СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУРОНАБИВНОЙ СВАИ Российский патент 2010 года по МПК E02D5/44 

Изобретение относится к области строительства, а именно к изготовлению буронабивных свай.

Известно, что удельная несущая способность забивных свай, приведенная к единице объема сваи, значительно (в несколько раз) выше, чем у буровых свай. Несущую способность забивных и буровых свай по грунту рассчитывают как сумму несущих способностей грунта, под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности за счет трения сваи по грунту. Расчетные сопротивления грунта на боковой поверхности буровой сваи СНиП 2.02.03-85 (п.4.6) рекомендует принимать по таблице 2, составленной для забивных свай. При этом отличие в несущей способности грунта на боковой поверхности забивных и буровых свай учитывается путем назначения соответствующих коэффициентов условий работы грунта на боковой поверхности сваи в зависимости от способа устройства свай. Значения этих коэффициентов отличаются на несколько десятков процентов и не могут объяснить многократной разницы в удельной несущей способности буровых и забивных свай. Значительная доля несущей способности забивной сваи обеспечивается сопротивлением грунта под ее нижним концом, уплотненным при погружении сваи, и соответствующим этому уплотнению, измененным напряженно-деформированным состоянием грунта в основании забивной сваи.

В СНиП 2.02.03-85 (п.2.4, а или б) приведена классификация забивных свай. Согласно этой классификации к забивным сваям отнесены:

- набивные сваи, устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;

- набивные виброштампованные сваи, устраиваемые в пробитых скважинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибропогружателем.

Расчетное сопротивление грунта под нижним концом таких свай принимается по таблице 1 СНиП 2.02.03-85, т.е. как для забивных свай.

При изготовлении буровых свай в сухих грунтах СНиП 3.02.01-87 (п.11.20) требует, после окончания проходки скважины, грунт в забое буровой скважины уплотнить до отказа путем сбрасывания в нее трамбовки массой не менее 3-5 тонн до достижения общей суммы отказов не менее диаметра сваи. Однако СНиП 2.02.03-85, введенный в действие с 1.01.87, как и СП 50-102-2003, изданный на 18 лет позже, в расчетах несущей способности набивных и буровых свай никак не учитывают эффект от уплотнения грунта под нижним концом буровой сваи.

Некоторое исключение СНиП 2.02.03-85 предоставляет сваям с камуфлетными уширениями, за счет введения в расчеты их несущей способности по грунту, коэффициента условий работы грунта под нижним концом такой сваи γ_R, рекомендуя принимать γ_R=1,3. При этом для всех набивных и буровых свай, включая сваи с камуфлетными уширениями, расчетные сопротивления грунта R под нижним концом сваи, согласно требованиям СНиП 2.02.03-85, должны приниматься в соответствии с п.4.7. Этот пункт отсылает к таблице 7 [СНиП 2.02.03-85] при расчете свай, нижний конец которых находится в глинистых грунтах. Расчетные сопротивления R для песков должны вычисляться по формулам, приведенным в пункте 4.7 [СНиП 2.02.03-85]. Расчетные сопротивления R песков под нижними концами буровых свай, вычисленные по пункту 4.7, часто превышали значения расчетных сопротивлений песков под нижними концами забивных свай, приведенные в таблице 1 [СНиП 2.02.03-85], чего не может быть в принципе. В 2003 г. эта ошибка была исправлена в СП 50-102-2003, где Примечание к пункту 7.2.7 было дополнено пунктом, устанавливающим верхний предел R для буровых свай, который не может превышать значений R, для забивных свай, приведенных в таблице 7.1 СП 50-102-2003 для аналогичных условий размещения свай.

Расчетные сопротивления грунта под нижними концами забивных свай СНиП 2.02.03-85 требует принимать по таблице 1, СП 50-102-2003 - по таблице 7.1, абсолютно идентичной таблице 1 СНиП 2.02.03-85.

Сопоставим установленные СНиП 2.02.03-85 и требуемые к безусловному принятию в практике проектирования значения расчетных сопротивлений R под нижними концами забивных свай и буровых свай (таблица 1 и таблица 7 СНиП 2.02.03-85), представленные ниже для удобства и наглядности сравнения в следующей объединенной таблице 1:

Примечания:

1. Для забивных свай значения R записаны обычным шрифтом (14200).

2. Для буровых свай значения R записаны курсивом (3300).

При заглублении свай, например, длиной 15 м, в глинистые грунты с показателем текучести I_L=0,1, расчетное сопротивление под нижним концом забивной сваи (7500 кПа) в 4,5 раза превышает расчетное сопротивление под нижним концом буровой сваи (1650 кПа).

При глубине 10 м расчетные величины в тех же грунтах отличаются в 6 раз. В мелких песках на глубине 15 м разница составляет 2,6 раза, а на глубине 10 м - 3,25 раза. Как видим, расчетные сопротивления грунта под нижними концами забивных свай в разы превышают расчетные сопротивления под буровыми сваями на равной глубине в одинаковых грунтах.

