Буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению буронабивных свай в непосредственной близости от стоящих зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов в слабых грунтах, также может быть использована для укрепления слабых грунтов одновременно струйная технология с возведением буронабивных свай. Буровая колонна для возведения буронабивной свай в грунтоцементной оболочке, состоящая из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков, в которых снизу первого полого шнека размещен извлекаемый буровой инструмент, выше которого расположен извлекаемый раздаточный элемент со струеформирующими соплами для цементации, шпиндель привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород, сигнал от которой поступает к блоку управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами. Раздаточный элемент установлен в посадочных гнездах второго снизу полого шнека, в котором выполнены боковые окна под струеформирующие сопла раздаточного элемента, который механически связан для извлечения бурового инструмента. По оси буровой колонны внутри полых шнеков размещен центральный трубопровод для подачи цементного раствора к раздаточному элементу, центральный трубопровод жестко закреплен сверху на раздаточном элементе для возможности извлечения его и бурового инструмента из буровой колоны, значение давления Р водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами определяется по приведенной зависимости. Запас времени, необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, вычисленный в блоке управления комплексом оборудования, определяется по приведенной зависимости. Время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива Т₁ определяется по приведенной зависимости. Время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂, зависящее от длины расположенных внутри полого шнека магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, определяется по приведенной зависимости. Технический результат состоит в сокращении времени строительства буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств в слабых грунтах. 6 ил.

 

Техническое решение относится к области строительства, а именно к способам возведения буронабивных свай в непосредственной близости от стоящих зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов сооружений различного назначения, в частности в слабых грунтах. При этом в заявленном устройстве используют для укрепления слабых грунтов струйную технологию одновременно с возведением буронабивных свай.

Известна буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке по «Способу возведения буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46 - [1], включающий проходку скважины в грунте с последующим ее бетонированием. При этом перед проходкой скважины в грунте создают грунтоцементную сваю, а проходку скважины буронабивной сваи ведут в теле грунтоцементной сваи, по крайней мере, в пределах ее боковой поверхности, причем соотношение диаметров буронабивной и грунтоцементной свай составляет 0,4…0,8, а проходку скважины буронабивной сваи ведут на 2…7-е сутки после создания грунтоцементной сваи. При этом проходку скважины буронабивной сваи могут вести с заглублением в коренной грунт.

Недостатком аналога [1] является то, что при его реализации сроки строительства достаточно велики за счет последовательного выполнения этапов создания грунтоцементной и буронабивной сваи с временным интервалом до 7 суток.

Также известна буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке по «Способу возведения буроинъекционной сваи» по опубликованной заявке на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00 - [2], включающий проходку скважины в грунте с последующим заполнением ее бетоном. Бурение скважины в грунте осуществляют одновременно с выполнением грунтоцементной сваи посредством погружения в грунт полой, заглушенной снизу на период погружения обсадной трубы с ребордами и жестко закрепленным монитором на заглушенном конце, при этом посредством монитора струей твердеющего раствора осуществляют размыв и перемешивание грунта с твердеющим раствором. После достижения проектной глубины скважины сначала извлекают монитор из обсадной трубы, в которую затем устанавливают арматурный каркас с последующим заполнением обсадной трубы бетоном литой консистенции до устья, после чего производят постепенное поднятие обсадной трубы с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением в скважину до полного заполнения образовавшегося пространства.

Недостатком аналога [2] является то, что его реализация трудно реализуема из-за недостаточности раскрытия материалов в опубликованной заявке на изобретение. При этом не учитывается структура и изменяющиеся свойства вмещающих пород, что не позволит сделать обоснованный прогноз характеристик «грунтоцемента» и выполнить управление параметрами цементации, что приводит к снижению несущих свойств возводимой буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке.

