Способ устройства забивной сваи Российский патент 2018 года по МПК E02D5/60 

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройству свайных фундаментов в оплывающих биогенных грунтах (илы-сапропели, торфы), а также заиленных пылеватых песках, текучих глинистых и др. слабых водонасыщенных грунтах, модуль деформации которых не превышает 5 МПа, исключающих в соответствии с действующими нормативными документами использование их в качестве оснований зданий и сооружений.

Анализ многочисленных технических решений, относящихся главным образом к устройству набивных, набивных в пробитых скважинах, буронабивных, трубобетонных и др. свай, показывает, что основными недостатками их являются низкая несущая способность (зачастую полное ее отсутствие) по боковой поверхности в пределах залегания слоя слабых водонасыщенных грунтов, относительно высокая трудоемкость, а также длительность набора прочности используемой литой бетонной смеси (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1981; СТО 36554501-018-2009. Стандарт организации. Проектирование и устройство свайных фундаментов и уплотненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах. НИЦ "Строительство". - 2010; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011; Руководство по проектированию свайных фундаментов/НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1980 с дополнениями в 2015 г.; ВСН-01-76. Инструкция по проектированию и устройству буронабивных свай-стоек в вечномерзлых грунтах района Норильска).

Известны и широко применяются в различных грунтовых условиях свайные фундаменты из забивных призматических, пирамидальных, булавовидных и др. свай (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М., 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М., 2011; Руководство по проектированию свайных фундаментов/НИИОСП им. Н.М. Герсеванова Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1980 с дополнениями в 2015 г.).

Основными недостатками фундаментов из забивных свай являются: практически полное отсутствие несущей способности по боковой поверхности в пределах толщи слабых водонасыщенных грунтов, а также невысокая несущая способность при опирании их концов на подстилающие несущие грунты с относительно высокой сжимаемостью.

Относительно близкими из известных технических решений к предлагаемому способу являются способы устройства фундаментов из буроопускных железобетонных свай, выполняемых путем: погружения теряемой (оставляемой) обсадной трубы с открытым торцом с частичным заглублением его в подстилающий несущий слой; выбуривания из обсадной трубы и из подстилающего несущего слоя грунта; создания в нижней части уширения; частичного заполнения трубы литой бетонной смесью с последующим погружением в нее сборной железобетонной сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М., 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М., 2011 и др.).

Основными недостатками фундаментов из буроопускных железобетонных свай являются: практически полное исключение из передачи нагрузки на грунт основания по боковой поверхности сваи в пределах толщи водонасыщенных слоев заиленных, заторфованных и др. слабых грунтов; длительность набора литой бетонной смеси до требуемой прочности и др.

Известен также способ устройства сваи по SU 1170044, включающий выполнение многослойной из расположенных коаксиально на расстоянии друг от друга бетонных слоев и размещенных между ними прослоек сыпучего материала (например, песка или другого аналогичного материала).

Недостатками этого способа возведения сваи являются: невозможность в слабых водонасыщенных грунтах создания уплотненных зон и тем более бетонных слоев по боковой поверхности; достаточно длительный период времени для набора литым бетоном необходимой прочности перед нагрузкой сваи; устройство сваи связано с комбинацией двух видов свай: набивной (опускной) с использованием литого бетона и сборной железобетонной, что приводит к существенному увеличению не только сроков ее возведения, но и трудоемкости, а также к резкому ограничению области применения по грунтам основания.

Из известных следует отметить способ возведения свайного фундамента из забивных свай на просадочных грунтах с II типом по просадочности по SU 885446, из которого следует, что его устройство связано в основном с образованием скважин бурением, заполнением скважин песком (дренирующим материалом), замачиванием участка (пятна) застройки и погружением в скважины сборных железобетонных свай.

