Способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке Российский патент 2020 года по МПК E02D5/34 

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения буронабивных свай при строительстве в непосредственной близости от стоящих зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов сооружений различного назначения, в частности в слабых грунтах. При этом в заявленном способе используют для укрепления слабых грунтов струйную технологию одновременно с возведением буронабивных свай.

Известен «способ возведения буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46 - [1], включающий проходку скважины в грунте с последующим ее бетонированием. При этом перед проходкой скважины в грунте создают грунтоцементную сваю, а проходку скважины буронабивной сваи ведут в теле грунтоцементной сваи, по крайней мере, в пределах ее боковой поверхности, причем соотношение диаметров буронабивной и грунтоцементной свай составляет 0,4…0,8, а проходку скважины буронабивной сваи ведут на 2…7-е сутки после создания грунтоцементной сваи. При этом проходку скважины буронабивной сваи могут вести с заглублением в коренной грунт.

Недостатком способа [1] является то, что при его реализации сроки строительства достаточно велики за счет последовательного выполнения этапов создания грунтоцементной и буронабивной сваи с временным интервалом до 7 суток.

Также известен «способ возведения буроинъекционной сваи» по опубликованной заявке на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00 - [2], включающий проходку скважины в грунте с последующим заполнением ее бетоном. Бурение скважины в грунте осуществляют одновременно с выполнением грунтоцементной сваи посредством погружения в грунт полой, заглушенной снизу на период погружения обсадной трубы с ребордами и жестко закрепленным монитором на заглушенном конце, при этом посредством монитора струей твердеющего раствора осуществляют размыв и перемешивание грунта с твердеющим раствором. После достижений проектной глубины скважины сначала извлекают монитор из обсадной трубы, в которую затем устанавливают арматурный каркас с последующим заполнением обсадной трубы бетоном литой консистенции до устья, после чего производят постепенное поднятие обсадной трубы с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением в скважину до полного заполнения образовавшегося пространства.

Недостатком способа [2] является то, что его реализация трудно реализуема из-за недостаточности раскрытия материалов в опубликованной заявке.

Известен «способ изготовления буронабивной сваи» по патенту на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34 - [3], предусматривающий образование скважины с использованием обсадной трубы, установку арматурного каркаса и рабочего разрядника, заполнение скважины твердеющим электропроводным материалом и образование ствола с уширениями посредством производства на разных горизонтах высоковольтных электрических разрядов.

Недостатком способа [3] является то, что он применяется только для изготовления буронабивной сваи и неизвестно его использование для комплексного его использования при создании буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в один технологический прием.

Кроме того, известен «способ закрепления грунта» по патенту на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12 - [4], включающий определение характеристик геологических элементов в геологическом разрезе закрепляемого массива грунта с последующим закреплением грунта при перемещении раздаточного элемента снизу-вверх по высоте пилотной скважины в закрепляемом грунте струйной технологией. Определение характеристик геологических элементов осуществляют при бурении пилотной скважины, причем в качестве характеристик геологических элементов используют момент закручивания и усилие сжатия буровой колонны, регистрируемые при бурении пилотной скважины. Закрепление грунта производят в пилотной скважине со скоростью перемещения раздаточного элемента, определяемой по математическому выражению, причем при изменении типа грунта осуществляют корректировку скорости перемещения раздаточного элемента. Способ [4] позволяет производить закрепление грунта путем создания грунтоцементной колонны сложной формы в зависимости от прочности грунта.

Однако при реализации способа [4] возникают значительные затраты времени, так как закрепление грунта осуществляется последовательным выполнением операций бурения и закрепления при обратном ходе раздаточного элемента, при переменной скорости закрепления. Кроме того, отсутствие армирования закрепленного массива отрицательно скажется на несущей способности созданной грунтоцементной колонны.

