Устройство для бурения скважины буровинтовой сваи

Изобретение относится к области строительства и предназначено для бурения скважин в устойчивых грунтах осадочного происхождения при изготовлении бетонных и железобетонных свай с высокой несущей способностью для фундаментных и анкерных опор зданий и сооружений. Обеспечивает бурение скважины винтообразной формы с крупной резьбой за один проход или рабочий цикл. Устройство имеет неподвижную относительно грунта во время бурения часть, закрепленную на транспортном средстве, и подвижную часть, установленную с возможностью движения по неподвижной части для бурения скважины. Неподвижная часть имеет стальной трубчатый корпус, закрытый с двух сторон стальными крышками, внутри которого расположены четыре направляющих швеллера, две резьбовые штанги. Подвижная часть имеет буровой ствол, который включает в себя резьбовой бур в виде стальной трубы с двумя отличающимися по размеру резцами двухгранной формы с общим ребром и с отверстиями под ними в трубе резьбового бура. Малый резец имеет площадь резания грунта в два раза меньшую, чем большой резец. Шнековый бур состоит из съемной режущей части и шнека, который в верхней части через выпускной ход соединен со складным коробчатым рукавом. Подвижная часть имеет платформу, жестко связанную с буровым стволом, состоящую из стального корпуса и стальных площадок, на которой расположены механизм привода резьбового бура и платформы и механизм привода шнекового бура, состоящие оба из электродвигателя и шестерен. Во время проходки скважины резьбовой и шнековый буры установлены с возможностью вращения во взаимно-противоположных направлениях с возможностью выполнения шнековым буром не менее двадцати оборотов за один оборот в 360° резьбового бура, который при этом имеет возможность продольного хода по оси скважины на величину шага резьбы с=1,414d, где d - наружный диаметр трубы резьбового бура. Диаметр, описываемый вершиной большого резца резьбового бура при обороте в 360° в плане, составляет D=2,414d и равен диаметру скважины. 3 з.п.ф-лы, 23 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и предназначено для бурения скважин в устойчивых грунтах осадочного происхождения. Его применяют при изготовлении бетонных и железобетонных свай с высокой несущей способностью для фундаментных и анкерных опор зданий и сооружений.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для изготовления винтонабивных свай. Это устройство предназначено для сооружения всевозможных фундаментов и анкерных опор из свай шурупообразной формы, изготавливаемых непосредственно в грунтах осадочного происхождения с помощью полого наконечника с винтовым выступом на нем и трубчатой штанги, погружаемых в грунт и извлекаемых под воздействием усилий вращения и осевой подачи (патент РФ №2076173 С1, опубл. 27.03.1997). Недостатком этого устройства является то, что оно не может, в силу конструктивных причин, изготовить сваю высокой несущей способности, т.к. ее диаметр небольшой и глубина резьбы очень невелика.

Техническим результатом работы устройства для бурения скважины буровинтовой сваи (в дальнейшем - устройства) является то, что за один проход или рабочий цикл оно производит бурение скважины, готовой к бетонированию винтообразной формы с крупной резьбой для бетонной сваи высокой несущей способности.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для бурения скважины буровинтовой сваи имеет неподвижную относительно грунта во время бурения часть, закрепленную на транспортном средстве, и подвижную часть, установленную с возможностью движения по неподвижной части для бурения скважины, причем неподвижная часть имеет стальной трубчатый корпус, зарытый с двух сторон стальными крышками, внутри которого расположены четыре направляющих швеллера, две резьбовые штанги, а подвижная часть имеет буровой ствол, который включает в себя резьбовой бур в виде стальной трубы с двумя отличающимися по размеру резцами двухгранной формы с общим ребром и с отверстиями под ними в трубе резьбового бура, причем малый резец имеет площадь резания грунта в два раза меньшую, чем большой резец, а также включает шнековый бур, состоящий из съемной режущей части и шнека, который в верхней части через выпускной ход соединен со складным коробчатым рукавом, при этом подвижная часть также имеет платформу, жестко связанную с буровым стволом, состоящую из стального корпуса и стальных площадок, на которой расположены механизм привода резьбового бура и платформы и механизм привода шнекового бура, состоящие оба из электродвигателя и шестерен, причем во время проходки скважины резьбовой и шнековый буры установлены с возможностью вращения во взаимно противоположных направлениях с возможностью выполнения шнековым буром не менее двадцати оборотов за один оборот в 360 градусов резьбового бура, который при этом имеет возможность продольного хода по оси скважины на величину шага резьбы с=1,414 d, где d - наружный диаметр трубы резьбового бура, при этом диаметр, описываемый вершиной большого резца резьбового бура при обороте в 360 градусов в плане, составляет D=2,414 d и равен диаметру скважины.