Способ возведения свайного фундамента по SU 885446 имеет следующие основные недостатки:

а) рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты с II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса;

б) скважины образуют бурением без создания по ее периметру уплотненной зоны;

в) длительность всего цикла возведения свай составляет около 2-3-х месяцев;

г) выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой неизбежно приводит к снижению прочностных и деформационных характеристик этих грунтов (особенно при их глинистом составе) и тем самым к снижению несущей способности забиваемой в последующем сваи, а также увеличению ее длины;

д) практически невозможно синхронизировать в одном проектном решении схему расположения дренажных скважин и забивных свай;

е) из-за отсутствия в рассматриваемом техническом решении создания уширенного основания под торцом свай резко снижается их потенциально возможная несущая способность.

Из известных способов следует также отметить патент на полезную модель сваи (RU 62619 U1), где способ изготовления забивной сборной железобетонной сваи включает образование лидерной скважины, которую заполняют смесью грунта с цементом, после чего с помощью вибропогружателя сваю погружают в заполненную скважину. Повышение несущей способности сваи обеспечивается за счет увеличения поперечного сечения ее подземной части и сил сопротивления на контакте тела сваи с грунтоцементной смесью.

Однако целесообразность применения сваи по патенту RU 62619 U1 весьма ограничена, так как она имеет следующие существенные недостатки:

- в подавляющем большинстве случаев и грунтовых условий несущая способность висячих и тем более забивных свай формируется главным образом за счет сопротивления грунта под нижним концом свай. Поэтому обычно наибольший эффект по повышению их несущей способности достигается преимущественно за счет применения мероприятий, связанных именно с нижней частью свай путем устройства уширений, упрочнения грунтов и т.п.; повышение несущей способности свай предусматривается только по их боковой поверхности, что всегда менее эффективно;

- при гладкой боковой поверхности типовых заводской готовности сборных железобетонных свай и низкой прочности «смеси грунта с цементом» (обычно применяемых кладочных и др. цементных растворов) не обеспечивается достаточно прочная связь оболочек из упомянутых выше «смеси грунта с цементом» со сваями и их совместная работа. В связи с этим, а также с учетом отмеченного ниже оболочку «смеси грунта с цементом» следует рассматривать как грунтовую оболочку;

- высокие материальные затраты (стоимость, трудоемкость, расход энергии и др.) на производство «смеси грунта с цементом», близкой по приготовлению, хранению, доставке и т.п. к цементным растворам по сравнению с использованием местного грунта;

- не эффективна в переувлажненных и тем более в водонасыщенных оплывающих грунтах, так как в этих грунтовых условиях «смесь грунта с цементом» сразу же превращается в цементный раствор, который, как известно, становится практически несжимаемым и подобно жидкости при погружении в него свай будет выдавливаться вверх, как это происходит при устройстве, например, буроопускных свай, несущая способность которых в основном определяется и обеспечивается сопротивлением грунта по их подошве (торцу).

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения, принятым за прототип, является способ устройства забивной сваи (Патент RU 2601630 С2, опубл. 10.11.2016), по которому с некоторой интерпретацией при наличии в основании неустойчивых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтов пробивают скважину пробивным снарядом с использованием обсадной трубы с бетонной пробкой из жесткого бетона, которую после пробивки скважины выбивают тем же пробивным снарядом и втрамбовывают в подстилающий несущий слой с созданием уширенного основания, затем поверх уширенного основания отсыпают в обсадную трубу без уплотнения жесткий или сыпучий грунтовый материал без уплотнения с одновременным извлечением обсадной трубы из скважины с приложением к ней в необходимых случаях вибрации, после чего забивают сборную железобетонную сваю с заглублением ее торца в уширенное основание и формированием дополнительной зоны уплотненного грунтового материала вокруг сваи.

Недостатками этого технического решения являются: относительно низкие несущая способность по боковой поверхности забивной (вдавливаемой) сваи в пределах толщи залегания слабых водонасыщенных грунтов из-за практического отсутствия в них зон уплотнения, а также надежность из-за невозможности обеспечения устойчивости стенок из отсыпанного жесткого (сыпучего) материала на контакте (границе) со слабым грунтом как в процессе извлечения обсадной трубы, погружения железобетонной сваи, так и в период эксплуатации свайного фундамента. Кроме того, это техническое решение имеет существенное ограничение по грунтовым условиям и практически не применимо в указанных выше некоторых слабых водонасыщенных грунтах (например, илах, хорошо разложившихся торфах и т.п.).

