Способ устройства буронабивных свай

 

Изобретение относится к строительству, в частности к способам устройства буронабивных свай, и может быть использовано при усилении и реконструкции зданий и сооружений буронабивными сваями, закрепления слабых грунтов. Способ устройства буронабивных свай включает проходку скважины, установку арматуры, ослабление пристенного слоя грунта путем обработки стенок скважины раствором, нагнетание закрепляющего раствора и опрессовку грунта, причем ослабление пристенного слоя грунта осуществляют путем обработки стенок скважины водой или водно-глинистым раствором, а необходимое ослабление определяют из приведенного соотношения. 4 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к способам устройства буронабивных свай, и может быть использовано при усилении и реконструкции зданий и сооружений буронабивными сваями, закреплении слабых грунтов.

Известны способы устройства буронабивных свай известны, включающие проходку скважины, установку арматуры, нагнетание закрепляющего раствора и опрессовку грунта [1].

Однако режим опрессовки должен отвечать определенным требованиям. При повышении некоторого критического давления в грунте может образоваться радиальная трещина, через которую произойдет неконтролируемая утечка закрепляющего раствора без сколько-нибудь существенного уплотнения грунта.

По этой причине давление при опрессовке в известных способах [2] ограничивается величиной критического давления, при котором не образуется пластическая зона вокруг скважины. В обычных условиях в грунтах, в которых производится устройство свай или закрепление грунтов, критическое давление невелико и в большинстве случае не превышает 0,1 - 0,2 МПа. В этом случае возникает ситуация, когда передача достаточно большего давления при инъецировании и опрессовке окажется невозможной из-за трещинообразования, а весь процесс упрочнения грунта будет связан только с армированием грунта раствором в местах случайных радиальных трещин.

Это существенно ограничивает область применения инъекционных способов устройства свай.

Наиболее близким к изобретению является способ устройства буронабивных свай, включающий проходку скважины, установку арматуры, ослабление пристенного слоя грунта, нагнетание закрепляющего раствора и опрессовку грунта [3].

В соответствии с данным способом производят установку в скважине электроразрядника с раствороподающей трубой, через которую заполняют скважины твердеющим раствором снизу вверх. С помощью электроимпульсной установки к разряднику подают электрические импульсы и между его электродами происходят разряды. При высокочастотном воздействии на грунт происходит его мгновенное ослабление в некоторой пристенной зоне, в результате чего грунт под внутренним давлением переходит в пластическое состояние, минуя стадию трещинообразования, предотвращая тем самым неконтролируемое распространение раствора.

Недостатком описанного способа является сложность его осуществления.

Задача изобретения - создание простого способа устройства буронабивных свай, позволяющего увеличить несущую способность сваи и повысить диапазон передаваемого на грунт давления при опрессовке.

Задача решается за счет того, что в способе устройства буронабивных свай, включающем проходку скважины, установку арматуры, ослабление пристенного слоя грунта нагнетание закрепляющего раствора и опрессовку грунта, ослабление пристенного слоя грунта осуществляют путем обработки стенок скважины водой или водно-глинистым раствором, причем необходимое ослабление определяют из соотношения где C, ϕ - соответственно удельное сцепление и угол внутреннего трения ослабленного грунта; σ_o - горизонтальное природное давление грунта.

На фиг. 1 показана буроинъекционная свая в стадии обработки стенок скважины раствором; на фиг. 2 - фрагмент буроинъекционной сваи после осуществления инъекции цементного раствора и последующей опрессовки стенок скважины давлением; на фиг. 3 и 4 - графики изменения напряжений при нагружении.

Грунт вокруг фундамента 1, подлежащего усилению, углубляют до заданной отметки. Со дна шурфа осуществляют проходку скважины 2 требуемого диаметра и глубины (в данном примере диаметр - 127 мм; глубина - 4 м), в которую опускают инъектор 3 с перфорированным участком длиной 2 000 мм на конце и фланцем 4 в верхней части. Пространство 5 между стенками скважины 2 и инъектором 3 выше фланца 4 тампонируют цементным раствором, после частичного твердения которого производят обработку стенок скважины раствором. Состав раствора подбирают на основе предварительных исследований из условия необходимости ослабления пристенного слоя грунта до заданных пределов прочности. В данном примере грунты оснований представлены элювиальными образованьями основных пород (хлоритов), чувствительными к воздействию кислой среды.

Объем раствора рассчитывается из условия обработки грунта в пределах условного цилиндра 6 с радиусом r_i с учетом фактической пористости грунта.

После подачи раствора в грунт осуществляют выдержку в течение 1 сут, поскольку согласно приведенному ниже расчету необходимо ослабить пристенный слой не менее, чем в 1,5 раза против характеристик естественного состояния. Далее через инъектор производят подачу цементного раствора в скважину 2 и осуществляют опрессовку стенок.

В связи с тем, что в ослабленном слое грунта не возникает растягивающих напряжений (растягивающие напряжения нигде не превосходят величины горизонтального природного давления σ_o, которые могли бы привести к появлению трещин и через них неконтролируемой утечке цементного раствора, грунт на всех стадиях опрессовки подвергается только сжимающим напряжениям. Это исключает появление трещин, утечку раствора и, следовательно, позволяет передать на стенки скважины 2 достаточно большое давление (1 - 2 МПа и более), при котором происходит расширение стенок скважины 2 с образованием ствола 7 заданных размеров (для буронабивных свай - уширенной пяты), размер которого контролируют по объему поданного в скважину цементного раствора.

