Способ и устройство для бурения вытеснением грунта
Изобретение относится к буровому устройству и способу бурения вытеснением грунта. Техническим результатом является создание способа и устройства для бурения вытеснением грунта, с помощью которых могут быть разработаны буровые скважины с особенно устойчивыми боковыми стенками. Для этого устройство содержит буровую штангу, на нижнем конце которой разъемно укреплена вытесняющая головка, и выполненный на буровой штанге вытесняющий участок, который расширен по сравнению с граничащим с ним участком буровой штанги. Причем вытесняющий участок для заглаживания стенок скважины выполнен цилиндрическим и образует нижний конец буровой штанги, на котором разъемно укреплена вытесняющая головка. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к буровому устройству для бурения вытеснением грунта, содержащему буровую штангу, на нижнем конце которой разъемно укреплена вытесняющая головка. Кроме того, изобретение относится к способу бурения вытеснением грунта, при котором вытесняющую головку, разъемно укрепленную на нижнем конце буровой штанги, вводят в грунт до предварительно определенной глубины с вытеснением грунтового материала, после чего буровую штангу отсоединяют от вытесняющей головки и выводят из грунта.
Уровень техники
Такой способ известен как способ бурения вытеснением грунта с оставляемой или невозвратной вытесняющей головкой. При этом вытесняющая головка остается в грунте и образует опорную поверхность для сооружаемой над ней бетонной или стабилизирующей сваи. Для этого после вывода буровой штанги из выполненной буровой скважины в нее подают бетон или другой материал заполнителя.
При этом в известном способе имеется проблема в том, что при определенных условиях не создается устойчивой боковой стенки буровой скважины. Это означает, что грунтовый материал может осыпаться с боковой стенки вниз до заполнения буровой скважины. Этот грунтовый материал создает в возведенной бетонной или стабилизирующей свае слабые места, которые снижают ее несущую способность.
Из патентного документа DE 19729882, МПК7 Е 21 В 7/20, 1998, известно буровое устройство для бурения вытеснением грунта, содержащее буровую штангу, на нижнем конце которой разъемно укреплена вытесняющая головка. При этом нижний конец штанги выполнен в виде многогранника, предпочтительно четырехгранника, вставляемого в вытесняющую головку. Это устройство принято в качестве прототипа.
В этом же документе описан и способ бурения вытеснением грунта, при котором вытесняющую головку, разъемно укрепленную на нижнем конце буровой штанги, вводят в грунт до предварительно определенной глубины с вытеснением грунтового материала, после чего буровую штангу выводят из грунта и отсоединяют от вытесняющей головки. Этот способ принят в качестве прототипа. Недостатками известного устройства и способа является то, что с их помощью не всегда удается в достаточной степени укрепить и загладить стенки скважины.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и устройства для бурения вытеснением грунта, с помощью которых могут быть разработаны буровые скважины с особенно устойчивыми боковыми стенками.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается, с одной стороны, за счет создания бурового устройства, обладающего признаками по пункту 1 формулы изобретения, и, с другой стороны, за счет создания способа, обладающего признаками по пункту 9 формулы изобретения. Предпочтительно примеры осуществления изобретения отражены в соответствующих зависимых пунктах.
В соответствии с изобретением буровое устройство отличается тем, что нижний конец буровой штанги выполнен в виде вытесняющего участка, который расширен по сравнению с граничащим с ним участком буровой штанги. За счет этого после отсоединения вытесняющей головки расширенный вытесняющий участок, выполненный на нижнем конце буровой штанги, при ее выводе может еще раз произвести заглаживание боковой стенки скважины. Особенно важно, что падающий сверху грунтовый материал может вытесняться в боковую стенку посредством вытесняющего участка буровой штанги. За счет этого, с одной стороны, предотвращается нежелательное скопление грунтового материала в полости скважины, подлежащей заполнению. С другой стороны, дополнительное вытеснение грунтового материала в боковую стенку буровой скважины при выводе буровой штанги приводит к дополнительному уплотнению и укреплению, то есть повышению устойчивости стенки буровой скважины.
В принципе, вытесняющий участок может иметь различные формы, такие как коническая или шаровая форма. Однако согласно изобретению предпочтительно вытесняющий участок имеет цилиндрический сегмент, который постепенно, в частности, по конусу, переходит в граничащий с ним участок буровой штанги. Цилиндрический сегмент особенно технологичен и экономичен в изготовлении. Кроме того, цилиндрический сегмент обеспечивает равномерное вытесняющее действие по всей своей длине. Взамен строго конической формы участка перехода к вытесняющему участку может быть предусмотрена другая непрерывная форма с криволинейной образующей, например, в виде дуги или четверти окружности.
Для достижения хорошего вытесняющего воздействия в соответствии с изобретением вытесняющая головка снабжена наружной винтовой спиралью. За счет этого вытесняющая головка может завинчиваться в грунт с обеспечением особенно хорошего вытесняющего воздействия. Вытесняющая головка может быть изготовлена не только из стали, но также из синтетического материала, бетона, армированного высокопрочными непрерывными волокнами, или другого подходящего материала.