Технической проблемой предлагаемого изобретения является устранение приведенных выше недостатков прототипа.

Технический результат, достигаемый при реализации данного способа, заключается в повышении несущей способности сваи и свайного фундамента, надежности его устройства, а также в расширении области применения по грунтовым условиям и тем самым повышении эффективности в целом.

Указанный технический результат достигается способом устройства забивной сваи, заключающимся в том, что формируют скважину путем погружения (забивки) в грунт обсадной трубы с закрытым нижним торцом до подстилающего несущего слоя грунта, заполняют обсадную трубу жестким или сыпучим материалом, извлекают обсадную трубу, формируют уширенное основание в несущем слое грунта, погружают железобетонную сваю с заглублением ее торца в уширенное основание, при этом, в отличие от прототипа, для формирования скважины используют инвентарную обсадную трубу с самораскрывающимся наконечником, погружение которой осуществляют с заглублением в подстилающий несущий слой грунта, заполнение обсадной трубы осуществляют вначале жестким грунтовым материалом или жесткой бетонной смесью, а затем сыпучим или жестким грунтовым материалом, после чего погружают в грунт снаружи обсадной трубы соосно ей неизвлекаемую обсадную трубу-оболочку, оборудованную на нижнем торце ободом-насадкой, с заглублением его в несущий слой грунта, при извлечении обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником одновременно заполняют трубу-оболочку материалом засыпки, расположенным в обсадной трубе, с последующим погружением в засыпанную трубу-оболочку железобетонной сваи и формированием уширенного основания и увеличенной уплотненной зоны в подстилающем несущем слое грунта и с повышением плотности материала засыпки в пределах боковой поверхности погруженной сваи и тем самым ее несущей способности.

Для увеличения несущей способности сваи осуществляют повторное погружение обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником на первоначальную глубину ее погружения или до состояния «отказа» с заполнением ее грунтовым материалом, извлечением с заполнением этим материалом трубы-оболочки и погружением в него сваи.

Кроме того, при достаточно плотном сложении подстилающего несущего слоя грунта погружение в него неизвлекаемой обсадной трубы-оболочки с ободом-насадкой осуществляют с помощью извлекаемой обсадной трубы повышенной жесткости с опиранием ее торца на выступы обода-насадки.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена погруженная в грунт основания с заглублением ее торца в подстилающий несущий слой инвентарная металлическая обсадная труба с самораскрывающимся герметичным наконечником в нижней части и заполненной внутренней полостью грунтовым материалом.

На фиг. 2 - инвентарная обсадная труба с заполненной внутренней полостью грунтовым материалом и погруженная в грунт основания обсадная труба-оболочка, оборудованная на торце ободом-насадкой с заглублением ее в подстилающий несущий слой.

На фиг. 3 - труба-оболочка с засыпкой внутренней ее полости жестким и сыпучим грунтовым материалом после извлечения инвентарной обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником.

На фиг. 4 - забивная (вдавливаемая) железобетонная свая, погруженная внутри обсадной трубы-оболочки в грунт засыпки с образованием уширенного основания и уплотненной зоны в подстилающем несущем слое и уплотненного грунта засыпки между боковыми стенками трубы-оболочки и погруженной сваей.

Принятые обозначения:

1 - инвентарная обсадная труба с самораскрывающимся наконечником в нижней части;

2 - граница несущего (минерального) слоя грунта;

3 - скважина;

4 - уплотненная зона в подстилающем несущем слое грунта;

5 - жесткая бетонная смесь (жесткий грунтовый материал);

6 - местный сыпучий или жесткий грунтовый материал;

7 - обсадная труба-оболочка с ободом-насадкой;

8 - металлический обод-насадка;

9 - забивная (вдавливаемая) железобетонная свая;

10 - уширенное основание из жесткой бетонной смеси (жесткого грунтового материала).

