Способ изготовления набивной сваи

 

Изобретение относится к строительству, а именно, к технологии изготовления набивной сваи и может быть использовано при устройстве свайных фундаментов в процессе усиления и реконструкции существующих или строительства новых зданий и инженерных сооружений. Сущность изобретения: способ изготовления набивной сваи включает проходку цилиндрической скважины, заполнение электроприводным твердеющим материалом, выполнение в нем высоковольтных электрических разрядов рабочим разрядником и его подъем по высоте скважины. Новым является то, что бурение скважины и последующее извлечение бурового снаряда осуществляют с обеспечением устойчивости ее стенок и оставлением в нижней части скважины слоя шлама, причем разрядник до подачи твердеющего электропроводного материала устанавливают по оси скважины на слой шлама и производят его заглубление через слой шлама до забоя скважины с одновременным осуществлением высоковольтных разрядов и уплотнением стенок скважины, а подачу в скважину твердеющего электропроводного материала начинают по достижении разрядником забоя скважины и продолжают подачу этого материала до извлечения разрядника из скважины, причем возбуждение разрядов осуществляют при перекрытии твердеющим материалом разрядника. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно, к технологии изготовления сваи в скважине, и может быть использовано при устройстве свайных фундаментов в процессе и реконструкции существующих или строительства новых зданий и инженерных сооружений.

Известен способ изготовления набивной сваи и устройства для его осуществления [1] включающий установку арматуры и подачу твердеющего материала в предварительно пройденную пневмопробойником скважину диаметром меньше диаметра создаваемой сваи и последующее уплотнение твердеющего материала, причем одновременно с установкой арматуры скважину расширяют по всей высоте, а подачу твердеющего материала осуществляют совместно с образованием камуфлетного уширения серией высоковольтных электрических разрядов, количество которых определяют из требуемого радиуса камуфлетного уширения, радиуса камуфлетного уширения за один разряд, интенсивности накопления необратимых деформаций грунта, а уплотнение твердеющего материала производят по высоте скважины высоковольтными разрядами.

Недостатками данного изобретения являются следующие: сложность и иногда невозможность пробивки скважины из-за наличия твердых и крупных включений в грунт, ограниченная глубина погружения пневмопробойника в грунт из-за трудности его извлечения обратно из скважины, сложность размещения на очень ограниченной площади поперечного сечения пневмопробойника арматурного каркаса, трубы для подачи раствора, электродов с высоковольтным кабелем и выполнением надежной электроизоляции электродов и соединений при напряжении 6-8 кВ.

В качестве прототипа выбрано известное техническое решение способ изготовления набивной сваи [2] т.е. объект того же назначения, имеющий с предлагаемым изобретением наибольшее число общих существенных признаков.

Указанный способ изготовления набивной сваи включает бурение скважины, установку инвентарного электрического разрядника, подачу в скважину твердеющего электропроводного материала, возбуждения в нем высоковольтных электрических разрядов с помощью разрядника с перемещением зоны возбуждения снизу вверх и последующим извлечением разрядника.

Однако, прототип имеет существенные недостатки, которые не позволяют полностью использовать преимущества предлагаемой технологии, так как не гарантируется качество ствола и пяты сваи из-за неоднородности материала ствола, под пятой сваи остается шлам, который при высоковольтных разрядах не уплотняется сам и не позволяет надежно уплотнить основание под пятой сваи. Это все снижает несущую способность изготовленной сваи по грунту основания и по материалу ствола.

В указанном прототипе после проходки скважины на заданную глубину на забое скважины остается разбуренный грунт высотой, равной высоте бурового долота, который не поднимается шнеком. Кроме того, при подъеме бурового снаряда из скважины высота слоя шлама растет вследствие осыпания грунта с бурового снаряда, обрушения и оплывания стенок скважины и фильтрации грунтовой воды из окружающего грунта. Толщина слоя шлама может достигать 1-3 м в зависимости от грунтовых условий и глубины скважины.