Известно «Устройство для стабилизации грунтов вяжущими материалами» по патенту на изобретение RU 2467125 С1 от 20.11.2012, МПК E02D 3/12 - [3], включающее транспортное средство, поворотную платформу с буровым оборудованием и системой управления подачей буросмесителя, цементно-смесительный блок с приемным бункером с системой пневмозагрузки, дозатором цемента, предохранительной сеткой, с мешалкой, а также с резервуаром для воды, включающим дозирующее устройство, выполненным из двух камер, каждая из которых соединена через дозирующее устройство с мешалкой, блок подачи вяжущего материала с расходной емкостью, с напорным трубопроводом с трехходовым краном и системой управления подачей вяжущего материала. Контрольно-регулирующая аппаратура снабжена прямой и обратной связью между датчиками влажности и давления, установленными в нижней части лопастей буросмесителя, и рабочими механизмами устройства. Установка снабжена скоростным смесителем и весовым тензометрическим дозатором, а также инклинометрами, установленными на раме транспортного средства и мачте.

Устройство позволяет повысить качество и надежность стабилизации слабых естественных грунтов, при обеспечении автоматизированного контроля процесса производства работ. Однако при использовании устройства [3] не учитываются свойства и геометрические характеристики слоев вмещающих пород, что отрицательно скажется на несущей способности сооружаемых свай.

Известна буровая колонна по «Способу изготовления буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34 - [4], предусматривающий образование скважины с использованием обсадной трубы, установку арматурного каркаса и рабочего разрядника, заполнение скважины твердеющим электропроводным материалом и образование ствола с уширениями посредством производства на разных горизонтах высоковольтных электрических разрядов.

Недостатком устройства буровой колонны по аналогу [4] является то, что устройство применяется только для изготовления буронабивной сваи и неизвестно его использование для комплексного его использования при создании буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в один технологический прием.

Кроме того, известна буровая колонна для возведения буронабивной сваи по «Способу закрепления грунта» по патенту на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12 - [5], включающая определение характеристик геологических элементов в геологическом разрезе закрепляемого массива грунта с последующим закреплением грунта при перемещении раздаточного элемента снизу-вверх по высоте пилотной скважины в закрепляемом грунте струйной технологией. Определение характеристик геологических элементов осуществляют при бурении пилотной скважины, причем в качестве характеристик геологических элементов используют момент закручивания и усилие сжатия буровой колонны, регистрируемые при бурении пилотной скважины. Закрепление грунта производят в пилотной скважине со скоростью перемещения раздаточного элемента, определяемой по математическому выражению, причем при изменении типа грунта осуществляют корректировку скорости перемещения раздаточного элемента. Аналог [5] позволяет производить закрепление грунта путем создания грунтоцементной колонны сложной формы в зависимости от прочности грунта.

Однако при реализации аналога [5] возникают значительные затраты времени, так как закрепление грунта осуществляется последовательным выполнением операций бурения и закрепления при обратном ходе раздаточного элемента, при переменной скорости закрепления. Кроме того, отсутствие армирования закрепленного массива отрицательно скажется на несущей способности созданной грунтоцементной колонны.

Известен «Буровой став» по патенту на полезную модель RU 95687 U1 от 10.07.2010, МПК E02F 5/16, Е21В 7/28 - [6], выполненный в виде колонны, состоящей из набора последовательно соединенных между собой полых герметичных шнеков, при этом первый головной шнек снабжен буровым наконечником и сдвижным золотником, а в корпуса шнеков по всей высоте бурового става встроены струйные мониторы (раздаточные элементы со струеформирующими соплами), количество которых определяют расчетным путем исходя из требуемой величины несущей способности сваи.

Недостатком устройства [6] является то, что с его помощью нельзя выполнить буроинъекционную сваю с уширением для увеличения ее несущей способности.