Способ устройства забивной сваи в слабом водонасыщенном грунте осуществляют следующим образом.

Для образования скважины 3 (фиг. 1) погружают инвентарную обсадную трубу 1 с самораскрывающимся, в том числе герметично закрытым при погружении наконечником до несущего (например, минерального - песчаного) слоя 2 грунта с заглублением его в этот слой, как правило, не менее чем на 2-2,5 стороны квадратной или диаметра круглой обсадной трубы в поперечном сечении или до состояния «отказа» при меньшей глубине погружения и первоначальным формированием уплотненной зоны 4 под торцом обсадной трубы в несущем слое 2 грунта раскрывающимся наконечником. Затем отсыпают в нижнюю часть обсадной трубы 1 без уплотнения вначале жесткий грунтовый материал 5 (жесткую бетонную смесь, щебень, гравий и т.п.), поверх которого отсыпают сыпучий материал 6 (например, песок или сходные по гранулометрическому составу экологически чистые отходы промышленных производств, например, формовочную - горелую землю, а также при соответствующем обосновании их смеси с местным глинистым грунтом) сразу на всю высоту, как показано на фиг. 1, с учетом последующего полного заполнения им трубы-оболочки 7. Погружают в грунт снаружи обсадной трубы 3 и соосно ей неизвлекаемую обсадную трубу-оболочку 7, в том числе тонкостенную (фиг. 2), изготовленную, например, из полимерных материалов, металла, железобетона, асбестоцемента и др. и усиленную в случае необходимости стальными бандажами с заглублением ее торца в несущий (минеральный) слой грунта 2, как правило, не менее 0,5 стороны квадратной или диаметра круглой обсадной трубы 1 в поперечном сечении, но не менее 15-20 см, для чего оборудуют его металлическим ободом-насадкой 8 с режущей кромкой (см. узел «А» на фиг. 5). Конструкцию обода-насадки 8 принимают с учетом: жесткого сопряжения с торцом трубы-оболочки; обеспечения практического исключения (за счет отжатия-вытеснения) при погружении трубы-оболочки 7 слабого водонасыщенного грунта природного сложения из затрубного пространства на контакте с обсадной трубой 1; внутреннего размера отверстия, через которое свободно проходит инвентарная обсадная труба 1 и тем более забивная свая 9. Диаметр обсадной трубы-оболочки 7 принимают примерно в 1,5-2 раза больше, чем размер поперечного сечения инвентарной обсадной трубы 1, т.е. с учетом достижения максимально возможной степени уплотнения или до заданного проектного значения отсыпанного грунтового материала, после извлечения обсадной трубы 1 и последующего погружения в него железобетонной сваи 9, а также прочностных характеристик материала обсадной трубы-оболочки 7 или устанавливают опытным путем. Извлекают обсадную трубу 1 с одновременным полным заполнением через ее раскрытый наконечник трубы-оболочки 7 в нижней части жестким 5 и поверх его сыпучим грунтовым материалом 6 (фиг. 3). Забивают (вдавливают) в засыпанную обсадную трубу-оболочку 7 сборную железобетонную сваю 9 с погружением ее торца в отсыпанный жесткий грунтовый материал формированием уширенного основания 10 и увеличенной уплотненной зоны 4 в несущем (минеральном) слое грунта 2 (фиг. 4).

При наличии плотного сложении подстилающего несущего слоя грунта при первоначальной проходке скважины торец инвентарной обсадной трубы 1 с раскрывающимся наконечником может быть оборудован теряемым башмаком-пробойником с противофильтрационной прокладкой, но только с учетом исключения возможного отрыва его от раскрывающегося наконечника в процессе погружения в слабом водонасыщенном грунте (например, в илах-сапропелях, торфах и т.п.) даже под действием собственного веса.