Согласно изобретению предпочтительно вытесняющий участок на буровой штанге имеет наружный диаметр, равный или меньше наружного диаметра наружной винтовой спирали вытесняющей головки. Предпочтительно наружный диаметр вытесняющего участка меньше наружного диаметра винтовой спирали вытесняющей головки на 10-20%. При этой разнице размеров также достигается хорошее заглаживание и уплотнение боковой стенки буровой скважины, которая имеет неравномерности вследствие завинчивания вытесняющей головки. Согласно изобретению особенно хорошее вытесняющее воздействие достигается, когда наружный диаметр вытесняющего участка примерно соответствует наружному диаметру наружной винтовой спирали вытесняющей головки.
В соответствии с изобретением дополнительное улучшение вытесняющего воздействия достигается за счет того, что на участке буровой штанги, который граничит с вытесняющим участком, выполнена винтовая спираль буровой штанги. Посредством этой винтовой спирали буровой штанги при ее соответствующем вращении падающий сверху грунтовый материал целенаправленно транспортируется к вытесняющему участку.
Далее, согласно изобретению предпочтительно винтовая спираль буровой штанги имеет направление спирали, противоположное направлению наружной винтовой спирали вытесняющей головки. В этом случае при противоположном вращении буровой штанги во время ее вывода из скважины достигается желательное транспортирующее воздействие в направлении к вытесняющему участку.
Для сооружения особенно устойчивых фундаментных свай в грунте согласно изобретению на вытесняющей головке могут быть укреплены армирующие элементы. Они могут представлять собой стальные тросы или металлические стержни, образующие арматуру в бетонной свае.
Для заполнения выполненной буровой скважины в соответствии с изобретением предусмотрено, что буровая штанга выполнена трубчатой для ввода материала заполнителя. За счет этого материал заполнителя может вводиться в полость скважины уже при выводе буровой штанги, что обеспечивает стабилизацию буровой скважины.
Способ в соответствии с изобретением отличается тем, что на нижнем конце буровой штанги выполнен вытесняющий участок, с помощью которого при выводе буровой штанги поступающий сверху грунтовый материал вытесняют в боковом направлении. Этот способ обеспечивает получение описанных выше преимуществ по достижении устойчивости боковой стенки буровой скважины.
Для выполнения буровой скважины предпочтительно на вытесняющей головке выполнена наружная винтовая спираль, при этом буровую штангу при вводе в грунт вращают в таком направлении, что наружная винтовая спираль транспортирует грунтовый материал в боковом направлении и вверх. За счет этого вытесняющая головка оказывает существенное вытесняющее воздействие при завинчивании в грунт.
Предпочтительный пример осуществления состоит в том, что вытесняющую головку отсоединяют от буровой штанги посредством вращения в противоположном направлении и/или посредством привода в действие разъединительного устройства. В первом случае соединение между вытесняющей головкой и буровой штангой может быть простым винтовым соединением. Однако соединительное устройство может быть выполнено другим, например, в виде байонетного (штыкового) замка или разъемного устройства с механически или электрически приводимым запорным элементом для надежного отсоединения вытесняющей головки от буровой штанги.
Согласно изобретению дополнительное уплотнение достигается за счет того, что на участке буровой штанги, который граничит с вытесняющим участком, выполнена винтовая спираль буровой штанги, при этом при выводе буровой штанги ее вращают в направлении, в котором винтовая спираль буровой штанги транспортирует поступающий сверху грунтовый материал к вытесняющему участку. При этом поступающий сверху грунтовый материал может быть запрессован также в относительно узкий зазор между вытесняющим участком и стенкой буровой скважины.
Для сооружения армированных свай в грунте согласно изобретению предусмотрено, что при выводе буровой штанги армирующие элементы, укрепленные на вытесняющей головке, направляются ею вверх.
Предпочтительно далее, что разработанную буровую скважину заполняют материалом заполнителя в процессе вывода буровой штанги. При этом боковая стенка буровой штанги в любой момент остается укрепленной либо за счет присутствия в ней бурового устройства, либо материалом заполнителя.
Далее со ссылками на прилагаемый чертеж будет подробно описан предпочтительный пример осуществления изобретения. На чертеже схематично представлено на виде сбоку буровое устройство 10 в соответствии с изобретением.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Буровое устройство 10, предназначенное для бурения вытеснением, снабжено вытесняющей головкой 40, на наружной поверхности которой выполнена наружная винтовая спираль 42. Для соединения с буровой штангой 20 на верхней стороне вытесняющей головки 40 выполнены поводки 44 в виде цапф, входящих в соответствующие выемки 34 на нижнем конце буровой штанги 20.
