Способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте

 

Изобретение относится к гидротехническому строительству. Способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте включает бурение лидерной скважины диаметром меньшим, чем диаметр сваи, погружение трубчатой сваи в вечномерзлый грунт под действием вращательного момента и осевого усилия, заполнение полости лидерной скважины грунтом в процессе погружения трубчатой сваи и выдержку ее до смерзания с массивом вечномерзлого грунта. Новым является то, что лидерную скважину бурят на глубину и диаметром, определяемыми эмпирическим путем. Бурение лидерной скважины осуществляют по оси, расположенной по окружности на расстоянии от проектной оси трубчатой сваи, также определяемом эмпирическим путем. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте путем снижения энергоемкости технологического процесса, предотвращения заклинивания сваи при ее погружении, уменьшения сроков смерзания сваи. 2 ил.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для укрепления дамб, защиты портовых сооружений и возведения наземных строений в зоне распространения вечномерзлых грунтов.

Известен способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, включающий бурение лидерной скважины диаметром меньше, чем диаметр трубчатой сваи, погружение ее под действием ударной нагрузки и выдержку сваи до смерзания с массивом вечномерзлого грунта (см. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах, с.5).

Недостатком известного способа является то, что он применим для установки свай лишь в пластично-мерзлые грунты, а глубина установки свай ограничивается из-за проявления эффекта заклинивания ее ствола в процессе погружения. При наличии в грунте крупнообломочных включений наблюдаются деформации и даже разрушение стенок сваи, и, кроме того, заполнение полости сваи после ее установки осуществляется привозным талым грунтом, что увеличивает срок смерзания сваи с массивом вечномерзлого грунта и, как следствие, ввод объекта в эксплуатацию.

Известен также способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, включающий погружение сваи в вечномерзлый грунт под действием вращательного момента и осевого усилия и выдержку ее до смерзания с массивом вечномерзлого грунта (см. Гохман М.Р. и др. Экспериментально-теоретическое обоснование нового термовращательного способа погружения сваи в вечномерзлые грунты. Труды ВНИИ оснований и подземных сооружений.- М., 1990, с. 105,106).

Данный известный способ применим кроме пластичномерзлых еще и в твердомерзлых и сыпучемерзлых грунтах без крупнообломочных включений и процесс смерзания установленной трубчатой сваи с массивом вечномерзлого грунта менее продолжителен из-за наличия в полости сваи "целика" вечномерзлого грунта.

Недостатком известного способа является то, что из-за невозможности транспортировки к поверхности земли грунта, вытесняемого телом сваи при ее погружении, проявляется эффект заклинивания и на незначительных глубинах погружение сваи прекращается. Оборудование тела сваи специальными направляющими для перемещения объемов грунта к поверхности земли увеличивает трудоемкость и материалоемкость процесса, что приводит к удорожанию работ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, включающий бурение лидерной скважины диаметром меньшим, чем диаметр сваи, погружение трубчатой сваи в вечномерзлый грунт под действием вращательного момента и осевого усилия с заполнением полости лидерной скважины грунтом в процессе погружения трубчатой сваи и выдержку ее до смерзания с массивом вечномерзлого грунта (см. патент РФ 2128270, кл. Е 02 D 27/35, Е 02 В 1/00).

Известное техническое решение уменьшает влияние эффекта заклинивания на процесс погружения трубчатой сваи, однако соосность расположения лидерной скважины и устанавливаемой сваи обуславливает значительные диаметры бурения для того, чтобы при погружении сваи обеспечить разрушение стенок лидерной скважины и заполнение ее полости грунтом, т.е. предполагает выбуривание больших объемов вечномерзлого грунта. После установки трубчатой сваи на проектную глубину ее полость, лишь частично заполненную грунтом стенок скважины, заполняют привозным грунтом. Таким образом, бурение лидерной скважины диаметром и глубиной, предложенными в "прототипе" для достижения заявленного технического результата - предотвращения заклинивания трубчатой сваи при ее погружении, приводит к значительной энергоемкости технологического процесса, а заполнение полости привозным талым грунтом - к увеличению трудоемкости и материалоемкости установки сваи, а также продолжительности процесса смерзания ее с массивом вечномерзлого грунта.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте путем снижения энергоемкости технологического процесса, предотвращения заклинивания сваи при ее погружении, уменьшения сроков смерзания сваи с массивом вечномерзлого грунта и увеличения несущей способности сваи.

Указанная задача решается за счет того, что в способе установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, включающем бурение лидерной скважины диаметром меньшим, чем диаметр сваи, погружение трубчатой сваи в вечномерзлый грунт под действием вращательного момента и осевого усилия, заполнение полости лидерной скважины грунтом в процессе погружения трубчатой сваи и выдержку ее до смерзания с массивом вечномерзлого грунта, лидерную скважину бурят на глубину и диаметром, определяемыми из соотношений: при этом бурение лидерной скважины осуществляют по оси, расположенной по окружности на расстоянии от проектной оси трубчатой сваи, определяемом из условия: где Н_бур - глубина бурения лидерной скважины, м; Н^уст - проектная глубина установки трубчатой сваи, м; Д_бур - диаметр бурения лидерной скважины, м; Д_св - наружный диаметр трубчатой сваи, м; δ - толщина стенки трубчатой сваи, м;
к_p - эмпирический коэффициент разрыхления грунта; к_p=0,95...1,30;
R - расстояние от проектной оси трубчатой сваи до оси лидерной скважины, м.

Представленная в заявке совокупность существенных признаков необходима и достаточна для получения результатов, определяемых решаемой в изобретении задачей, и находится с ними в причинно-следственной связи.