Следует отметить, что погружение в несущий слой грунта оставляемой обсадной трубы-оболочки 7 с ободом-насадкой 8 в некоторых случаях (например, при плотном его сложении) может быть реализовано с помощью извлекаемой инвентарной стальной трубы с повышенной жесткостью, торец которой при погружении опирают на внутренние или наружные выступы-полки обода-насадки 8, изображенные на фиг. 5.

В тех случаях, когда объема засыпанного в инвентарную обсадную трубу 1 грунтового материала после ее извлечения недостаточно для полного заполнения оставляемой обсадной трубы-оболочки 7, в нее досыпают необходимый объем сыпучего грунтового материала.

Для увеличения несущей способности сваи при соответствующем обосновании возможно повторное погружение инвентарной обсадной трубы 1 на первоначальную глубину или до состояния «отказа» при меньшей глубине погружения и после ее заполнения грунтовым материалом и извлечения погружают железобетонную сваю 9 с созданием под ее торцом увеличенные зоны уширения и уплотнения в подстилающем несущем слоя грунта, а также с увеличенной плотностью грунта засыпки по боковой поверхности погружаемой сваи 9 и стенкой трубы-оболочки 7.

Для минимизации возможного поступления свободной воды во внутреннюю полость обсадной трубы-оболочки 7 при ее погружении в водонасыщенный грунт основания на контакте стенки инвентарной обсадной трубы 1 с раскрывающимся наконечником с ободом-насадкой 8 устанавливают противофильтрационную прокладку.

Кроме того, при соответствующем обосновании предлагаемое техническое решение по устройству свайных фундаментов, как отмечалось выше, может быть реализовано в условиях плотной городской застройки вдавливающими установками как в процессе погружения обсадных труб, формирования уширенного основания в несущем слое грунта, так и погружения железобетонной сваи.

По сравнению с известным техническим решением (RU 2601630), принятым за прототип, скважину в пределах слабого водонасыщенного слоя грунта формируют иногда путем свободного (под действием собственного веса, например, в илистых и т.п. грунтах) погружения обсадной инвентарной металлической трубы с раскрывающимся наконечником до подстилающего несущего слоя грунта, а затем копровой или вдавливающей установкой, после чего погружают в грунт основания оставляемую обсадную трубу-оболочку, снабженную в нижней торцевой части ободом-насадкой специальной конструкции с заглублением ее режущей кромки в подстилающий несущий слой грунта на глубину не менее 15-20 см, а сборную железобетонную сваю погружают после извлечения и заполнения на всю высоту обсадной трубы-оболочки из самораскрывающегося наконечника инвентарной обсадной трубы жестким и сыпучим грунтовым материалом.

Наиболее существенными преимуществами и отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:

- реализацию способа в рассматриваемых грунтовых условиях осуществляют путем поэтапного погружения в грунт вначале инвентарной обсадной трубы 1 с самораскрывающимся наконечником с первоначальным формированием уплотненной зоны в подстилающем несущем слое 2 грунта, а затем после заполнения обсадной трубы 1 грунтовым материалом неизвлекаемой обсадной трубы-оболочки 7, оборудованной в нижней торцевой части ободом-насадкой 8, с заглублением его в подстилающий несущий слой 2 грунта, что обеспечивает заполнение обсадной трубы-оболочки 7 после извлечения инвентарной трубы 1 в процессе погружения сваи 9 с заданными проектными значениями оптимальной или близкой к ней влажности материала грунта засыпки, в связи с чем создаются более благоприятные условия для максимально возможного (качественного) его уплотнения погружаемой железобетонной сваей 9 и тем самым увеличения несущей ее способности. Формирование уплотненной зоны и уширенного основания в нижней части скважины в рассматриваемых грунтовых условиях по прототипу при наличии безнапорных и тем более напорных подземных вод без дополнительных трудоемких, в том числе противофильтрационных мероприятий обеспечить практически невозможно;

- формирование уширенного основания 10 и уплотненной зоны 4 в подстилающем несущем слое 2 грунта осуществляют в процессе погружения сваи 9, а не специально изготовленным дорогостоящим индивидуальным оборудованием, как в прототипе.

