СПОСОБ ПОГРУЖЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ СВАИ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫЙ ГРУНТ Российский патент 2003 года по МПК E02D7/22 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к сооружению несущих фундаментных конструкций в вечномерзлом грунте путем погружения трубчатых опорных свай.

Уровень техники
Известен способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт, включающий вращение сваи с одновременным приложением к ней осевой вдавливающей нагрузки с образованием кольцевой зоны нагрева - см. а.с. СССР 1666674, Е 21 В 7/20, 1991. Сущность способа заключается в том, что погружение трубчатой сваи происходит за счет превращения в воду льда, входящего в структуру мерзлого грунта, под действием тепла, выделяемого в зоне трения о грунт нижнего торца погружаемой трубы, подвергающейся осевой вдавливающей нагрузке при одновременном вращении. Вода и размокший грунт выдавливаются из зоны трения в зазоры, расположенные по обе стороны стенки трубы и возникающие вследствие неизбежных радиальных биений торца, вызванных отклонениями при изготовлении труб (допуск на отклонение оси трубы от прямой линии составляет 1 мм на 1 м длины). Уходящие в боковые зазоры вода и грунт освобождают путь для опускания трубы.

Одной из проблем при осуществлении способа является проблема выбора скорости вращения, которая обеспечивает стабильность кольцевой зоны нагрева для непрерывного погружения сваи.

Решение указанной проблемы частично обеспечивается изобретением по 25 патенту РФ 2109881, Е 02 D 7/22, 1998. Однако скорость вращения трубы, определяемая в соответствии с решением по данному патенту, определяет условия выделения тепла не под торцом сваи, то есть не там, где открывается путь для ее погружения, а в упомянутых выше кольцевых зазорах по обе стороны стенки уже погруженной части трубы. Кроме того, определяемая по приведенной формуле величина скорости является ограничением "сверху", которое необходимо соблюдать для обеспечения смерзания сваи с массивом грунта. Вопрос же о том, какую именно скорость (в диапазоне от нуля до этой верхней ограничивающей величины) целесообразно назначать, остается открытым. Так же остается нерешенным вопрос, насущный для всех видов механической вращательно-поступательной разработки (обработки) твердых сред - вопрос соотношения скорости вращения и скорости подачи.

Осевую подачу определяют из условия выделения тепла в торцевой зоне трения, то есть в зоне контакта нижнего торца трубы с кольцевой поверхностью в грунте, а также из условия необходимости постоянного поддерживания этого контакта.

Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа погружения в вечномерзлый грунт трубчатой сваи с выдерживанием скорости осевой подачи и скорости вращения в определенных пределах.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания способа погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт, который содержит вращение сваи с образованием кольцевой зоны нагрева с одновременной осевой подачей сваи с приложением к ней вдавливающей нагрузки, и отличается тем, что осевую подачу сваи регулируют из соотношения:

где h - осевая подача, мм/об;
Р - осевое усилие, кгс;
f - коэффициент трения стали о грунт;
k - термический эквивалент работы, кал/кгм;
k₁ - удельная теплоемкость льда, кал/г град;
t^o - температура мерзлого грунта, ^oC;
k₂ - теплота плавления льда, кал/г;
q - удельная масса льда, г/мм³;
k_L - коэффициент льдистости мерзлого грунта;
δ - толщина стенки погружаемой трубы, мм;
δ′ - расширение торцевой плоскости зоны трения вследствие радиальных биений торца трубы, мм.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Способ реализуют следующим образом. С помощью бурильной машины устанавливают на поверхность грунта трубчатую сваю и выравнивают ее относительно заданной оси погружения. Затем сваю приподнимают и начинают вращать с определенной расчетной скоростью, метод определения которой будет описан ниже.