Как показали проведенные исследования, при вращении сваи происходит перемещение грунта (будь то твердомерзлые, пластично-мерзлые или сыпучемерзлые грунты с крупнообломочными включениями) в полость лидерной скважины. Объем полости лидерной скважины сопоставим с объемом стенок заглубленной в вечномерзлый грунт части трубчатой сваи и таким образом процесс бурения в заявленном техническом решении менее энергоемок, чем в известных способах установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте. Устройство лидерной скважины, размещенной таким образом, что стенка сваи в процессе ее заглубления в грунт проходит через лидерную скважину, которая используется для приема грунта, вытесняемого телом погружаемой сваи, также снижает энергоемкость процесса установки трубчатой сваи на проектную глубину и предотвращает заклинивание сваи при ее погружении. Наличие внутри тела сваи вечномерзлого грунта уменьшает сроки смерзания сваи с массивом вечномерзлого грунта и увеличивает несущую способность трубчатой сваи, поскольку в работе сваи участвуют боковая поверхность сваи, ее внутренняя стенка и ее торец.

Таким образом, достигается выполнение поставленной в изобретении задачи - снижение энергоемкости технологического процесса установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, предотвращается заклинивание сваи при ее погружении в грунт, уменьшаются сроки смерзания сваи с вечномерзлым грунтом, увеличивается несущая способность сваи.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 в плане изображены варианты расположения оси лидерной скважины относительно оси трубчатой сваи, а на фиг.2 изображена принципиальная технологическая схема установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте.

Способ осуществляется следующим образом. Из проектных величин глубины и диаметра погружения трубчатой сваи и конкретных мерзлотно-грунтовых условий определяют глубину бурения Н_бур и диаметр бурения лидерной скважины по соотношениям


где Н_бур - глубина бурения лидерной скважины, м;
Н^уст - проектная глубина установки трубчатой сваи, м;
Д_бур - диаметр бурения лидерной скважины, м;
δ - толщина стенки трубчатой сваи, м;
к_p - эмпирический коэффициент разрыхления грунта, к_p=0,95-1,30
R - расстояние от проектной оси трубчатой сваи до оси лидерной скважины, м.

При этом глубина бурения лидерной скважины Н_бур при незначительных (до 10 м) глубинах установки трубчатой сваи Н^уст пластичномерзлых грунтах может быть определена из условия в то время как для погружения сваи в сыпучемерзлые грунты и в грунты с крупнообломочными включениями и даже может превышать глубину установки сваи.

Далее на вечномерзлом основании 1 выставляют проектную ось 3 трубчатой сваи 2 и в любом направлении по окружности от этой оси на расстоянии R, определяемом из условия

выставляют ось 4 лидерной скважины 5.

Далее на оси 4 шнеком 6 буровой установки осуществляют бурение лидерной скважины 5, диаметр бурения Д_бур и глубина бурения Н_бур которой определены из известных, указанных выше соотношений.

Затем на проектной оси 3 устанавливают трубчатую сваю 2 и под действием вращательного момента и осевого усилия, передаваемых от механизма погружения, например буровой установки, осуществляют погружение сваи в вечномерзлое грунтовое основание 1. Расстояние R между осью 3 трубчатой сваи 2 и осью 4 лидерной скважины 5 во всех вариантах условия

обеспечивает прохождение торца и стенок трубчатой сваи 2 в пределах полости лидерной скважины 5 в процессе погружения сваи 2 в вечномерзлый грунт 1.

При этом лидерная скважина 5 заполняется оттаянным и разрушенным грунтом 7, вытесняемым телом сваи 1 при ее погружении и транспортируемым торцом и стенками сваи 1 к полости лидерной скважины 5. Таким образом, лидерная скважина 5 служит бункером, заполняемым грунтом 7, который мог стать причиной возникновения эффекта заклинивания сваи 2 и прекращения ее погружения.

По мере заглубления трубчатой сваи 2 происходит заполнение полости лидерной скважины 5 грунтом 7 и уплотнение его.

При достижении торцом трубчатой сваи 2 проектной отметки следует выдержка сваи до ее смерзания с массивом вечномерзлого грунта 1, а затем на трубчатую сваю 2 передается нагрузка от инженерного сооружения 8.

Область применения предлагаемого способа распространяется на твердомерзлые, пластичномерзлые и сыпучемерзлые грунты с крупнообломочными включениями, что позволяет использовать данный способ установки трубчатой сваи в строительстве для укрепления дамб, защиты портовых сооружений и при возведении различного назначения наземных сооружений в зоне распространения вечномерзлых грунтов.

Формула изобретения

Способ установки трубчатой сваи в вечномерзлом грунте, включающий бурение лидерной скважины диаметром меньшим, чем диаметр сваи, погружение трубчатой сваи в вечномерзлый грунт под действием вращательного момента и осевого усилия, заполнение полости лидерной скважины грунтом в процессе погружения трубчатой сваи и выдержку ее до смерзания с массивом вечномерзлого грунта, отличающийся тем, что лидерную скважину бурят на глубину и диаметром, определяемыми из соотношений


при этом бурение лидерной скважины осуществляют по оси, расположенной по окружности на расстоянии от проектной оси трубчатой сваи, определяемом из условия

где Н_бур - глубина бурения лидерной скважины, м;
Н^уст - проектная глубина установки трубчатой сваи, м;
Д_бур - диаметр бурения лидерной скважины, м;
Д_св - наружный диаметр трубчатой сваи, м;
δ - толщина стенки трубчатой сваи, м;
к_p - эмпирический коэффициент разрыхления грунта,к_p = 0,95 ...1,30;
R - расстояние от проектной оси трубчатой сваи до оси лидерной скважины, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2