После набора цементным раствором необходимой прочности инъектор 3 соединяют с существующим фундаментом 1 посредством железобетонных консолей 8. В необходимых случаях под консолями 8 укладывают противопучинистую прокладку 9.

В период опрессовки и набора раствором прочности в массив ослабленного грунта происходит фильтрация жидкой компоненты раствора, в результате чего этот слой упрочняется.

Таким образом, осуществляется усиление фундамента 1. Кроме размеров ствола сваи, при расчете определяют необходимую глубину скважины 2, расстояние между инъекторами 3, армирование железобетонных консолей 8.

Степень ослабления грунта рассчитывают из следующих соображений. На фиг. 3 и 4 показано распределение радиальных и тангенциальных σ_Θ напряжений при нагружении стенок скважины 2 давлением P при существующем в грунте горизонтальном природном давлении σ_o; на фиг. 3 - до образования пластичных деформаций, определяемых критическим давлением в полости скважины 2 (P_кр); на фиг. 4 - при наличии пластических деформаций при давлении P > P_кр.

На фиг. 3 и 4 позиция 10 характеризует напряженное состояние естественного грунта, а позиция 11 - предварительно ослабленного грунта.

Критическое давление определяют по формуле P_кр = ccosϕ + σ_o(1+sinϕ), (1) где C - удельное сцепление; ϕ - угол внутреннего трения.

При этом тангенциальное напряжение у стенки скважины 2 находят по формуле σ_Θ = -P_кр + 2σ_o (2) Поскольку они не могут быть отрицательными (иначе образуется трещина), предельные значения характеристик С и ϕ находят из условия σ_Θ = 0
В рассматриваемом примере прочностные свойства естественного грунта характеризуются сдельным сцеплением С = 45 кПа и углом внутреннего трения ϕ = 18^o. При удельном весе грунта γ = 18 кН/м³, средней глубине скважины Z = 3 м и коэффициенте бокового давления грунта ζ = 0,7, горизонтальное природное давление равно
σ_o = γZζ = 18·3·0,7 = 37,8 кПа (4)
Критическое давление, вычисленное по формуле (1), равно P_кр = 92,3 кПа, одна при этом возникнут растягивающие тангенциальные напряжения σ_Θ = - 16,7 кПа (фиг. 3 и 4), определяемые формулой (2), т.е. в процессе повышения давления у стенки скважины 2 образуется трещина.

После ослабления грунта раствором прочностные характеристики снизились до значений удельного сцепления C = 28 кПа и угла внутреннего трения ϕʹ = 16^o, при которых неравенство (3) выполняется (37,2 <37,8), т.е. при нагружении не возникает растягивающих напряжений. Критическое давление согласно формуле (1) уменьшится до = 75,7 кПа.

При дальнейшем нагружении (фиг. 4) все составляющие напряжений будут сжимающими, при этом трещинообразование и утечки раствора невозможны.

Наружный радиус зоны ослабления должен соответствовать радиусу пластической зоны r_L, определяемому выражением

где штрихом отмечены характеристики, соответствующие ослабленному грунту.

В данном примере r_L = 1,95 r₀, где r₀ - начальный радиус скважины 2, равный 127 мм. Следовательно, наружный радиус зоны увлажнения равен около 250 мм, а диаметр соответственно 500 мм. При длине перфорированной части инвектора 2 000 мм и пористости грунта h=38%, объем раствора для увлажнения грунта в пределах ослабленной зоны равен 0,145 м³. При последующей опрессовке давлением 0,8 МПа в полость скважины 2 постудило 0,35 м³ цементного раствора, в результате чего диаметр ствола 7 составил 0,47 м при требуемой по расчету величине диаметра 0,45 м.

В контрольной скважине, в которой предварительного ослабления пристенного слоя грунта не производилось, при опрессовке не удалось создать давление более 0,1 МПа. При этом происходило непрерывное поступление в грунт цементного раствора; испытание прекращено при расходе раствора 0,65 м³.

Когда грунты оснований представлены лессами и лессовидными грунтами, ослабление пристенного слоя может быть достигнуто додачей в скважину воды или водно-глинистого раствора. При этом, как свидетельствуют опыты, происходит существенное ослабление грунта.

Дополнительный эффект может быть получен за счет повышения температуры воды иди водно-глинистого раствора, поскольку эффект ослабления грунта при этом возрастает еще на 30 - 40%.

Формула изобретения

Способ устройства буронабивных свай, включающий проходку скважины, установку арматуры, ослабление пристенного слоя грунта, нагнетание закрепляющего раствора и опрессовку грунта, отличающийся тем, что ослабление пристенного слоя грунта осуществляют путем обработки стенок скважины водой или водно-глинистым раствором, причем необходимое ослабление определяют из соотношения

где c, ϕ - соответственно удельное сцепление и угол внутреннего трения ослабленного грунта;
σ₀ - горизонтальное природное давление грунта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4