Трубчатая буровая штанга снабжена на своем нижнем конце расширенным вытесняющим участком 30, который посредством конуса 32 переходит к граничащему с ним участку 22 буровой штанги, имеющему постоянный наружный диаметр. На окружной периферии участка 22 буровой штанги выполнена винтовая спираль 24 буровой штанги, максимальный наружный диаметр которой примерно соответствует максимальному наружному диаметру расширенного цилиндрического участка 30. Винтовая спираль 24 буровой штанги проходит до цилиндрического участка 30, постепенно заканчиваясь на конусе 32.
В представленном примере выполнения вытесняющая головка 40 имеет в своей верхней зоне основной цилиндр 46, наружный диаметр которого соответствует наружному диаметру расширенного цилиндрического участка 30. Выступающие от него наружные винтовые спирали 42 вытесняющей головки 40 при бурении способом вытеснения грунта создают зоны разрыхления в боковой стенке буровой скважины. После отсоединения от вытесняющей головки 40 на предварительно определенной окончательной глубине буровой скважины буровую штангу 20 медленно выводят из буровой скважины при ее вращении в противоположном направлении. Падающий сверху грунтовый материал транспортируется из зоны разрыхления боковой стенки буровой скважины по винтовой спирали 24 буровой штанги вниз к вытесняющему участку 30. Благодаря наружному диаметру вытесняющего участка 30 грунтовый материал вытесняется в боковую стенку буровой скважины, в особенности в ее зону разрыхления. За счет этого боковая стенка буровой скважины заглаживается и дополнительно уплотняется. Одновременно предотвращается скопление грунтового материала на оставленной вытесняющей головке 40 и вследствие этого образование ослабленных зон при возведении бетонных свай.
1. Буровое устройство для бурения вытеснением грунта, содержащее буровую штангу (20), на нижнем конце которой разъемно укреплена вытесняющая головка (40), и выполненный на буровой штанге (20) вытесняющий участок (30), который расширен по сравнению с граничащим с ним участком (22) буровой штанги, отличающееся тем, что вытесняющий участок (30) для заглаживания стенок скважины выполнен цилиндрическим и образует нижний конец буровой штанги (20), на котором разъемно укреплена вытесняющая головка (40).
2. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что вытесняющий участок (30) постепенно, в частности по конусу, переходит в граничащий с ним участок (22) буровой штанги.
3. Буровое устройство по п.1, отличающееся тем, что вытесняющая головка (40) снабжена наружной винтовой спиралью (42).
4. Буровое устройство по п.3, отличающееся тем, что вытесняющий участок (30) на буровой штанге (20) имеет наружный диаметр, равный или меньший наружного диаметра наружной винтовой спирали (42) вытесняющей головки (40).
5. Буровое устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что на участке (22) буровой штанги, который граничит с вытесняющим участком (30), выполнена винтовая спираль (24) буровой штанги.
6. Буровое устройство по п.5, отличающееся тем, что винтовая спираль (24) буровой штанги имеет направление спирали, противоположное направлению наружной винтовой спирали (42) вытесняющей головки (40).
7. Буровое устройство по любому из пп.1-4 или 6, отличающееся тем, что вытесняющая головка (40) выполнена с возможностью закрепления на ней армирующих элементов.
8. Буровое устройство по любому из пп.1-4 или 6, отличающееся тем, что буровая штанга (20) выполнена трубчатой для ввода материала заполнителя.
9. Способ бурения вытеснением грунта с помощью бурового устройства, заявленном в любом из пп.1-8, при котором буровую штангу (20) с разъемно укрепленной на ее нижнем конце вытесняющей головкой (40) и с вытесняющим участком (30) вводят в грунт до предварительно определенной глубины с вытеснением грунтового материала, после чего буровую штангу (20) отсоединяют от вытесняющей головки (40) и выводят из грунта, причем при выводе буровой штанги (20) из грунта посредством вытесняющего участка (30) заглаживают стенки получаемой скважины и вытесняют в боковом направлении поступающий сверху грунтовый материал.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что на вытесняющей головке (40) выполнена наружная винтовая спираль (42), при этом буровую штангу (20) при вводе в грунт вращают в таком направлении, что наружная винтовая спираль (42) транспортирует грунтовый материал в боковом направлении и вверх.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что вытесняющую головку (40) отсоединяют от буровой штанги (20) посредством вращения в противоположном направлении и/или посредством привода в действие разъединительного устройства.
12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что на участке (22) буровой штанги, который граничит с вытесняющим участком (30), выполнена винтовая спираль (24) буровой штанги, при этом при выводе буровой штанги (20) ее вращают в направлении, в котором винтовая спираль (24) буровой штанги транспортирует поступающий сверху грунтовый материал к вытесняющему участку (30).
13. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что при выводе буровой штанги армирующие элементы, укрепленные на вытесняющей головке (40), направляются ею вверх.
14. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что разработанную буровую скважину заполняют материалом заполнителя в процессе вывода буровой штанги (20).
