радиус которой превышает величину, равную , достигая требуемой производительности погружения сваи (осевой подачи) посредством установления осевого усилия в соответствии со следующим соотношением: , где

η - осевая подача сваи в грунт, м/сек;

Q_f - удельная теплота нагрева оттаивания грунта, Дж/м³;

f - коэффициент трения между сваей и поверхностью грунта;

P_c - давление, оказываемое сваей на поверхность грунта, Па.

Рассмотрим конкретный пример реализации способа установки сваи. Металлическая свая общей длиной 10 м с предлагаемой конструкцией расширителя, обладающая следующими геометрическими параметрами d_нар=0,325 м, φ_max=4π, δ=0,008 м, h_тр=0,03 м, L_рас=0,4 м, α=0,008 м, β=0,004 м. Осуществляют погружение в льдистые твердомерзлые суглинки с удельной теплотой протаивания Q_f=101136·10³ Дж/м³. Для погружения сваи используют самоходную буровую установку «КАТО» модель PF-1200-YSVIII. Изначально в роторный механизм буровой установки закрепляют штатный буровой инструмент диаметром 300 мм и выполняют бурение лидерной скважины на глубину проектного положения верхнего торца расширителя. Далее буровой инструмент извлекают из роторного механизма и производят прогрев внутренней полости лидерной скважины паровой иглой до момента достижения температуры начала протаивания пород, слагающих стенки лидерной скважины. Такой прогрев позволяет перевести в пластично-мерзлое состояние грунты, слагающие стенки скважины на глубину, превышающую 50 мм. Для обеспечения равномерности прогрева или при планировании длительного перерыва между бурением лидерной скважины и погружением сваи может быть использован другой способ прогрева, заключающийся в заполнении (заливке) лидерной скважины растепленным выбуренным грунтом, что позволяет поддержать пластично-мерзлое состояние грунтов, слагающих стенки скважины, более длительное время. После прогрева стенок скважины в роторный механизм буровой машины устанавливают сваю, прилагают осевое усилие, равное, например, 1/3 рабочего диапазона гидравлической системы КАТО модели PF-1200-YSVIII, с одновременным приложением вращающего момента, при этом добиваются попеременным регулированием вращающего момента и осевого усилия обеспечения осевой подачи сваи, равной метра за один оборот ротора буровой установки. Поддерживая установившуюся подачу, завершают процесс погружения сваи на проектную глубину.

В случае когда отсутствует возможность установить и поддерживать требуемую величину подачи в течение всего процесса погружения из-за недостаточного рабочего диапазона по осевым нагрузкам и вращающим моментам используемого для погружения механизма, процесс погружения временно прерывают, снимают осевую нагрузку и извлекают сваю из грунта посредством приложения к ней противоположно направленного крутящего момента. Далее, после извлечения сваи на поверхность возобновляют одновременное воздействие крутящего момента и осевого усилия с увеличением скорости вращения роторного механизма буровой установки, при этом требуемую производительность погружения устанавливают преимущественно осевым усилием, обеспечивая растепление грунта под нижним торцом сваи и вокруг ее боковой поверхности с формированием кольцевой зоны, внешний радиус которой превышает величину, равную Такой размер зоны протаивания в рассматриваемых суглинках (Q_f=101136·10³ Дж/м³) обеспечивает, например, при осевом усилии 12 тс (3/4 рабочего диапазона гидравлической системы буровой установки "Като" используемой модели), то есть при давлении на грунт нижним торцом корпуса и боковой поверхностью расширителя, равном P_c=2950 кПа, при значениях коэффициента трения металла о многолетнемерзлый мелкодисперсный грунт f=0,45, осевую подачу (скорость погружения), равную:

за один оборот роторного механизма буровой установки.

Рабочий диапазон ротора "Като" модели PF-1200-YSVIII обеспечивает от 0 до 54 оборотов в минуту. Общие затраты времени на погружение рассматриваемой сваи могут быть оценены величиной 10-25 минут.

Средние скорости погружения экспериментальных свай, представляющих собой полый трубчатый металлический корпус без расширителя и без лидерной скважины, на объекте "Трубопровод пионерного газоснабжения площадки Промбазы ГП2 Бованенковского месторождения" составили ориентировочно 1 м/мин при скорости вращения ротора 15-25 оборотов в минуту.

Таким образом предлагаемое устройство и способ его установки позволяет сократить временные и материальные затраты на строительство свайных фундаментов в криолитозоне. Кроме того устройство и способы обладают свойствами региональной универсальности, поскольку не требуют изменения технологии при переходе от пластично-мерзлых к твердомерзлым участкам распространения многолетнемерзлых пород сливающегося типа, применимы для участков заглубленной кровли многолетнемерзлых пород, предусматривают использование в технологическом цикле только одного механизма и минимизацию "мокрых процессов".

1. Свая, включающая полый трубчатый корпус с открытым нижним торцом и расширитель, прикрепленный к наружной стенке трубчатого корпуса, отличающаяся тем, что расширитель закреплен на уровне открытого нижнего торца трубчатого корпуса и выполнен в виде пространственной криволинейной конструкции, сечение которой геометрической плоскостью, проходящей через вертикальную ось симметрии трубчатого корпуса, представляет собою трапецию с основаниями α и β, при этом все точки оснований трапеции лежат на пространственных поверхностях, образованных перемещением оснований трапеции по параметрическим кривым:
и

где x_α, y_α, z_α, - пространственные координаты для точек поверхности расширителя, описываемой нижним основанием трапеции;
x_β, y_β, z_β - пространственные координаты для точек поверхности расширителя, описываемой верхним основанием трапеции;
d_нар - наружный диаметр трубчатого корпуса, м;
L_рас - длина проекции высоты расширителя на ось симметрии трубчатого корпуса, м;
h_тр - высота трапеции, м;
φ∈[0, φ_max] - параметр, описывающий угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад;
φ_max - максимальное абсолютное значение параметра φ, рад;
δ - толщина стенки трубчатого корпуса, м.