Большой резец имеет три варианта его исполнения.

По первому варианту режущие кромки большого резца имеют размеры d и 1,16 d, где d - наружный диаметр трубы резьбового бура, образуют в его вершине между собой угол 70 градусов, высота большого резца равна 0,707 d, длина его ребра 1,21 d, угол наклона между касательной к линии резца, проходящей через вершину большого резца, и прямой, проходящей через эту же вершину, параллельной оси вращения резьбового бура, составляет 65 градусов, фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами a=d.

По второму варианту режущие кромки большого резца имеют размеры d и 0,8 d, образуют в его вершине угол 35 градусов, а фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с гипотенузой a=d, расположенной на нижней поверхности резьбы.

По третьему варианту режущие кромки большого резца имеют размеры 1,16 d и 0,8 d, образуя в его вершине угол 35 градусов, а фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с гипотенузой a=d, расположенной на верхней поверхности резьбы.

Перечень чертежей, приложенных далее, имеет следующий вид, по которому:

- на фигуре 1 изображен общий вид устройства с транспортным средством в транспортном и рабочем положении;

- на фигуре 2 изображен вид сверху устройства с транспортным средством в рабочем положении;

- на фигуре 3 изображен общий вид устройства;

- на фигуре 4 изображен вид А устройства, на котором показано место разреза А-А;

- на фигуре 5 изображен вид Б устройства;

- на фигуре 6 изображен продольный разрез А-А устройства;

- на фигуре 7 изображен разрез Ж-Ж устройства;

- на фигуре 8 изображен разрез Е-Е устройства;

- на фигуре 9 изображен разрез Б-Б устройства;

- на фигуре 10 изображен разрез В-В устройства;

- на фигуре 11 изображен разрез Г-Г устройства;

- на фигуре 12 изображен разрез Д-Д устройства;

- на фигуре 13 изображен фрагмент бурового ствола по варианту I;

- на фигуре 14 изображен фрагмент бурового ствола по варианту II;

- на фигуре 15 изображен фрагмент бурового ствола по варианту III;

- на фигуре 16 изображен разрез К-К;

- на фигуре 17 изображен разрез Л-Л;

- на фигуре 18 изображен разрез М-М;

- на фигуре 19 изображен разрез И-И фигуры 17;

- на фигуре 20 изображены - наружная поверхность бетона сваи (в верхней части), диаметрально-осевое сечение по бетону сваи (в средней части), диаметрально-осевое сечение полости в грунте после бурения скважины, а также показаны размеры сторон и углов треугольника, образованного диаметрально-осевым сечением бетона;

- на фигуре 21 изображен вид сваи и диаметрально-осевое сечение по варианту I;

- на фигуре 22 изображен вид сваи и диаметрально-осевое сечение по варианту II;

- на фигуре 23 изображен вид сваи и диаметрально-осевое сечение по варианту III.