Известен «Буровой став со встроенными струйными мониторами» по патенту на полезную модель RU 109475 U1 от 20.10.2011, МПК E02F 5/00 - [7], содержащий выполненный в виде колонны, состоящей из набора последовательно соединенных между собой полых герметичных шнеков, при этом первый головной шнек снабжен буровым наконечником и сдвижным золотником с окном для закачки бетона, а в корпусе шнеков по всей высоте бурового става встроены струйные мониторы (раздаточные элементы со струеформирующими соплами), при этом их количество определяют расчетным путем исходя из требуемой величины несущей способности сваи. Буровой став [7] со встроенными мониторами работает следующим образом. Вначале бурят скважину полыми герметичными составными шнеками, со встроенными в них струйными мониторами до заданной глубины. Затем во вращающийся буровой став подают под давлением не менее 6 МПа размывающий водоцементный раствор и осуществляют возвратно-поступательные движения вращающегося шнека для размыва грунта и создания уширения из грунтоцементной смеси. При этом амплитуда возвратно-поступательных движений соответствует заданным в проекте отметкам образования уширения в нижней части и по высоте будущей сваи. Скорость перемещений вверх-вниз и время размыва определяют по результатам опытных работ. После размыва уширений, открывают сдвижной золотник и производят закачку в скважину мелкозернистого бетона с одновременным извлечением из скважины бурового става. После окончания процесса бетонирования скважины в нее устанавливают арматурный каркас. Буровой став позволяет увеличить несущую способность буроинъекционной сваи за счет образования по высоте ствола сваи уширений, которые передают нагрузку от сваи на большую площадь массива окружающего грунта, тем самым снижая напряжения в грунте.

Недостатком бурового става [7] является то, что при его использовании происходит существенное увеличение затрат рабочего времени на последовательное выполнение бурения, формирование уширений, закачку в скважину мелкозернистого бетона с одновременным извлечением из скважины бурового става, и установку арматурного каркаса после окончания процесса бетонирования скважины.

Прототипом заявленного технического решения является буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке для реализации «Способа возведения буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 - [8]. Буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке по прототипу [8] состоит из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков, в которых снизу первого полого шнека размещен извлекаемый буровой инструмент, выше которого расположен извлекаемый раздаточный элемент со струеформирующими соплами для цементации, шпиндель (головной патрон) привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород, сигнал от которой (системы) поступает к блоку управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами. Способ по прототипу [8] включает проходку скважины в грунте буровым инструментом с последующим ее бетонированием и создание грунтоцементной оболочки. Грунтоцементную оболочку создают путем одновременного бурения и цементации, которую осуществляют в направлении, перпендикулярном оси бурения. При цементации используют раздаточный элемент, имеющий сопла диаметром (2…5)⋅10^-3 м, при скорости цементации скважины, определяемой по приведенной в формуле зависимости. Бетонирование скважины осуществляют при возвратном движении бурового инструмента, при этом используют раздаточный элемент, имеющий сопла с диаметром (10…20)⋅10^-3 м, при скорости бетонирования, определяемой по приведенной в формуле зависимости. В качестве бурового инструмента используют буровой инструмент, оснащенный шнеком. При этом в известном способе используют шнек диаметром от 250 до 800 мм. Способ [8] позволяет создавать буронабивную сваю в грунтоцементной оболочке практически одновременно во времени, при этом затвердевание грунтоцементной и буронабивной сваи происходит совместно.

Недостатками способа - прототипа [8], и устройства (системы) для его реализации является то, что формирование грунтоцементной оболочки производится без учета слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, а создаваемая буронабивная свая имеет цилиндрическую форму постоянного сечения, что снижает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи.

Недостатки аналогов и прототипа ставят задачи повышения качества и несущей способности (повышения прочностных и несущих свойств) возводимой буронабивной сваи при строительстве новых объектов на слабых грунтах созданием буронабивной сваи переменного по высоте сечения, а также сокращения времени возведения сваи.