Далее производят осевую подачу трубчатой сваи, величину которой определяют из соотношения:

где h - осевая подача, мм/об;
Р - осевое усилие, кгс;
f - коэффициент трения стали о грунт;
k - термический эквивалент работы, кал/кгм;
k₁ - удельная теплоемкость льда, кал/г град;
t^о - температура мерзлого грунта, ^oC;
k₂ - теплота плавления льда, кал/г;
q - удельная масса льда, г/мм³;
k_L - коэффициент льдистости мерзлого грунта;
δ - толщина стенки погружаемой трубы, мм;
δ' - расширение торцевой плоскости зоны трения вследствие радиальных биений торца трубы, мм.

Скорость вращения трубы определяют известным образом, например по заданной производительности С погружения, которое является одним из основных технико-экономических показателей технологического процесса погружения трубчатых свай. С величиной осевой подачи h, которую рассчитывают по приведенному выше соотношению, скорость вращения связана уравнением:
W=Ch,
где С - заданная производительность погружения, мм/мин;
h - осевая подача, мм/об.

Полученную расчетным путем величину скорости W вращения сравнивают с максимальной допустимой расчетной величиной, получаемой по формуле, приведенной в РФ 2109881. При соблюдении указанного условия производят заглубление трубчатой сваи путем ее вращения с указанной расчетной скоростью и осевой подачей указанной расчетной величины.

В том случае, если расчетная скорость вращения превышает максимальную допустимую расчетную величину, используют способы увеличения расчетной величины осевой подачи путем воздействия на параметры Р, f и/или δ.

Величина осевой подачи по указанной формуле соответствует ситуации, когда весь разогретый за один оборот лед и размокший от этого минеральный скелет грунта выдавливается в боковые зазоры и освобождает путь для опускания торца тубы прямо до следующего слоя, который будет растоплен в процессе следующего оборота.

При осевой подаче меньше расчетной величины возможен разрыв контакта, то есть прекращение трения, прекращение выделения тепла и задержка всего процесса погружения. При осевой подаче выше расчетной величины упорный контакт между торцом трубы и забоем может вызвать смятие торца и неизбежный при этом срыв процесса погружения. Реальность риска этого нежелательного эффекта возрастает с учетом относительно высоких допусков на центрирование погружаемой сваи относительно направления прилагаемой осевой вдавливающей нагрузки.

Гранулометрические и физико-механические, в том числе прочностные, характеристики грунтов, в которые погружают сваи, отражены в формуле осевой подачи величинами f, t^o и k_L. Очевидно, что при их варьировании, как и при варьировании величин Р, δ и δ′, расчетная осевая подача будет изменяться.

При погружении в грунт в натурных условиях труб диаметром от 159 до 325 мм, вращаемых со скоростью 40-56 об/мин, были получены величины осевой подачи в следующих диапазонах (см. таблицу).

Расчетные величины оптимальной осевой подачи для грунтов различных категорий лежат в пределах экспериментально зарегистрированных диапазонов величин. Таким образом, проведенные опыты в натурных условиях подтвердили достоверность приведенной формулы.

Изобретение относится к сооружению несущих фундаментных конструкций в вечномерзлом грунте путем погружения трубчатых опорных свай. Способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт включает вращение сваи с образованием кольцевой зоны нагрева с одновременной осевой подачей сваи с приложением к ней вдавливающей нагрузки. Осевую подачу сваи регулируют по представленному соотношению. Изобретение направлено на обеспечение непрерывности и повышение эффективности процесса погружения трубчатой сваи. 1 табл.

Способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт, включающий вращение сваи с образованием кольцевой зоны нагрева с одновременной осевой подачей сваи с приложением к ней вдавливающей нагрузки, отличающийся тем, что осевую подачу сваи регулируют из соотношения

где h - осевая подача, мм/об.;
Р - осевое усилие, кгс;
f - коэффициент трения стали о грунт;
k - термический эквивалент работы, кал/кгм;
k₁ - удельная теплоемкость льда, кал/г град;
t^о - температура мерзлого грунта, ^oC;
k₂ - теплота плавления льда, кал/г;
q - удельная масса льда, г/мм³;
k_L - коэффициент льдистости мерзлого грунта;
δ - толщина стенки погружаемой трубы, мм;
δ′ - расширение торцевой плоскости зоны трения вследствие радиальных биений торца трубы, мм.