Устройство для бурения скважины буровинтовой сваи содержит неподвижную часть (разрез А-А, фигура 6), состоящую из стального трубчатого корпуса 1, стальных верхней 2 и нижней 3 крышек, крепежных болтов 4, направляющих швеллеров 5, резьбовых штанг 6, гаек 7, люка 8, выпускного желоба 11, вибратора 12, подшипника 13, защитных пластин 14, и подвижную часть, состоящую из стальной трубы 15, малого 16 и большого 17 резцов, шнека 18, съемной режущей части 19, опорного кольца 20, подшипника 21, шестерни шнека 22, упорного подшипника 23, верхней площадки платформы 24, опорного подшипника 25, шестерни бура 26, средней площадки платформы 27, шестерни 28, опорного подшипника 29, нижней площадки платформы 30, опорного подшипника 31, подшипника 32, опорного кольца 33, складного коробчатого рукава 34, а также состоящую из механизма привода резьбового бура и платформы (разрезы В-В фигура 10 и Г-Г фигура 11), включающего в себя электродвигатель бура, шестерни 35-42, 26, 28 и механизма привода шнекового бура (разрез Г-Г, фигура 11), включающего в себя электродвигатель шнека и шестерни 43-46, 22.

Фрагмент бурового ствола по варианту I (фиг.13) выглядит следующим образом: стальная труба 15, большой резец 17/I, шнек 18, отверстие для прохода грунта под большим резцом 48/I, линия реза и угол между ней и прямой, проходящей через вершину большого резца и параллельной оси вращения резьбового бура, угол между режущими кромками большого резца, место разреза К-К. На разрезе К-К (фиг.16) показаны стальная труба 15, малый резец 16/I по варианту I, большой резец 17/I по варианту I, съемная режущая часть 19, опорное кольцо 20, подшипник 21, отверстие под большим резцом 48/I, отверстие под малым резцом 49/I.

Фрагмент бурового ствола по варианту II (фиг.14) выглядит следующим образом: стальная труба 15, большой резец 17/II, шнек 18, отверстие для прохода грунта под большим резцом 48/II, линия реза и угол между ней и прямой, проходящей через вершину большого резца и параллельной оси вращения резьбового бура, угол между режущими кромками большого резца, место разреза Л-Л. На разрезе Л-Л (фиг.17) показаны стальная труба 15, малый резец по варианту 2 16/II, большой резец 17/II по варианту II, съемная режущая часть 19, опорное кольцо 20, подшипник 21, отверстие под большим резцом 48/II, отверстие под малым резцом 49/II. На разрезе И-И (фиг.19) показаны малый и большой резцы 16/II и 17/II соответственно по варианту II, направление вращения при бурении скважины.

Фрагмент бурового ствола по варианту III (фиг.15): стальная труба 15, большой резец 17/III, шнек 18, отверстие для прохода грунта под большим резцом 48/III, линия реза и угол между ней и прямой, проходящей через вершину большого резца и параллельной оси вращения резьбового бура, угол между режущими кромками большого резца, место разреза М-М. На разрезе М-М (фиг.18) показаны стальная труба 15, малый резец 16/III по варианту III, большой резец по варианту 3 17/III, съемная режущая часть 19, опорное кольцо 20, подшипник 21, отверстие под большим резцом 48/III, отверстие под малым резцом 49/III.