Настоящее изобретение нацелено на устранение противоречий, узаконенных во многих нормативных документах. Неочевидность заявляемого технического решения заключается в том, что существовавшее десятилетиями противоречие не замечалось ни проектировщиками, ни изобретателями, ни учеными-геотехниками.

Природное напряженно-деформированное состояние (НДС) грунта при погружении забивной сваи под ее нижним концом изменяется, в грунте формируется новое НДС, определяющее, в конечном итоге, возросшее сопротивление грунта под нижним концом сваи. Создавая под нижним концом буровой сваи НДС грунта, аналогичное НДС грунта под нижним концом забивной сваи, можно обеспечить несущую способность грунта под нижним концом такой буровой сваи, сопоставимую с несущей способностью грунта под нижним концом забивной, и для предварительных расчетов несущей способности такой буровой сваи использовать значения R, установленные для забивных свай. При этом настоящее изобретение устанавливает критерий, позволяющий сопоставлять эквивалентность (соответствие значений) НДС грунта под нижним концом буровой сваи после динамических уплотняющих воздействий на грунт с НДС грунта под нижним концом забивной сваи.

Известен способ изготовления сваи, включающий образование в грунте пионерной скважины, являющейся зоной формирования сваи, в которую подают твердеющий материал и при подаче твердеющего материала в нем возбуждают высоковольтные электрические разряды. Причем зону подачи твердеющего материала и возбуждения разрядов перемещают по глубине зоны формирования ствола сваи. Выделяемая высоковольтными электрическими разрядами энергия обеспечивает увеличение диаметра соответствующего участка скважины до заданного диаметра сваи на этой глубине (WO №91/00941, опубликовано 1991 г.). При изготовлении сваи по известному способу твердеющий материал подается в зону формирования сваи с осуществлением в этой зоне высоковольтных электрических разрядов. При этом зону подачи материала и возбуждения разрядов перемещают по глубине зоны формирования сваи.

По этому способу можно изготовить буровую сваю высокой несущей способности, сопоставимой с несущей способностью забивной сваи.

Однако в известном изобретении не решен вопрос контроля над созданием и достижением под нижним концом такой сваи напряженно-деформированного состояния грунта, эквивалентного напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом забивной сваи. В этом случае, использование значений расчетных сопротивлений грунта R под нижним концом забивной сваи для расчетов несущей способности буровой сваи, изготавливаемой по известному способу, может привести к аварийным последствиям.

Известен способ изготовления буровой сваи с камуфлетным уширением, включающий образование в грунте скважины, размещение на дне скважины заряда взрывчатого вещества (ВВ), заполнение скважины твердеющим материалом и инициирование заряда [СНиП 3.02.01-87 (п.11.29); Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83)/НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. - М.: Стройиздат, 1986. - 567 с.; Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. - М.: Энергия, 1972, с.208].

По классификации СНиП 2.02.03-85 описанный тип свай (п.2.5. г) отнесен к сваям, расчетное сопротивление грунта под нижним концом которых СНиП 2.02.03-85 (п.4.6) требует принимать в соответствии с положениями пункта 4.7 или таблицы 7, т.е., как для буровых свай.

Несмотря на дополнительные, весьма сложные и небезопасные операции с ВВ, в расчетах несущей способности сваи по грунту, достигаемый эффект сводится лишь к учету следующих факторов: увеличения площади сваи, в зоне камуфлетного уширения, и введению значения коэффициента условий работы грунта под нижним концом обычной буровой сваи, увеличенного на 30%, (согласно СНиП 2.02.03-85, пункт 4.6, γ_c=1,3). Весьма осторожный учет в расчетах несущей способности по грунту камуфлетной сваи, реально достигаемого от взрыва ВВ эффекта, объясняется тем, что в этом техническом решении не решен вопрос управления созданием и контроля достижения напряженно-деформированного состояния грунта под нижним концом камуфлетной сваи, эквивалентного напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом забивной сваи.

Известен способ изготовления буронабивных свай, получивших в России название «сваи-страуса», а в европейских странах аналогичные сваи получили название «сваи-франки». Этот способ включает:

- образование в грунте скважины;

- крепление стенок скважины обсадной трубой;

- порционную подачу в обсадную трубу материала (бетонной смеси);

- выбивание бетонной смеси из обсадной трубы бабой, сбрасываемой внутри трубы;

- втрамбовывание в грунт бетонной смеси, с формированием уширения ствола сваи;

- армирование ствола сваи выше уширения;

- бетонирование этой части ствола сваи [Клейн Г.К., Смиренкин П.П. «Основания и фундаменты», М.: Высшая школа, 1961 г., с.212 (см. стр.173)].