Подача в скважину электропроводного твердеющего материала с одновременным возбуждением в нем высоковольтных электрических разрядов рабочим разрядником приводит к дополнительному обрушению грунта стенок скважины, перемешиванию грунта, шлама и грунтовой воды с поступающим электропроводным твердеющим материалом и образованию смеси неуправляемого и неизвестного состава, плотности и свойств. Это не позволяет точно оценить несущую способность сваи по прочности материала.

Шлам, находящейся на забое скважины, запирается столбом вышележащей смеси элекропроводного твердеющего материала, грунта и воды и не вытесняется вверх, как это произошло бы при поступлении более тяжелого электропроводного твердеющего раствора непосредственно на забой скважины. Высоковольтные электрические разряды, выполняемые на нижнем горизонте, производятся в этом шламе и практически не уплотняют окружающий грунт основания.

Высоковольтные электрические разряды на последующих горизонтах формируют ствол сваи, но не однородного состава. В итоге сформированная свая оказывается опертой на шлам и впоследствии в результате фильтрации воды из шлама в окружающий грунт может получить дополнительные вертикальные деформации и вызвать пониженное лобовое сопротивление пяты сваи, что уменьшит несущую способность сформированной сваи по грунту основания.

При значительной глубине скважин, когда арматурный каркас и раствороподающая труба составные и состоят из секций длиной равной длине буровой штанги, их опускание производится поэтапно с закреплением опущенных частей, подъемом буровой штанги, соединением верхних секций и последующим опусканием до забоя. Это приводит к увеличению затрат времени на изготовление сваи.

Задачей настоящего изобретения является создание нового способа изготовления набивной сваи, который позволил бы получать качественные ствол и пяту сваи, высокую несущую способность и прочность материала ствола, а также сокращал бы время изготовления сваи.

Поставленная задача решена тем, что в способе изготовления набивной сваи, включающем бурение скважины, установку инвентарного электрического разрядника, подачу в скважину твердеющего электропроводного материала, возбуждение в нем высоковольтных электрических разрядов с помощью разрядника с перемещением зоны возбуждения снизу вверх и последующим извлечением разрядника, бурение скважины и последующее извлечение бурового снаряда осуществляют с обеспечением устойчивости ее стенок и оставлением в нижней части скважины слоя шлама, причем разрядник до подачи твердеющего электропроводного материала устанавливают по оси скважины на слой шлама и производят его заглубление через слой шлама до забоя скважины с одновременным осуществлением высоковольтных разрядов и уплотнением стенок скважины, а подачу в скважину твердеющего электропроводного материала начинают по достижению разрядником забоя скважины и продолжают подачу этого материала до извлечения разрядника из скважины, причем возбуждение разрядов осуществляют при перекрытии твердеющим материалом разрядника.

При этом, извлечение бурового снаряда могут осуществлять медленным подъемом бурового снаряда из скважины при его вращении с медленной скоростью.

Рабочий разрядник могут соосно устанавливать по направляющим арматурного каркаса и с ним, либо за ним опускать в скважину с перемещением его по этим направляющим.

Такое техническое решение всей совокупностью существенных отличительных признаков позволяет изготавливать набивные сваи с высокой несущей способностью по грунту основания и прочностью материала сваи, что обусловлено наличием следующих операций: обеспечение устойчивости стенок скважины от обрушения, которое достигается, например, медленным подъемом бурового снаряда от забоя при его вращении с малой скоростью. В результате этого стенки скважины затираются глинистым грунтом, поднятым из нижних слоев, и становятся более гладким, что уменьшает возможность их обрушения, оплывания и уменьшает фильтрацию воды из окружающего грунта в скважину; соосное опускание и перемещение рабочего разрядника в скважине позволяет формировать набивную сваю симметричную относительно оси скважины, что особенно важно при глубоких скважинах с большим диаметром; выполнение высоковольтных электрических разрядов при опускании рабочего разрядника в шламе без одновременной подачи электропроводного твердеющего материала позволяет дополнительно уплотнить стенки скважины за счет передачи давления, возникающего при разряде в жидкой среде, измельчить, перемешать и сделать более однородной и менее плотной массу, которая в дальнейшем будет легче вытесняться более плотным электропроводным твердеющим материалом, поступающим на забой скважины; подача электропроводного твердеющего материала под давлением на забой скважины с упрочненными стенками и заполненную однородной диспергированной и менее плотной смесью позволит вытеснить ее полностью, обеспечив заполнение всего объема скважины однородным электропроводным твердеющим материалом заданной прочности; выполнение серии высоковольтных разрядов только в однородном электропроводном твердеющем материале с постоянным заполнением полости, образовавшейся от очередного разряда, таким же материалом позволит значительно увеличить диаметр скважины за счет уплотнения грунта внизу и с боков, значительно увеличивая его прочностные характеристики. В результате этого сформированная свая будет находиться в грунте, который станет обладать более высокой несущей способностью; все верхние высоковольтные разряды выполняются в однородном электропроводном твердеющем материале, расширяя стенки скважины и уплотняя нижерасположенный раствор, повышая его плотность и прочность и увеличивая его несущую способность по материалу; одновременное опускание арматурного каркаса с отцентрированным в нем рабочим разрядником позволит исключить одну операцию по сравнению с их последовательным погружением, что сократит общее время на изготовление сваи особенно при глубоких скважинах, когда дополнительно возникает зацепление разрядника за поперечные стержни каркаса.