Неподвижная часть (разрез А-А, фиг.6) состоит из стального трубчатого корпуса 1, закрытого верхней 2 и нижней 3 стальными крышками, прикрепляемыми к корпусу по окружности болтами 4. Для направления движения подвижной части служат четыре направляющих швеллера 5, которые расположены в диаметрально противоположных направлениях трубчатого корпуса 1 на равных расстояниях друг от друга (разрез Б-Б, фиг.9). Для принудительного движения подвижной части служат две резьбовые штанги 6, закрепляемые на верхней 2 и нижней 3 крышках гайками 7 (фиг.4, фиг.5). В верхней крышке 2 предусмотрен люк 8 для доступа сверху по лестнице 9 (фиг.4), а в трубчатом корпусе 1 имеется дверь 10 на одном уровне с выпускным желобом для грунта 11 для доступа снизу внутрь трубчатого корпуса. Для выпуска грунта предусмотрен желоб 11 и вибратор 12. В нижней крышке 3 сидит подшипник 13 с защитными пластинами 14 (фиг.6, фиг.9). Подвижная часть это единая жесткая конструкция, которая осуществляет продольный ход внутри неподвижной части и состоит из четырех узлов: бурового ствола, платформы, механизма привода резьбового бура и платформы, механизма привода шнекового бура. Буровой ствол (фиг.6) состоит из резьбового бура, т.е. стальной трубы 15 с резцами двухгранной формы с общим ребром, малым 16 и большим 17 (фиг.8), с отверстиями для прохода грунта под ними 48 и 49 (фиг.16, 17, 18) и шнекового бура, состоящего из шнека 18, его съемной режущей части 19 для проходки отверстия цилиндрической формы в скважине. Шнек 18 через выпускной ход в верхней части связан со складным коробчатым рукавом 34 для подачи и выпуска грунта. В нижней части бурового ствола расположено стальное опорное кольцо 20 с подшипником 21 (фиг.7). Шнековый бур приводится во вращение шестерней 22 (шестерней шнека), осевая нагрузка от которого передается через упорный подшипник 23 на верхнюю площадку платформы 24 (фиг.6). Нагрузка шнекового бура от собственной массы и грунта передается на опорный подшипник 25. Резьбовой бур приводится во вращение шестерней 26 (шестерней бура). Буровой ствол, как и вся подвижная часть устройства, опирается на нижнюю площадку 30 платформы с помощью опорных подшипников 31 и сверху, и снизу, которые удерживают его посредством опорных колец 33, прикрепляемых болтами к трубе 15. В поперечном направлении ствол работает в подшипниках 32 и 13. Платформа состоит из литого стального корпуса 30, верхней 24 и средней 27 площадок, на которых расположены механизмы привода резьбового бура и платформы, и привода шнекового бура. Возвратно-поступательное движение платформы и всей подвижной части производится с помощью двух шестерен 28 на опорных подшипниках 29, расположенных сверху и снизу шестерен 28, которые вращаются на резьбовых штангах 6. Механизм привода резьбового бура и платформы состоит из электродвигателя бура (фиг.11, фиг.10), шестерен 35, 36, 37, 38, передающих усилие на шестерню бура 26. Одновременно, посредством шестерен 26 (фиг.10), 39, 40, 41, 42 передается усилие вращения на шестерни 28 продольного осевого хода подвижной части. Механизм привода шнекового бура состоит (фиг.11) из электродвигателя шнека, шестерен 43, 44, 45, 46, которые передают усилие вращения на шестерню шнека 22. Электродвигатели и механизмы резьбового и шнекового буров работают отдельно друг от друга, во время проходки скважины вращаются во взаимно-противоположных направлениях и имеют возможности вращения и передачи усилий в обоих направлениях.