По этому способу получают сваи с высокой несущей способностью по грунту, близкие по несущей способности к забивным сваям.

Однако не решен вопрос контроля над изменением напряженно-деформированного состояния грунта и не установлена степень его уплотнения, при которой достигается напряженно-деформированное состояние грунта, эквивалентное напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом забивной сваи.

Известен способ изготовления буровых свай в неводонасыщенных грунтах, согласно которому после проходки скважины разрыхленный буровым инструментом грунт в забое скважины уплотняют путем сбрасывания в скважину трамбовки массой 3-5 тонн. Трамбование грунта в забое скважины производят до достижения величины отказа, не превышающего 2 см за последние 5 ударов, при этом общая сумма отказов трамбовки должна составлять не менее диаметра скважины (СНиП 3.02.01-87, пункт 11.20).

По этому способу можно получать буровые сваи с высокой несущей способностью по грунту.

Однако в данном способе так же не решены вопросы управления и контроля обеспечения под нижним концом изготавливаемой буровой сваи напряженно-деформированного состояния грунта, эквивалентного напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом забивной сваи. Поэтому весьма высокая трудоемкость уплотнения грунта в забое скважины (до достижения общей суммы отказов не менее диаметра скважины) и необоснованно большого числа циклов трамбования независимо от грунтовых условий фактически никак не учитывается в расчете несущей способности буровой сваи. Из-за отсутствия решения, позволяющего достоверно устанавливать видоизмененное напряженно-деформированное состояние грунта в результате сбрасывания трамбовки, несущую способность буровой сваи даже после уплотнения забоя скважины по описанному в СНиП 3.02.01-87 (п.11.20) способу рассчитывают как обычную буровую сваю. Другими словами, этот способ изготовления свай имеет недостатки, присущие для других буровых свай.

Технической задачей настоящего изобретения является создание буронабивных (буровых) свай с несущей способностью по грунту, как у забивных свай, при минимально возможном использовании ресурсов и максимально возможном использовании свойств массива грунта, вмещающего сваю.

Для решения этой задачи в способе изготовления буронабивной сваи, включающем образование в грунте скважины, подачу в нее материала, уплотнение грунта под нижним концом формируемой сваи, при уплотнении грунта в основании формируемой буронабивной сваи до параметров, эквивалентных параметрам забивной сваи, ее условную камуфлетную полость выполняют диаметром D_kp, равным диаметру d_zs эквивалентной забивной сваи, где:

d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи;

D_kp - диаметр (м) условной камуфлетной полости, образующейся в грунте при его вытеснении под нижним концом формируемой буровой сваи, путем подачи на заполнение условной камуфлетной полости контролируемого объема материала по следующей зависимости:

,

где V - контролируемый объем (м³) материала, израсходованного на заполнение условной камуфлетной полости, образующейся в грунте за счет его вытеснения в основании сваи. При заполнении скважины материалом в виде твердеющей смеси, предпочтительно пластичной бетонной смеси, диаметр эквивалентной забивной сваи определяют по зависимости

,

где d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи;

D_skw - диаметр (м) скважины;

Δh - измеренная величина, осадки (м) пластичной бетонной смеси в скважине при заполнении условной камуфлетной полости, полученной за счет вытеснения грунта под нижним концом формируемой сваи. А для получения буровой сваи с параметрами забивной такого же диаметра воздействуют на грунт в нижнем конце сваи до осадки материала, предпочтительно бетонной смеси, в скважине на величину, которую сравнивают с определенной из соотношения

Кроме того, в нижнем конце скважины осуществляют воздействия на грунт, а их достаточность контролируют (оценивают) по расходу дополнительно поданного в скважину в процессе воздействия на грунт материала, объем которого определяют по формуле

,

где D_skw - диаметр (м) формируемой сваи.

Кроме того, в скважине, закрепленной обсадной трубой, динамические воздействия на грунт производят до достижения величины осадки материала в обсадной трубе, не меньшей чем

,

где Δh_tr - осадка (м) материала в обсадной трубе;

D_skw - диаметр (м) скважины;

D_tr - внутренний диаметр (м) обсадной трубы.

При этом динамические воздействия на грунт в нижнем конце формируемой сваи осуществляют до достижения условного отказа, за который принимают осадку материала не более 2 мм за последнее воздействие, а при уплотнении грунта электрическими взрывами в основании сваи с использованием электродной системы, динамическое воздействие прекращают при условии, что электродная система, свободно установленная на забой при электрическом взрыве, проваливается не более чем на 1-2 см. А в процессе динамического воздействия на грунт создают, по крайней мере, одно дополнительное камуфлетное уширение по длине сваи, предпочтительно в зонах вскрытия скважиной грунтов, наиболее легко поддающихся уплотнению, что устанавливают по реакции грунта на пробные динамические воздействия, осуществляемые по длине сваи.