Сущность заявленного устройства состоит в том, что буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, состоящая из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков, в которых снизу первого полого шнека размещен извлекаемый буровой инструмент, выше которого расположен извлекаемый раздаточный элемент со струеформирующими соплами для цементации, шпиндель (головной патрон) привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород, сигнал от которой (системы) поступает к блоку управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами. Раздаточный элемент установлен в посадочных гнездах (местах) второго снизу полого шнека, в котором выполнены боковые окна под струеформирующие сопла раздаточного элемента, который механически связан (например, трубой, стержнем, тросом и т.д.) для извлечения бурового инструмента, по оси буровой колонны внутри полых шнеков размещен центральный трубопровод для подачи цементного раствора к раздаточному элементу, центральный трубопровод жестко закреплен сверху на раздаточном элементе для возможности извлечения его и бурового инструмента из буровой колоны после завершения процессов бурения и цементации грунтовой оболочки. При этом в процессе бурения и цементации грунтовой оболочки блок управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора к раздаточному элементу, в зависимости от показаний системы датчиков (регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород) регулирует величину давления подаваемого водоцементного раствора в струеформирующие сопла раздаточного элемента. После завершения процессов бурения буровым инструментом и цементации струеформирующими соплами раздаточного элемента, а также извлечения раздаточного элемента с буровым инструментом, в буровую колонну дополнительно установлены арматурный каркас, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра полых шнеков, и разрядник, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра арматурного каркаса, которые опущены вниз буровой колоны, при этом буронабивная свая сформирована арматурным каркасом и залитым бетонным раствором с его уплотнением по всей высоте механическими движениями поднятия с вывинчиванием вверх и разборкой полых шнеков, а в местах ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта буронабивная свая дополнительно расширена электрическими разрядами от извлекаемого из буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке разрядника.

Происходящее между процессами (при формировании буровой колонны для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке) бурения буровым инструментом и цементации струеформирующими соплами раздаточного элемента время фиксируется системой датчиков шпинделя (головного патрона) привода буровой колонны, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород, а запас времени, необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, вычисляется в блоке управления комплексом оборудования, при этом величина запаса времени определяется по формуле:

Т=Т₁+Т₂,

где: Т₁ - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива;

Т₂ - время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме.

Время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива T₁ определяется по формуле:

Т₁=k_T×h/v_б,

где: k_т - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами, значение kт задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива;

h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой датчиков регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м;

v_б - скорость бурения, м/с.

Время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂, зависящее от длины расположенных внутри полого шнека магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, и определяется по формуле:

Т₂=k_д(L_м+H)/ν_т,

где: k_д - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации, значение k_д задается в проектной документации на основании исходной информации о материале трубопровода подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента;

L_м - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м;

Н - глубина бурения, м;

ν_т - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с.

Формирование грунтоцементной оболочки производится при текущей скорости бурения, а выполнение большего диаметра грунтоцементной оболочки осуществляется за счет увеличения давления подаваемого цементирующего раствора, значение давления которого определяют по формуле:

где: D - заданный в проектной документации диаметр уширения грунтоцементной оболочки, м; n - частота вращения буровой колонны, с^-1; d₀ - диаметр сопел раздаточного элемента, м; С - коэффициент сцепления, характеризующий механические свойства грунтов, составляющих пробуриваемый массив.

Из практики известно, что толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов может составлять от 0,5 до 40 м.

В результате реализации заявленной буровой колонны для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке после затвердения в массиве образуется армированная буронабивная свая переменного сечения в грунтоцементной оболочке, причем больший диаметр сваи соответствует большему диаметру грунтоцементной оболочки и располагается в области грунтов с пониженными механическими свойствами.

Техническим результатом заявленного технического решения является сокращение времени строительства буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств в слабых грунтах.

Использование заявленной буровой колоны возведения буронабивной сваи позволяет существенно увеличить несущую способность буронабивной сваи за счет предложенной совокупности признаков, не увеличивая при этом время выполнения работ. Так в заявленном устройстве (и способе его применения) созданы условия для повышения несущей способности сваи за счет того, что сформированная грунтоцементная оболочка выполняется в соответствии с установленной в ходе бурения структурой массива. При этом сформированные уширения оболочки располагаются между слоями массива с повышенными механическими свойствами таким образом, что конструкция сваи «опирается» на слои с повышенными механическими свойствами, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.

В графических материалах схематично представлены чертежи с разрезами, которые поясняют сущность устройства заявленной буровой колонны для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, а также последовательность (метод) ее возведения.