Работа устройства заключается в следующем. Устройство ставят в рабочее положение (фиг.1, фиг.2) и обязательно фиксируют неподвижно относительно грунта с помощью упоров на транспорте (фиг.2) либо упоров на самом устройстве, если они предусмотрены. В процессе всего рабочего цикла бурения до подъема подвижной части из грунта осуществляют контроль за неподвижной частью устройства, положение которой относительно грунта должно быть постоянным. С помощью поворотной платформы на транспорте (фиг.2) механизм наводят на заданную точку бурения и окончательно выверяют. Затем начинают бурение скважины, при котором неподвижная часть устройства находится в одном положении относительно грунта, а подвижная его часть производит бурение. Для этого включают механизмы резьбового и шнекового бура, причем во время проходки и выработки грунта они вращаются во взаимно противоположных направлениях для погашения грузовых моментов на корпус 1 неподвижной части устройства и улучшения подачи грунта по шнеку. Одновременно с началом вращения механизмов резьбового и шнекового буров начинают подачу вниз (продольный ход) бурового ствола и всей подвижной части. Это происходит вследствие вращения двух шестерен 28, которые двигаются по резьбовым штангам 6 и через опорные подшипники 29 передают нагрузку на корпус платформы 30, которая, в свою очередь, подает буровой ствол через опорные подшипники 31 на опорные кольца 33. После захода бурового ствола в грунт начинают процесс бурения. Он состоит из одновременно выполняемых процессов бурения отверстия скважины режущей частью 19 шнекового бура и нарезки резьбы в грунте резцами 16 и 17 резьбового бура. Режущая часть 19 - съемная, служит и в качестве направляющей, и передает через опорное кольцо 20 и подшипник 21 на буровой ствол горизонтальные и вертикальные рабочие нагрузки. Опорное кольцо 20 (фиг.7) изготовлено из стального литья, оно служит также для пропуска выработанного грунта наверх. Подшипник 21 имеет надежную защиту от попадания в него грунта с помощью защитных стальных пластин и пыльников с двух сторон. Нарезку резьбы в грунте осуществляют вращением резцов малого 16 и большого 17 (фиг.6, 8, 19), вследствие чего грунт через отверстия 48, 49 под резцами проходит в зону работы шнека и выводится наверх. Сначала выработку грунта осуществляет малый резец 16, а затем большой 17, который и оформляет резьбу окончательно. Площадь резания резцов рассчитана так, чтобы грузовые моменты сил вращения и малого и большого резцов были примерно одинаковыми и горизонтальные нагрузки на буровой ствол были минимальными. Малый резец имеет площадь резания грунта в два раза меньшую, чем большой резец. На фиг.13 изображен фрагмент бурового ствола по варианту I, где показан большой резец 17, труба 15, шнек 18, отверстие для прохода грунта 48/I. Длина кромки резца ОР равна d, длина кромки ОП равна 1,16d, угол, образованный этими кромками, равен 70°. На фиг.16 показан разрез К-К из фиг.13, где виден еще и малый резец 16/I и отверстие под ним 49/I. На фиг.14 изображен фрагмент бурового ствола по варианту II, его разрез Л-Л - на фиг.17, где длина режущей кромки ОР равна d, длина режущей кромки ОС равна 0,8d, угол между этими режущими кромками составляет 35°. На фиг.15 изображен фрагмент бурового ствола по варианту III, его разрез М-М - на фиг.18, где длина режущей кромки ОП равна 1,16d, длина ОС - 0,8d, а угол между ними равен 35°. Высота большого резца ОТ и длина его ребра ОФ во всех вариантах одинаковы и равны соответственно 0,707d и 1,21d. Резцы во всех вариантах имеют угол наклона между касательной к линии реза, проходящей через вершину большого резца О, и прямой, проходящей через эту же вершину, параллельной оси вращения резьбового бура, равный 65°.

Фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника в диаметрально-осевом сечении (фиг.20) с катетами а в варианте I (фиг.21), с гипотенузой а в варианте II (фиг.22) и варианте III (фиг.23), равными наружному диаметру d трубы резьбового бура 15, т.е.

причем гипотенуза а в варианте II расположена на нижней поверхности резьбы, а в варианте III - на верхней поверхности резьбы. Буровой ствол и платформа работают в строгой зависимости друг от друга. Между числом оборотов резьбового бура и числом оборотов шестерен продольного хода подвижной части 28 заложена жесткая зависимость для выдерживания расчетного шага резьбы в грунте, следовательно, за один полный оборот резьбового бура в 360° продольный осевой ход в скважине бурового ствола соответствует расчетному шагу резьбы с (фиг.20), который для всех вариантов равен:

где d - то же, что в формуле (1).

Диаметр окружности, которую описывает вершина большого резца О за один полный оборот в 360°, в плане в трех вариантах показана на фиг.19 и соответствует диаметру скважины D и равна:

Грунт после нарезки резьбы через отверстия 48, 49 под резцами в трубе 15 поступает в шнек 18, который поднимает его, затем через ход в верхней его части грунт проходит в складной коробчатый рукав 34 и выпускается в отверстие через желоб 11 наружу (фиг.6, 9) с помощью вибратора 12. Горизонтальные усилия от вращения бурового ствола воспринимают подшипники 13 и 32 (фиг.6). Подшипник 13 - скользящий, имеет двойную защиту, сверху и снизу, из стальных пластин, которые защищают его от попадания грунта и очищают трубу 15 резьбового бура от налипшего грунта в обоих направлениях движения. Подшипники 32 и 31 через опорные кольца 33 жестко связывают трубу 15 и корпус платформы 30. Для нормального выхода грунта за один полный оборот резьбового бура в 360° шнековый бур делает не менее двадцати оборотов. В необходимых случаях шнек 18 может выводить грунт и после остановки резьбового бура, который потом можно включить снова. Таким образом производят проходку скважины до расчетной глубины, затем резьбовой бур останавливают, шнеком 18 выводят грунт, если это необходимо, и потом включают обратный ход вращения резьбового бура, и он выходит из скважины назад в это же пробуренное отверстие и процесс бурения заканчивают, а скважину осматривают и бетонируют.