Достижение технического результата подтверждается следующими рассуждениями. Известно, что при погружении забивной сваи или устройстве сваи по технологии, описанной в СНиП 2.02.03-85 (п.2.4 а, б) [Бахолдин Б.В. «Экспериментальные и теоретические исследования процесса взаимодействия грунта с забивными сваями и создание на их основе практических методов расчета свай», автореферат диссертации на соискание звания д.т.н., - М., ВНИИОСП, 1987 г., с.472; Малышев М.В., Болдырев Г.Г. «Механика грунтов. Основания и фундаменты», М.: “АСВ”, 2001 г., с.328; Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений в г.Москве. - М.: ГУП «НИАЦ», 2001 г., с.147] под ее нижним концом на глубину до 1,5d_zs (d_zs - диаметр (м) забивной сваи) происходит уплотнение грунта с последующим вытеснением его в стороны, за счет чего вокруг сваи формируется зона уплотненного грунта диаметром D_zu

Из теории камуфлетных взрывов известно, что вокруг камуфлетной полости образуется зона уплотненного грунта, диаметр D_zu которой достигает

где D_kp - диаметр (м) камуфлетной полости [Смирнов В.И., Голицинский Д.М., Мельников Л.Л. «Строительство подземных сооружений с использованием камуфлетных взрывов», М.: Недра. 1981 г., с.215]. Камуфлетной считают полость, полученную подземным взрывом без образования воронки на поверхности земли. Экспериментальными исследованиями доказано, что установленная пропорция практически не зависит от масштаба и глубины взрыва, а зависит только от характеристик грунта.

При погружении забивной сваи происходит внутренний выпор грунта в уровне ее нижнего конца, на глубине погружения. Внутренний выпор грунта можно условно представить как формирование «камуфлетной полости», которая одновременно с ее образованием заполняется телом (материалом) погружаемой сваи. Причем диаметр этой «камуфлетной полости» всегда соответствует диаметру погружаемой сваи d_zs (м).

При уплотнении грунта в забое скважины необходимо в грунте, окружающем нижний конец формируемой буровой сваи, создать зону деформаций грунта, эквивалентную зоне деформаций грунта в основании забивной сваи, и зону, в которой изменились напряжения в грунте, эквивалентную зоне измененных напряжений в основании забивной сваи. В этом случае, грунт под нижним концом буровой сваи обеспечит несущую способность, равную несущей способности этого же грунта, в основании забивной сваи такого же диаметра, на такой же глубине, т.е. можно приравнять формулы (1) и (2)

и ,

откуда легко найдем диаметр камуфлетной полости

или

Для буровой сваи диаметром D_skw, равным диаметру забивной сваи d_zs, можно записать

Тогда камуфлетная полость минимально необходимого диаметра для обеспечения создания под нижним концом буронабивной сваи НДС грунта, эквивалентного НДС грунта под нижним концом забивной сваи, должна определяться по формуле

В этом случае несущую способность буровой сваи под ее нижним концом можно будет рассчитывать (и соответственно нагружать) как забивную сваю, погруженную в этот же грунт на ту же глубину.

В скважине, заполненной пластичной бетонной смесью, можно сформировать камуфлетную полость в результате сбрасывания трамбовки, взрыва ВВ или серии электровзрывов. Получаемая при каждом ударе трамбовки или электровзрыве камуфлетная полость сразу заполняется пластичной бетонной смесью, поэтому объем камуфлетной полости, полученной в результате серии динамических воздействий, контролируют по общей осадке бетонной смеси в скважине. Диаметр камуфлетной полости вычисляют по известным формулам, рекомендуемым в [Пособие по производству работ при устройстве оснований и фундаментов (к СНиП 3.02.01-83)/НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. - М.: Стройиздат, 1986. - 567 с.]

или в [Технических правилах ведения взрывных работ в энергетическом строительстве. - М.: Энергия, 1972, - 208 с.]

где V - объем (м³) бетонной смеси, разместившейся в камуфлетной полости, определяется по величине ее осадки в скважине, умноженной на площадь поперечного сечения скважины в измеряемом сечении

где D_skw - диаметр (м) буровой скважины; Δh - величина (м), на которую осела бетонная смесь в скважине при формировании камуфлетной полости.