На фигуре 1 представлен общий вид буровой колоны в процессе ее возведения.

На фигуре 2 - увеличенный вид буровой колонны по фигуре 1 с низу, а именно три первых полых шнека с видом размещения бурового инструмента и раздаточного элемента со струеобразующими соплами.

На фигуре 3 - вид буровой колонны по фигуре 2 после окончания процессов бурения и цементации грунта вокруг пробуренной скважины и с поднятыми из полых шнеков раздаточным элементом со струеобразующими соплами и буровым инструментом.

На фигуре 4 - вид буровой колонны по фигуре 3 после опускания во внутрь полых шнеков арматурного каркаса и разрядника с электрическим кабелем.

На фигуре 5 - вид арматурного каркаса после поднятия с вывинчиванием полях шнеков, а также вид подъема разрядника с инициированием разрядных токов в местах периферийного расположения слабых грунтов. На фигурах 3, 4 и 5 бетонная смесь в скважине не заштрихована для лучшей наглядности.

На фигуре 6 - схематичный вид нижнего фрагмента сооруженной буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке.

На представленных фигурах обозначены: I, II, III, IV, V - номера полых шнеков, где I - нижний (головной), а V - соответственно верхний; 1 - поверхность грунта; 2, 3, 4 и 5 - пласты пробуриваемых пород (грунта) с различной структурой и, соответственно, прочностью; 6 - буровой инструмент, установленный внизу полого шнека (I) и выполненный с возможностью извлечения из буровой колонны; 7 - раздаточный элемент, выполненный с возможностью извлечения из буровой колонны и установленный в полом шнеке (II); 8 - струеобразующие сопла раздаточного элемента (7); 9 - соединительный элемент (труба, стержень, трос и т.д.) для совместного извлечения из буровой колонны раздаточного элемента (7) и бурового инструмента (6); 10 - центральный трубопровод для подачи цементного раствора к раздаточному элементу; 11 - устройство подачи водоцементного раствора по трубопроводу (10); 12 - насосный блок подачи под высоким давлением водоцементного раствора; 13 - гибкий трубопровод высокого давления для подачи водоцементного раствора от насосного блока (12) к центральному трубопроводу (11); 14 - система датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород; 15 - шпиндель (головной патрон) привода буровой колонны; 16 - блок управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора; 17 - кабель снятия показаний от системы датчиков (14); 18 - кабель управления насосным блоком (12) от блока управления (16); 19 - боковые окна в полом шнеке (II) для струеобразующих сопел (8) раздаточного элемента (7); 20 - посадочное место в полом шнеке (II) под раздаточный элемент (7) со струеобразующими соплами (8); 21 - посадочное место в полом шнеке (I) под буровой инструмент (6); 22 - арматурный каркас; 23 - разрядник; 24 -изолированный кабель разрядник; 25 - бетон буронабивной сваи; 26 - грунтоцементная оболочка буронабивных свай.