Настоящее изобретение повышает существующий научно-технический уровень в области изготовления набивной сваи, так как используются новые операции и осуществлено согласование между всеми операциями способа по воздействию на элементы изготовления сваи, например, предварительно очищаются скважины от шлама, а затем поддерживается однородность материала, из которого изготавливают сваю.

На фиг. 1 изображена проходка цилиндрической скважины буровым станком; на фиг. 2 упрочнение стенки скважины при проходе скважины; на фиг. 3 образование шлама в скважине; на фиг. 4 соосное скважине опускание в нее рабочего разрядника; на фиг. 5 начало высоковольтных электрических разрядов в шламе при прохождении через него рабочего разрядника; на фиг. 6 начало подачи электропроводного твердеющего материала при достижении рабочим разрядником забоя скважины; на фиг. 7 высоковольтные электрические разряды в электропроводном твердеющем материале после перекрытия им высоты положения рабочего разрядника в скважине; на фиг. 8 новое положение рабочего разрядника в скважине; на фиг. 9 форма набивной сваи.

Способ изготовления набивной сваи реализуется следующим образом.

Любым известным методом, например, вращательным бурением с помощью буровых станков типа СКБ-4, УГБ-50, ПБУ или УРБ-2 производят проходку цилиндрической скважины 1 требуемого диаметра (фиг. 1).

По достижении необходимой глубины буровым снарядом 2 его извлекают из скважины 1 с одновременным упрочнением стенки скважины 1 от обрушения. Для этого на достигнутой заданной глубине буровому снаряду 2 сообщают вращение с медленной скоростью и затем начинают его медленно поднимать из скважины 1. В результате этого снаряд 2 затирает стенку скважины 1 (фиг. 2).

Однако на забое скважины всегда остается слой шлама 3 (фиг. 3) высотой 15-20 см, который по мере извлечения бурового снаряда из скважины увеличивается до 1-3 м за счет падения разбуренного грунта с бурового снаряда 2, фильтрующей воды и грунта из стенок скважины 1.

После полного извлечения бурового снаряда 2 из скважины 1 производят соосное опускание рабочего разрядника 4 с раствороподающей трубой 5 (фиг. 4) и высоковольтным кабелем 6, которые подсоединены соответственно к электроимпульсной установке и растворонасосу (не показаны).

При вхождении рабочего разрядника 4 в шлам 5 начинают подавать высоковольтные электрические разряды (фиг. 5), которые выполняют до погружения разрядника 4 на забой скважины 2.

Если сваи армируют, то рабочий разрядник 4 центрируется внутри арматурного каркаса и производится их совместное опускание в скважину 1 до забоя с выполнением высоковольтных разрядов в шламе 3 (фиг. 1 для наглядности арматурный каркас не показан).

После достижения разрядником 4 забоя скважины 1 и выполнения высоковольтных разрядов в шламе 3 на забое по раствороподающей трубе 5 подают под давлением электропроводный твердеющий материал 7 в самую нижнюю часть скважины 1, который начинает вытеснять более легкий шлам 3 из скважины 1 (фиг. 6).