Можно (6) и (7) записать в обобщенном виде

После подстановки (8) в (9) получим

Подставим (5) в (10) и после преобразований получим величину Δh, на которую должна осесть бетонная смесь в скважине и которую контролируют при формировании камуфлетной полости минимально необходимого диаметра для создания под нижним концом буронабивной сваи НДС грунта, эквивалентного НДС грунта под нижним концом забивной сваи

Округляя в запас надежности, получим

Для получения буронабивной сваи высокой несущей способности по грунту, соответствующей по несущей способности забивной свае такого же диаметра, достаточно в нижнем конце сваи сформировать уширение, при заполнении которого бетонная смесь в скважине осядет на величину, равную (м), величину осадки контролируют в процессе воздействий на грунт под нижним концом буровой сваи. Когда в грунте, окружающем нижний конец буровой сваи, будут сформированы зона уплотнения грунта, зоны измененных напряжений и деформаций, эквивалентные зонам уплотнения грунта, зонам измененных напряжений и деформаций в основании забивной сваи диаметром d_zs (м), расчетную несущую способность буровой сваи по грунту под ее нижним концом можно будет вычислять, используя расчетные сопротивления грунта, определенные по таблице 1 СНиП 2.02.03-85, как для забивной сваи. Такую буровую сваю можно нагружать как забивную такого же диаметра, погруженную в этот же грунт на ту же глубину.

В рыхлых песках или других слабых грунтах, содержащих легкоуплотняемые зоны, за счет уплотнения последних, камуфлетная полость может получиться значительно больших размеров. В этом случае в расчетах несущей способности буровой сваи следует принимать диаметр сопоставляемой забивной сваи, который вычисляют по формуле

где d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи.

Другими словами, для изготовления сваи по заявляемому изобретению в грунте выполняют скважину. Заполняют скважину, по крайней мере, в зоне преобразования энергии твердеющим материалом, например бетонной смесью или другим материалом. После чего уплотняют грунт в забое скважины до формирования под нижним концом буровой сваи напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта, эквивалентного напряженно-деформированному состоянию грунта в основании эквивалентной забивной сваи. Достижение требуемой степени уплотнения грунта и создание зон, в которых природные напряжения в результате деформаций грунта в основании буровой сваи достигли напряжений и деформаций, соответствующих напряжениям и деформациям под нижним концом забивной сваи в зонах, эквивалентных зонам под нижним концом забивной сваи, контролируют (оценивают) по осадке материала (бетонной смеси) в скважине на величину 0,4 диаметра скважины

где D_skw - диаметр (м) скважины в уровне зеркала бетонной смеси в стволе скважины, где измеряют его снижение и сопоставляют с диаметром забивной сваи d_zs (м).

При использовании обсадных труб для крепления стенок скважины контролируют осадку бетонной смеси в устье обсадной трубы, величину осадки определяют по формуле

где Δh_tr - осадка (м) бетонной смеси в устье обсадной трубы; Δh_skw - условная величина (м) осадки бетонной смеси в незакрепленной скважине; D_skw - диаметр (м) скважины; D_tr - внутренний диаметр (м) обсадной трубы.

После подстановки (12) в (14) получим

Если не выполнять приведенный перерасчет, то в расчетах несущей способности буровой сваи, в нижнем конце которой был уплотнен грунт и в обсадной трубе уровень материала понизился на величину Δh_tr, следует принимать расчетные сопротивления грунта как под нижним концом забивной сваи, а диаметр эквивалентной забивной сваи вычисляют по формуле

Контроль можно осуществлять не только по осадке бетонной смеси в скважине, но и по объему материала, дополнительно подаваемого в скважину, главное, чтобы при этом обеспечивалось соответствие формируемого под нижним концом буронабивной сваи НДС грунта НДС грунта в основании забивной сваи. Оценивают это соответствие НДС по объему материала (бетонной смеси) в плотном теле, втрамбованном в грунт под нижним концом буровой сваи, а именно по объему дополнительно поданного в скважину в процессе уплотнения грунта в основании буровой сваи, этот объем должен превышать объем, который вычисляют по формуле

,

где D_skw - диаметр (м) формируемой сваи, эквивалентной забивной.

Бетонная смесь, несмотря на ее подвижность, хорошо обеспечивает фиксацию остаточных деформаций грунта, достигнутую при каждом цикле его уплотнения.

Для изготовления буровых свай с использованием электрических разрядов применяют литые бетонные смеси, которые свободно перекачиваются по шлангам и трубам, эти смеси представляют собой жидкость плотностью 1,73…2,35 т/м³. Подвижность бетонных смесей с невысоким водоцементным отношением (от 0,3 до 0,5) обеспечивается за счет применения эффективных супер- и гиперпластифицирующих добавок, например: С-3; NN(FM) и др.

Динамические воздействия на грунт в нижнем конце формируемой сваи могут осуществляться до достижения условного отказа, за который принимают осадку материала не более 2 мм за последнее воздействие.

Осуществляя динамические воздействия на грунт, можно, в дополнение воздействиям на уровне нижнего конца буровой сваи, получить, по крайней мере, одно дополнительное камуфлетное уширение по длине сваи. Наибольший эффект достигается, если осуществляют динамические воздействия на грунт и создают дополнительные камуфлетные уширения в зонах (пропластках), где при проходке скважины между твердыми грунтами были вскрыты тонкие включения (пропластки) слабых грунтов, наиболее легко поддающиеся уплотнению, что устанавливают по реакции грунта на пробные динамические воздействия, осуществляемые по глубине скважины.