Первоначально в проекте возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке закладывается ограничение на протяженность участка уширения равный, например, 1 м, и далее на основании проекта длина первого (головного) шнека (I) буровой колонны выбирается равной 1 м. Буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке состоит из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V). Снизу первого полого (головного) шнека (I) размещен извлекаемый буровой инструмент (6), выше которого во втором шнеке (II) буровой колонны расположен извлекаемый раздаточный элемент (7) со струеформирующими соплами (8) для цементации. Шпиндель (головной патрон) (15) привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков (14), регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород (2), (3), (4), (5). Сигнал от системы датчиков (14) поступает по кабелю снятия показаний (17) к блоку управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора (по кабелю (18)) от насосного блока (12) к раздаточному элементу (7) со струеформирующими соплами (8) через центральный трубопровод (10). Блок управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора в буровую колонну регулирует давление (уменьшает или увеличивает) подаваемого водоцементного раствора в зависимости от изменения прочностных характеристик вмещающего массива, например, (2), (3), (4) и (5). На основании информации от блока управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора в буровую колонну определяются протяженности областей массива с низкими прочностными характеристиками (например, (3)), количество и длина уширений грунтоцементной оболочки, что учитывается при изготовлении арматурного каркаса (22) для армирования, а также при подаче высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов от разрядника (23), который подымают на изолированном кабеле (24). Раздаточный элемент (7) установлен в посадочном гнезде (месте) (20) второго снизу полого шнека (II), в котором выполнены боковые окна (19) под струеформирующие сопла (8) раздаточного элемента (7), который механически связан соединительным элементом (9) (например, трубой, стержнем, тросом и т.д.) для извлечения бурового инструмента (6) из посадочного гнезда (места) (21). По оси буровой колонны внутри полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V) размещен центральный трубопровод (10) для подачи цементного раствора к раздаточному элементу (7), центральный трубопровод (10) жестко закреплен сверху на раздаточном элементе (7) для возможности извлечения его и бурового инструмента (6) из буровой колонны, после завершения процессов бурения и цементации грунтовой оболочки. То есть центральный трубопровод (10) выполняет дополнительную функцию «тягового элемента» для извлечения раздаточного элемента (7) и бурового инструмента (6). В процессе бурения от поверхности грунта (1) по пробуриваемым породам (2), (3), (4), (5) также производится цементация грунтовой оболочки скважины в грунтоцементную оболочку (26). Насосный блок (12) по командам блока управления (16) подает водоцементный раствор через гибкий трубопровод (13) высокого давления через устройство подачи (11) и центральный трубопровод (10) к раздаточному элементу (8), в зависимости от показаний системы датчиков (14) (регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород) под различным давлением. Уровень прочностных характеристик пробуриваемого грунта задается в проектной документации на основании предварительных геологических исследований и на участках бурения слоев пород (грунта) с высокими прочностными характеристиками, например, (2), (3) и (5) водоцементный раствор подается к раздаточному элементу (7) со струеформирующими соплами (8) под низким давлением (0,5…1,0 МПа) и выполняет роль промывочной буровой жидкости. Когда система датчиков (14) зафиксирует снижение прочностных характеристик пробуриваемых пластов (например, (3)), и при этом протяженность участка с пониженными прочностными характеристиками превысит 1 м, блок управления (16) увеличит давление подаваемого водоцементного раствора до уровня гидроструйной цементации (30…100 МПа) и одновременно с процессом бурения произойдет выполнение увеличения диаметра грунтоцементной оболочки до заданной проектом величины. При достижении буровым инструментом (6) пластов грунта с высокими прочностными характеристиками (например, (5)) соответствующий сигнал от системы датчиков (14) поступит к блоку управления (16) комплексом оборудования для приготовления и подачи под давлением водоцементного раствора, который снизит его давление подачи до первоначального уровня (при достижении раздаточным элементом (7) глубины слоев с высокими прочностными характеристиками (5)). При достижении проектной глубины бурения, то есть после завершения процессов бурения буровым инструментом (6) и цементации струеформирующими соплами (8) раздаточного элемента (7) производится разборка буровой колонны. При этом производится извлечение раздаточного элемента (7) из посадочного гнезда (20) и бурового инструмента (6) из посадочного гнезда (21). После этого в буровую колонну из полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V) дополнительно устанавливается арматурный каркас (22), внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра полых шнеков, и разрядник (23), внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра арматурного каркаса (22). При установке арматурный каркас (22) и разрядник (23) опущены вниз буровой колонны из полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V). В итоге буронабивная свая сформирована арматурным каркасом (22) и залитым бетонным раствором (25) до устья. При этом залитый по устье бетон уплотняется по всей высоте механическими движениями при поднятии с вывинчиванием вверх и разборкой полых шнеков (I), (II), (III), (IV), (V). В местах ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта, например (3) буронабивная свая дополнительно расширена электрическими разрядами от извлекаемого из буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке (26) при помощи изолированного кабеля (24) разрядника (23).

В результате после затвердения в массиве образуется армированная буронабивная свая переменного сечения в грунтоцементной оболочке, причем больший диаметр сваи соответствует большему диаметру грунтоцементной оболочки и располагается в области грунтов с пониженными механическими свойствами.