Необходимо также отметить, что отмеченные выше наиболее существенные признаки и преимущества предлагаемого технического решения позволяют не только существенно (в целом до 1,5-2-х раз) снизить материальные затраты и время на устройство свайных фундаментов по сравнению с реализацией рассмотренных выше известных технических решений, но и, что весьма важно, обеспечивают более широкую область применения по грунтовым условиям.

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройству свайных фундаментов в оплывающих биогенных грунтах (илы-сапропели, торфы), а также заиленных пылеватых песках, текучих глинистых и др. слабых водонасыщенных грунтах, модуль деформации которых не превышает 5 МПа, исключающих в соответствии с действующими нормативными документами использование их в качестве оснований зданий и сооружений. Способ устройства забивной сваи, в котором формируют скважину путем погружения в грунт обсадной трубы с закрытым нижним торцом до подстилающего несущего слоя грунта, заполняют обсадную трубу жестким или сыпучим материалом, извлекают обсадную трубу, формируют уширенное основание в несущем слое грунта, погружают железобетонную сваю с заглублением ее торца в уширенное основание. Для формирования скважины используют обсадную трубу с самораскрывающимся наконечником, погружение которой осуществляют с заглублением в подстилающий несущий слой грунта. Заполнение обсадной трубы осуществляют вначале жестким грунтовым материалом или жесткой бетонной смесью, а затем сыпучим или жестким грунтовым материалом. Погружают в грунт снаружи обсадной трубы соосно ей неизвлекаемую трубу-оболочку, оборудованную на нижнем торце ободом-насадкой, с заглублением его в несущий слой грунта. При извлечении обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником одновременно заполняют трубу-оболочку материалом засыпки, расположенным в обсадной трубе, с последующим погружением в засыпанную трубу-оболочку железобетонной сваи и формированием уширенного основания и увеличенной уплотненной зоны в несущем слое грунта и с повышением плотности материала засыпки в пределах боковой поверхности погруженной сваи. Технический результат состоит в повышении несущей способности сваи и свайного фундамента, надежности его устройства, расширении области применения по грунтовым условиям, повышении эффективности в целом. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ устройства забивной сваи, заключающийся в том, что формируют скважину путем погружения в грунт обсадной трубы с закрытым нижним торцом до подстилающего несущего слоя грунта, заполняют обсадную трубу жестким или сыпучим материалом, извлекают обсадную трубу, формируют уширенное основание в несущем слое грунта, погружают железобетонную сваю с заглублением ее торца в уширенное основание, отличающийся тем, что для формирования скважины используют обсадную трубу с самораскрывающимся наконечником, погружение которой осуществляют с заглублением в подстилающий несущий слой грунта, заполнение обсадной трубы осуществляют вначале жестким грунтовым материалом или жесткой бетонной смесью, а затем сыпучим или жестким грунтовым материалом, после чего погружают в грунт снаружи обсадной трубы соосно ей неизвлекаемую трубу-оболочку, оборудованную на нижнем торце ободом-насадкой, с заглублением его в несущий слой грунта, при извлечении обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником одновременно заполняют трубу-оболочку материалом засыпки, расположенным в обсадной трубе, с последующим погружением в засыпанную трубу-оболочку железобетонной сваи и формированием уширенного основания и увеличенной уплотненной зоны в несущем слое грунта и с повышением плотности материала засыпки в пределах боковой поверхности погруженной сваи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют повторное погружение обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником на первоначальную глубину ее погружения или до состояния «отказа» с заполнением ее грунтовым материалом, извлечением с заполнением этим материалом трубы-оболочки и погружением в него сваи.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при плотном сложении подстилающего несущего слоя грунта погружение в него неизвлекаемой обсадной трубы-оболочки с ободом-насадкой осуществляют с помощью извлекаемой обсадной трубы повышенной жесткости путем опирания ее торца на выступы обода-насадки.