При уплотнении грунта в основании сваи путем осуществления электрических взрывов необходимо обязательно проверить степень уплотнения грунта, которая признается достаточной, если электродная система, свободно установленная на забой при электровзрыве, проваливается не более 1-2 см, выполнить проверку “на отскок”. После достижения достаточной степени уплотнения грунта под нижним концом буровой сваи в результате осуществления серии электровзрывов, при которой обеспечивается минимальная осадка сваи, экспериментально установлено, что при электрическом разряде (взрыве) между электродами, установленными свободно на грунт в забое скважины, происходит отскок, подобный отдаче оружия при выстреле. Этот эффект надежно определяется оператором при обработке скважины.

Сущность заявляемого изобретения выражается совокупностью существенных признаков, достаточных для достижения предполагаемым изобретением технического результата, который заключается в контроле гарантированного обеспечения несущей способности под нижним концом буровой сваи по грунту, которая достигалась под нижними концами только у забивных свай, путем применения управляемого, контролируемого глубинного уплотнения грунта, при котором формируется свая.

Почти 30-летний опыт проектирования и устройства буровых свай показал, что несущая способность грунта в основании этих свай недоиспользовалась из-за отсутствия достоверного, надежного метода контроля за степенью уплотнения грунта, сопоставимой с параметрами уплотнения под нижним концом забивной сваи. Заявляемый метод контроля позволил сделать процесс уплотнения грунта, управляемым, всякий раз получая результат, соответствующий несущей способности по грунту забивной свае соответствующего диаметра.

Таким образом, впервые представилась возможность при изготовлении буровых свай надежно контролировать обеспечение несущей способности по грунту под ее нижним концом, эквивалентной несущей способности под нижним концом забивной сваи соответствующего диаметра. При этом стало возможным по известным методикам выполнить предварительные расчеты несущей способности буронабивной сваи, пользуясь данными таблицы 1 СНиП 2.02.03-85, как при расчете забивной сваи, с последующей проверкой результатов расчетов контрольными испытаниями вдавливающей нагрузкой по ГОСТ 5686-94.

Введение в известный способ изготовления буровых свай существенного, ранее не известного в способе изготовления свай признака - метода контроля над динамическим воздействием и его результатами, что позволило создать новый способ управляемого воздействия на грунт под нижним концом буровой сваи для создания в зоне нижнего конца формируемой буровой сваи напряженно-деформированного состояния грунта и плотности грунта, соответствующих по плотности и напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом эквивалентной забивной сваи, диаметр которой определяют по формуле

где d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи;

D_skw - диаметр (м) скважины;

Δh - величина (м) осадки материала в скважине за счет уплотнения грунта в нижнем конце формируемой сваи, по которой контролируют степень приближения несущей способности по грунту буровой сваи к соответствующим параметрам забивной сваи.

Введение в известный способ изготовления буровых свай существенного, ранее не известного в способе изготовления свай признака, а именно: постоянного контроля над объемом формируемой условной камуфлетной полости, которая автоматически заполняется подаваемым в скважину материалом, а по объему материала заполнившего полость, определения в любой момент времени сечения эквивалентной забивной сваи, по которой, в свою очередь, оценивают несущую способность грунта. Эти данные используют для оперативного расчета несущей способности под нижним концом буровой сваи, как под нижним концом забивной сваи эквивалентного сечения, в предварительных расчетах при проектировании.

При этом обнаружилась новая и неожиданная функция, при меньших затратах на уплотнение грунта в локальной зоне, у нижнего конца формируемой буровой сваи, обеспечивают ее несущую способность как забивной сваи. Контролируя изменение напряженно-деформированного состояния грунта, вплоть до уровней, эквивалентных напряженно-деформированному состоянию грунта под нижним концом забивной сваи, получают сверхсуммарный положительный эффект. Без увеличения затрат (наоборот, даже при меньших затратах) изготавливают качественно новую буровую сваю, несущая способность грунта под нижним концом которой в несколько раз превышает несущую способность под нижним концом обычной буровой сваи и соответствует несущей способности грунта под нижним концом забивной сваи, диаметр которой определяют по формуле

,

где d_zs - диаметр (м) эквивалентной условной забивной сваи, который может быть в плотных грунтах меньше сечения буровой сваи, а в рыхлых песках может превышать сечение буровой сваи;

V - объем (м³) материала, заполнившего камуфлетную полость, определяют или по осадке его в скважине, или по объему, измеряемому при его подаче в скважину для заполнения камуфлетной полости.

Если контролируют объем материала, заполнившего камуфлетную полость, по осадке бетонной смеси в скважине, то сечение эквивалентной забивной сваи определяют по формуле

,

где d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи.