После вытеснения шлама 3 выше рабочего разрядника 4 начинают производить высоковольтные разряды на забое скважины 1 (фиг. 7). От каждого разряда происходит расширение стенок скважины 1 за счет уплотнения окружающего грунта до требуемого диаметра. Полость, образующаяся при разряде вокруг электродов, сразу заполняется новым пластичным электропроводным твердеющим материалом 7 за интервал между разрядами, поэтому каждый последующий разряд выполняется в электропроводном твердеющем материале.

После выполнения серии высоковольтных разрядов на забое скважины 1 производят подъем рабочего разрядника 4 на проектную высоту и выполняют новую серию высоковольтных разрядов (фиг. 8). При этом уровень твердеющего материала 7 должен быть выше рабочего разрядника 4.

Такие операции повторяют до полного подъема рабочего разрядника из скважины 1, в результате которых в грунте будет полностью сформирована свая (фиг. 9) высокой несущей способности по грунту и материалу ствола.

Предлагаемый способ изготовления набивных свай прошел практическую проверку при устройстве свайных фундаментов жилого дома в Петербурге, где применялись сваи длиной 6,3 м, первоначальный диаметр скважины 230 мм, в качестве несущего слоя использовался песок пылеватый средней плотности водонасыщенный. Высоковольтные электрические разряды выполнялись при следующих параметрах: напряжение 8 кВ, емкость 1200 мкФ, количество разрядов на каждом горизонте 15, шаг подъема разрядника по высоте 400 мм. Были проведены испытания сваи статической вдавливающей нагрузкой, которые показали, что максимальная нагрузка на сваю составляет до 55 тс, что значительно выше других типов сваи в данных геологических условиях.

Было проведено разбуривание сваи на всю глубину по оси и отбор керна диаметром 55 мм, который показал однородность и плотность материала ствола сваи. Это достигнуто тем, что при проходке цилиндрической скважины обеспечивали устойчивость ее стенки от обрушения, рабочий разрядник опускали соосно скважине до ее забоя и при проходке его через шлам осуществляли высоковольтные электрические разряды, которые дополнительно уплотняли стенки скважины и диспергировали шлам, что облегчило его последующее вытеснение из скважины твердеющим материалам, который подавали в скважину под давлением после достижения разрядником забоя скважины. Высоковольтные электрические разряды на нижнем и всех вышерасположенных горизонтах выполняли в электропроводном твердеющем материале не ранее полного вытеснения им шлама выше рабочего разрядника, чем обеспечивалась однородность и прочность материала пяты и ствола набивной сваи и хорошее уплотнение грунта под пятой.

Таким образом, настоящее изобретение обладает патентоспособностью.

Хотя в вышеописанном примере осуществления изобретения рассмотрено изготовление цилиндрической сваи, его можно использовать также и для изготовления набивных свай иных форм: цилиндрических с уширением в одном или нескольких уровнях, конических с конусностью, увеличивающейся книзу или кверху и других. Это достигается путем изменения величины энергии разрядов и числом разрядов на горизонтах.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАБИВНОЙ СВАИ, включающий бурение скважины, установку инвентарного электрического разрядника, подачу в скважину твердеющего электропроводного материала, возбуждение в нем высоковольтных электрических разрядов с помощью разрядника с перемещением зоны возбуждения снизу вверх и последующим извлечением разрядника, отличающийся тем, что бурение скважины и последующее извлечение бурового снаряда осуществляют с обеспечением устойчивости ее стенок и оставлением в нижней части скважины слоя шлама, причем разрядник до подачи твердеющего электропроводного материала устанавливают по оси скважины на слой шлама и производят его заглубление через слой шлама до забоя скважины с одновременным осуществлением высоковольтных разрядов и уплотнением стенок скважины, а подачу в скважину твердеющего электропроводного материала начинают по достижении разрядником забоя скважины и продолжают подачу этого материала до извлечения разрядника из скважины, причем возбуждение разрядов осуществляют при перекрытии твердеющим материалом разрядника.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что извлечение бурового снаряда осуществляют путем медленного подъема с одновременным вращением с малой скоростью.

РИСУНКИ

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