Использование заявленного технического решения обеспечит значительное сокращение времени возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств за счет совмещения операций бурения с определением свойств и размеров геологических элементов вмещающих пород с фиксацией областей пониженной устойчивости и формирования уширений необходимой геометрии грунтоцемента при строительстве новых объектов на слабых грунтах.

Заявленное устройство буровой колонны для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков его формулы изобретения является новым для таких устройств и способов (технологий) их реализации, при которых обеспечивается возможность возведения свай при строительстве новых объектов на слабых грунтах при сокращении времени их возведения с повышением прочностных и несущих свойств, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует общеизвестным правилам возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, при которых учитываются конкретные слоистая структура и изменяющиеся свойства вмещающего грунтового массива. Создаваемая буронабивная свая в грунтоцементной оболочке имеет форму переменного сечения с армированием по всей ее высоте, что повышает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи. Все это доказывает соответствие заявленного способа критерию "изобретательский уровень".

Осуществление (внедрение) заявленного устройства - буровой колонны возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в настоящее время и на современном уровне развития техники не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Патент на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46, «Способ возведения буронабивной сваи».

2. Заявка на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00, «Способ возведения буроинъекционной сваи».

3. Патент на изобретение RU 2467125 С1 от 20.11.2012, МПК E02D 3/12, «Устройство для стабилизации грунтов вяжущими материалами».

4. Патент на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34, «Способ изготовления буронабивной сваи».

5. Патент на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12, «Способ закрепления грунта».

6. Патент на полезную модель RU 95687 U1 от 10.07.2010, МПК E02F 5/16, Е21В 7/28, «Буровой став».

7. Патент на полезную модель RU 109475 U1 от 20.10.2011, МПК E02F 5/00, «Буровой став со встроенными струйными мониторами».

8. Патент на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 «Способ возведения буронабивной сваи» - прототип.

Буровая колонна для возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, состоящая из набора последовательно герметично соединенных между собой сборно-разборных полых шнеков, в которых снизу первого полого шнека размещен извлекаемый буровой инструмент, выше которого расположен извлекаемый раздаточный элемент со струеформирующими соплами для цементации, шпиндель привода буровой колонны, оснащенный системой датчиков, регистрирующих изменение силовых показателей бурения в зависимости от прочностных характеристик пробуриваемых пород, сигнал от которой поступает к блоку управления комплексом оборудования для приготовления и подачи под высоким давлением водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами, отличающаяся тем, что раздаточный элемент установлен в посадочных гнездах второго снизу полого шнека, в котором выполнены боковые окна под струеформирующие сопла раздаточного элемента, который механически связан для извлечения бурового инструмента, по оси буровой колонны внутри полых шнеков размещен центральный трубопровод для подачи цементного раствора к раздаточному элементу, центральный трубопровод жестко закреплен сверху на раздаточном элементе для возможности извлечения его и бурового инструмента из буровой колоны, значение давления Р водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами составляет:

где D - заданный в проектной документации диаметр уширения грунтоцементной оболочки, м; n - частота вращения буровой колонны, c^-1; d₀ - диаметр сопел раздаточного элемента, м; С - коэффициент сцепления, характеризующий механические свойства грунтов, составляющих пробуриваемый массив,

при этом запас времени, необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, вычисленный в блоке управления комплексом оборудования, составляет:

Т = Т₁+Т₂,

где Т₁ - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива;

Т₂ - время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива Т₁ составляет:

Т₁ = k_Т×h/v_б,

где k_Т - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами, значение k_Т задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива;

h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой датчиков регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м;

v_б - скорость бурения, м/с,

а время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂, зависящее от длины расположенных внутри полого шнека магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, определяется по формуле:

T₂ = k_Д(L_М+H)/ν_Т,

где k_Д - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации, значение k_Д задается в проектной документации на основании исходной информации о материале трубопровода подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента;

L_M - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м;

H - глубина бурения, м;

ν_Т - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с.