Подобные зоны могут создаваться во многих местах по длине (глубине) ствола сваи. Преимущество следует отдавать участкам, где были вскрыты слабые, легко уплотняемые грунты, например, создавать уплотнения над кровлей более прочных грунтов. В этом случае каждое сформированное уплотнение, выполненное над кровлей более прочных грунтов, будет обеспечивать работу прочного грунта как под нижним концом забивной сваи на глубине залегания грунтов с повышенными прочностными характеристиками. Зоны слабых грунтов устанавливают при пробном уплотнении по длине скважины. Таким образом, наиболее полно используются возможности грунта основания.

Примеры практического осуществления заявляемого изобретения.

Например, при устройстве буровой сваи диаметром 600 мм длиной 10 м, забоем скважины на этой глубине (10 м) были вскрыты полутвердые суглинки с I_L=0,1. При уплотнении грунта в основании этой буровой сваи, в результате четко организованного, согласно изобретению, контроля, было зафиксировано, что под нижним концом буровой сваи втрамбовано в грунт 0,02 м³ поданного дополнительно материала.

Для учета степени уплотнения грунта и сформированного НДС грунта, эквивалентного забивной свае, диаметр которой можно определить по формуле

.

Можно условно считать, что в грунт погружена забивная свая сечением 35×35 см, площадью поперечного сечения 0,12 м². Расчетное сопротивление грунта под нижним концом которой составляет, согласно таблице 1 СНиП 2.02.03-85, 7300 кПа (730 т/м²), а несущая способность грунта под нижним концом буровой сваи, у которой было втрамбовано в грунт 0,02 м³, составляет 0,12 м²×730 т/м²=87,6 т.

Для буровой сваи диаметром 0,6 м, площадью 0,28 м², расчетное сопротивление грунта под нижним концом составляет, согласно таблице 7 СНиП 2.02.03-85, 1200 кПа (120 т/м²), а несущая способность грунта под нижним концом буровой сваи составляет 0,28 м²×120 т/м²=33,6 т.Благодаря осуществлению контроля уплотнения грунта под нижним концом буровой сваи по заявленному изобретению, без приложения дополнительных затрат устанавливаем объективную несущую способность буровой сваи после уплотнения грунта под ее нижним концом, превышающую в 2,6 раза определенную по существующим правилам.

Другой пример: при устройстве буровой сваи диаметром 400 мм длиной 10 м, забоем скважины на этой глубине (10 м) были вскрыты мягкопластичные суглинки с I_L=0,5. При уплотнении грунта в основании этой буровой сваи, в результате четко организованного, согласно изобретению, контроля, было зафиксировано, что удалось втрамбовать в грунт под нижним концом сваи 0,08 м³ щебня, поданного дополнительно в скважину.

Степень уплотнения грунта и сформированного НДС грунта, эквивалентного забивной свае, диаметр которой определяют по формуле

,

Можно условно считать, что в грунт погружена забивная свая сечением 50×50 см, расчетное сопротивление грунта под нижним концом которой составляет, согласно таблице 1 СНиП 2.02.03-85, 1500 кПа (150 т/м²), а несущая способность грунта составляет 0,50×0,50 м² × 150 т/м²=37,5 т.

Для буровой сваи диаметром 0,4 м, площадью 0,125 м², расчетное сопротивление грунта под нижним концом составляет, согласно таблице 7 СНиП 2.02.03-85, 700 кПа (70 т/м²), а несущая способность грунта под нижним концом буровой сваи составляет 0,125 м²×70 т/м²=8,7 т. Благодаря осуществлению контроля уплотнения грунта под нижним концом буровой сваи по заявленному изобретению, без приложения дополнительных затрат, получаем объективно установленную несущую способность буровой сваи по грунту под ее нижним концом (37,5 т), которая превышает определенную по существующим правилам (8,7 т) в 4,3 раза.

Изобретение относится к области строительства, а именно к изготовлению буронабивных свай. Технической задачей изобретения является создание буронабивных (буровых) свай с несущей способностью по грунту, как у забивных свай, при минимально возможном использовании ресурсов и максимально возможном использовании свойств массива грунта, вмещающего сваю. Для этого в способе изготовления буронабивной сваи, включающем образование в грунте скважины, подачу в нее материала, уплотнение грунта под нижним концом формируемой сваи, - при уплотнении грунта в основании формируемой буронабивной сваи с параметрами эквивалентной забивной сваи, ее условную камуфлетную полость выполняют диаметром D_kp, равным диаметру d_zs эквивалентной забивной сваи, где: d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи; D_kp - диаметр (м) условной камуфлетной полости, образующейся в грунте при его вытеснении под нижним концом формируемой буровой сваи, путем подачи на заполнение условной камуфлетной полости контролируемого объема материала по следующей зависимости , где V - контролируемый объем (м³) материала, израсходованного на заполнение условной камуфлетной полости, образующейся в грунте за счет его вытеснения в основании сваи. При заполнении скважины материалом в виде твердеющей смеси, предпочтительно пластичной бетонной смеси, диаметр эквивалентной забивной сваи определяют по зависимости , где d_zs - диаметр (м) эквивалентной забивной сваи; D_skw - диаметр (м) скважины; Δh - измеренная величина осадки (м) пластичной бетонной смеси в скважине при заполнении условной камуфлетной полости, полученной за счет вытеснения грунта под нижним концом формируемой сваи. А для получения буровой сваи с параметрами забивной такого же диаметра воздействуют на грунт в нижнем конце сваи до осадки материала, предпочтительно бетонной смеси, в скважине на величину, которую сравнивают с определенной из соотношения: . Кроме того, в нижнем конце скважины осуществляют воздействия на грунт, а их достаточность контролируют (оценивают) по расходу дополнительно поданного в скважину в процессе воздействия на грунт материала, объем которого определяют по формуле , где D_skw - диаметр (м) формируемой сваи. При этом в скважине, закрепленной обсадной трубой, динамические воздействия на грунт производят до достижения величины осадки материала в обсадной трубе, не меньшей чем: ,