Чертеж скважины и буровинтовой сваи, полученной в результате, изображен на фиг.20. Здесь показана наружная поверхность бетона сваи (в верхней части), диаметрально-осевое сечение сваи (в средней части), полость в грунте после проходки скважины (в нижней части). Резьба показана в форме равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами а по варианту I, с гипотенузой а для вариантов II и III, с шагом резьбы с, одинаковым для всех вариантов.

Буровинтовая свая имеет следующие постоянные параметры, одинаковые с параметрами работы устройства, приведенными ранее в формулах (1), (2), (3):

a=d;

c=1,414d=1,414a=b;

D=2,414d=2,414a.

Виды свай по вариантам и их диаметрально-осевые сечения изображены на фиг.21, 22, 23, здесь показаны также усилия Р, для которых предназначены эти виды.

1. Устройство для бурения скважины буровинтовой сваи, отличающийся тем, что оно имеет неподвижную относительно грунта во время бурения часть, закрепленную на транспортном средстве, и подвижную часть, установленную с возможностью движения по неподвижной части для бурения скважины, причем неподвижная часть имеет стальной трубчатый корпус, закрытый с двух сторон стальными крышками, внутри которого расположены четыре направляющих швеллера, две резьбовые штанги, а подвижная часть имеет буровой ствол, который включает в себя резьбовой бур в виде стальной трубы с двумя отличающимися по размеру резцами двухгранной формы с общим ребром и с отверстиями под ними в трубе резьбового бура, причем малый резец имеет площадь резания грунта в два раза меньшую, чем большой резец, а также включает шнековый бур, состоящий из съемной режущей части и шнека, который в верхней части через выпускной ход соединен со складным коробчатым рукавом, при этом подвижная часть также имеет платформу, жестко связанную с буровым стволом, состоящую из стального корпуса и стальных площадок, на которой расположены механизм привода резьбового бура и платформы и механизм привода шнекового бура, состоящие оба из электродвигателя и шестерен, причем во время проходки скважины резьбовой и шнековый буры установлены с возможностью вращения во взаимно противоположных направлениях с возможностью выполнения шнековым буром не менее двадцати оборотов за один оборот в 360° резьбового бура, который при этом имеет возможность продольного хода по оси скважины на величину шага резьбы с=1,414 d, где d - наружный диаметр трубы резьбового бура, при этом диаметр, описываемый вершиной большого резца резьбового бура при обороте в 360° в плане, составляет D=2,414 d и равен диаметру скважины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что режущие кромки большого резца имеют размеры d и 1,16 d , где d - наружный диаметр трубы резьбового бура, образуют в его вершине между собой угол 70°, высота большого резца равна 0,707 d, длина его ребра 1,21 d, угол наклона между касательной к линии реза, проходящей через вершину большого резца и прямой, проходящий через эту же вершину, параллельной оси вращения резьбового бура, составляет 65°, фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами a=d.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что режущие кромки большого резца имеют размеры d и 0,8 d, образуют в его вершине угол 35°, а фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с гипотенузой a=d, расположенной на нижней поверхности резьбы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что режущие кромки большого резца имеют размеры 1,16 d и 0,8 d, образуют в его вершине угол 35°, а фигура, образованная от пересечения полости после проходки большого резца и плоскости, проходящей через ось вращения резьбового бура, имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника с гипотенузой a=d, расположенной на верхней поверхности резьбы.