2. Свая по п.1, отличающаяся тем, что численные значения величин α и β выбраны из диапазонов и β∈[0,α] с возможностью обеспечения заданных прочностных характеристик сваи.

3. Свая по п.2, отличающаяся тем, что боковые стороны трапеции представляют собой вогнутые кривые.

4. Свая по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что численные значения величин d_нар, φ_max, δ, h_тр, L_рас выбраны из следующих диапазонов:
d_нар - от 0,1 до 0,4 м;
δ - от 6 до 12 мм;
h_тр - от 0,0·d_нар до 1,5·d_нар;
φ_max - от 0 до 100π;
L_рас - от до
с возможностью обеспечения и регулирования проектной несущей способности сваи и ее устойчивости к силам морозного пучения в соответствии со следующими соотношениями:

для вдавливающей нагрузки и

для выдергивающей,
где F_d,du - несущая способность сваи, тс;
γ_i - коэффициенты надежности: γ_af - коэффициент, зависящий от вида поверхности смерзания, γ_c - коэффициент надежности по условиям работы сваи, γ_t - температурный коэффициент;
R - удельное расчетное сопротивление мерзлого грунта нормальному давлению, тс/м²;
R_sh - удельное расчетное сопротивление многолетнемерзлого грунта сдвигу по поверхности смерзания с грунтом, тс/м²;
R_af,i - расчетное сопротивление мерзлого грунта сдвигу по боковой поверхности смерзания трубчатого корпуса сваи с многолетнемерзлыми грунтами, тс/м²;
A_af,i - площадь поверхности смерзания i-го слоя грунта с боковой поверхностью трубчатого корпуса сваи, м².

5. Свая по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что она снабжена разрыхлителем, закрепленным к расширителю со стороны его нижней торцевой поверхности и выполненным в виде фигуры по форме, близкой к треугольной пирамиде, по крайней мере, с одной криволинейной гранью, при этом основание треугольной пирамиды расположено на нижней торцевой поверхности расширителя, кривизна криволинейной грани пирамиды соответствует кривизне трубчатого корпуса, а высота пирамиды h_тр установлена в диапазоне значений от 0,6 h_тр до 1,8 h_тр, где h_тр - высота трапеции, м.

6. Свая по п.5, отличающаяся тем, что участок трубчатого корпуса сваи, расположенный между зоной размещения нижней торцевой поверхности расширителя и нижней торцевой поверхностью сваи представляет собой усеченный конус, при этом криволинейные грани пирамиды разрыхлителя выполнены изогнутыми в виде геликоидного винта, а вершина разрыхлителя расположена на образующей усеченного конуса вблизи нижнего торца трубчатого корпуса.

7. Способ установки сваи в вечномерзлый грунт, включающий бурение лидерной скважины с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр полого трубчатого корпуса сваи, установку сваи в лидерную скважину, одновременное воздействие на сваю крутящего момента и осевого усилия до погружения сваи на проектную глубину, заполнение внутренней полости сваи цементно-песчаным раствором, оттаянным выбуренным грунтом или иным грунтовым или песчано-цементным раствором и выдержку сваи до ее смерзания с массивом вечномерзлых грунтов, отличающийся тем, что в процессе одновременного воздействия крутящего момента и осевого усилия обеспечивают достижение осевой подачи, равной величине за один оборот ротора вращающего механизма посредством попеременного изменения крутящего момента и осевого усилия,
где L_рас - длина проекции высоты расширителя на ось симметрии трубчатого корпуса, м;
φ∈[0, φ_max] - параметр, описывающий угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад;
φ_max - максимальное абсолютное значение параметра φ, описывающего угол поворота плоскости осевого сечения расширителя, рад.

8. Способ установки сваи по п.7, отличающийся тем, что перед установкой сваи на стенки лидерной скважины оказывают тепловое воздействие до достижения температуры начала оттаивания вечномерзлого грунта.

9. Способ установки сваи в вечномерзлый грунт, включающий бурение лидерной скважины с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр полого трубчатого корпуса сваи, установку сваи в лидерную скважину, одновременное воздействие на сваю крутящего момента и осевого усилия до погружения сваи на проектную глубину, заполнение внутренней полости сваи цементно-песчаным раствором, оттаянным выбуренным грунтом или иным грунтовым или песчано-цементным раствором и выдержку сваи до ее смерзания с массивом вечномерзлых грунтов, отличающийся тем, что в процессе одновременного воздействия крутящего момента и осевого усилия при прекращении погружения сваи снимают осевую нагрузку и извлекают сваю из грунта посредством приложения к ней противоположно направленного крутящего момента, после чего возобновляют одновременное воздействие крутящего момента и осевого усилия с увеличением скорости вращения механизма, используемого для погружения, при этом обеспечивают растепление грунта под нижней торцевой поверхностью сваи и вокруг ее боковой поверхности с формированием оттаянной кольцевой зоны, внешний радиус которой составляет не менее .

10. Способ установки сваи по п.9, отличающийся тем, что при возобновлении воздействия обеспечивают заданную производительность погружения сваи, устанавливая осевую подачу в соответствии со следующим соотношением:
,
где η - осевая подача сваи в грунт, м/с;
Q_f - удельная теплота нагрева оттаивания грунта, Дж/м³;
f - коэффициент трения между сваей и поверхностью грунта;
P_c - давление, оказываемое сваей на поверхность грунта, Па.