где Δh_tr - осадка (м) материала в обсадной трубе; D_skw - диаметр (м) скважины; D_tr - внутренний диаметр (м) обсадной трубы. Динамические воздействия на грунт в нижнем конце формируемой сваи осуществляют до достижения условного отказа, за который принимают осадку материала не более 2 мм за последнее воздействие, а при уплотнении грунта электрическими взрывами в основании сваи с использованием электродной системы, динамическое воздействие прекращают при условии, что электродная система, свободно установленная на забой при электрическом взрыве, проваливается не более чем на 1-2 см, а в процессе динамического воздействия на грунт создают, по крайней мере, одно дополнительное камуфлетное уширение по длине сваи, предпочтительно, в зонах вскрытия скважиной грунтов, наиболее легко поддающихся уплотнению, что устанавливают по реакции грунта на пробные динамические воздействия, осуществляемые по длине сваи. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления буронабивной сваи, включающий образование в грунте скважины, подачу в нее материала, уплотнение грунта под нижним концом формируемой сваи с образованием камуфлетной полости, отличающийся тем, что при уплотнении грунта в основании формируемой буронабивной сваи с параметрами эквивалентной забивной сваи ее условную камуфлетную полость выполняют диаметром D_kp, равным диаметру d_zs эквивалентной забивной сваи, где
d_zs - диаметр эквивалентной забивной сваи;
D_kp - диаметр условной камуфлетной полости, образующейся в грунте при его вытеснении под нижним концом формируемой буровой сваи, путем подачи на заполнение условной камуфлетной полости контролируемого объема материала по следующей зависимости:
,
где V - контролируемый объем материала, израсходованного на заполнение условной камуфлетной полости, образующейся в грунте за счет его вытеснения в основании сваи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при заполнении скважины материалом в виде твердеющей смеси, предпочтительно пластичной бетонной смеси, диаметр эквивалентной забивной сваи определяют по зависимости
,
где d_zs - диаметр эквивалентной забивной сваи;
D_zs - диаметр скважины;
Δh - измеренная величина, осадки пластичной бетонной смеси в скважине при заполнении условной камуфлетной полости, полученной за счет вытеснения грунта под нижним концом формируемой сваи.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для получения буровой сваи с параметрами забивной сваи такого же диаметра воздействуют на грунт в нижнем конце сваи до осадки материала, предпочтительно бетонной смеси, в скважине на величину, которую сравнивают с определенной из соотношения

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нижнем конце скважины осуществляют динамические импульсные воздействия на грунт, а их достаточность контролируют (оценивают) по расходу дополнительно поданного в скважину в процессе воздействия на грунт материала, объем которого определяют по формуле

где D_skw - диаметр формируемой сваи.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в скважине, закрепленной обсадной трубой, динамические воздействия на грунт производят до достижения величины осадки материала в обсадной трубе, не меньшей,
чем ,
где Δh_tr - осадка материала в обсадной трубе;
D^skw - диаметр скважины;
D_tr - внутренний диаметр обсадной трубы.

6. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что динамические воздействия на грунт в нижнем конце формируемой сваи осуществляют до достижения условного отказа, за который принимают осадку материала не более 2 мм за последнее воздействие, а при уплотнении грунта электрическими взрывами в основании сваи с использованием электродной системы динамическое воздействие прекращают при условии, что электродная система, свободно установленная на забой, при электрическом взрыве проваливается не более чем на 1-2 см.

7. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что в процессе динамического воздействия на грунт создают, по крайней мере, одно дополнительное камуфлетное уширение по длине сваи, предпочтительно в зонах вскрытия скважиной грунтов, наиболее легко поддающихся уплотнению, что устанавливают по реакции грунта на пробные динамические воздействия, осуществляемые по длине сваи.