Прототипом заявленного технического решения является «способ возведения буронабивной сваи по патенту на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 - [5], включающий проходку скважины в грунте буровым инструментом с последующим ее бетонированием и создание грунтоцементной оболочки. Грунтоцементную оболочку создают путем одновременного бурения и цементации, которую осуществляют в направлении, перпендикулярном оси бурения. При цементации используют раздаточный элемент, имеющий сопла диаметром (2…5)⋅10^-3 м при скорости цементации скважины, определяемой по приведенной в формуле зависимости. Бетонирование скважины осуществляют при возвратном движении бурового инструмента, при этом используют раздаточный элемент, имеющий сопла с диаметром (10…20)^-3 м, при скорости бетонирования, определяемой по приведенной в формуле зависимости. В качестве бурового инструмента используют буровой инструмент, оснащенный шнеком. При этом в известном способе используют шнек диаметром от 250 до 800 мм. Способ [4] позволяет создавать буронабивную сваю в грунтоцементной оболочке практически одновременно во времени, при этом затвердевание грунтоцементной и буронабивной сваи происходит совместно.

Недостатком способа - прототипа [5] является то, что формирование грунтоцементной оболочки производится без учета слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, а создаваемая буронабивная свая имеет цилиндрическую форму постоянного сечения, что снижает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи.

Недостатки аналогов и прототипа ставят задачи повышения качества и несущей способности (повышения прочностных и несущих свойств) возводимой буронабивной сваи при строительстве новых объектов на слабых грунтах созданием буронабивной сваи переменного по высоте сечения, а также сокращения времени возведения сваи.

Сущность заявленного способа состоит в том, что при возведении буронабивной сваи, включающем проходку скважины полым шнеком с буровым инструментом, оснащенными магистралями подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами и системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, с последующим армированием, бетонированием, уплотнением импульсными разрядами и формированием грунтоцементной оболочки посредствам подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент со струеформирующими соплами. Грунтоцементную оболочку создают переменного поперечного сечения в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов, причем большее поперечное сечение оболочки формируют в областях пониженных механических свойств грунтов раздаточным элементом, который размещают внутри полого шнека, имеющего боковые окна для струеформирующих сопел раздаточного элемента, а также размещают раздаточный элемент выше бурового инструмента на расстоянии, обеспечивающем запас времени между процессами бурения и цементации необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме. Величину запаса времени определяют по формуле:

Т=Т₁+Т₂,

где: T₁ - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива;

Т₂ - время формирования командного решения для перехода на цементацию в новом режиме.

Время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива T₁ определяют по формуле:

T₁=k_т×h/v_б,

где: k_т - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами. Значение k_т задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива.

h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м;

v_б - скорость бурения, м/с.

Время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂ зависит от длины магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, размещенного в конструкции буровой колонны и определяют по формуле:

Т₂=k_д(L_M+H)/v_т,

где: к_д - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации. Значение k_д задают в проектной документации на основании исходной информации о материале магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента;

L_м - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м;

Н - глубина бурения, м;

v_т - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с.

Формирование грунтоцементной оболочки производят при текущей скорости бурения, а выполнение большего диаметра грунтоцементной оболочки осуществляют за счет увеличения давления подаваемого цементирующего раствора. Значение давления определяют по формуле:

где: D - диаметр уширения грунтоцементной оболочки (задается в проектной документации), м; n - частота вращения буровой колонны, с^-1; d₀ -диаметр сопел раздаточного элемента, м; С - характеристика механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив (коэффициент сцепления).

После достижения грунтоцементной оболочкой проектной глубины из пробуренной скважины извлекают раздаточный элемент и буровой инструмент, и в полость шнека опускают армирующий каркас и разрядник для формирования высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов. Далее заполняют скважину бетоном литой консистенции до устья. После чего производят постепенное поднятие шнека, путем его вывинчивания с одновременной подачей бетонной смеси под избыточным давлением в скважину (в полость полого шнека) до полного заполнения образовавшегося пространства. После поднятия полого шнека постепенно подымают разрядник, и по мере его поднятия в ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта подают импульсы для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов.

При этом в заявленном способе толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов может составлять от 0,5 до 40 м.

В результате после затвердения в массиве образуется армированная буронабивная свая переменного сечения в грунтоцементной оболочке, причем больший диаметр сваи соответствует большему диаметру грунтоцементной оболочки и располагается в области грунтов с пониженными механическими свойствами.

Техническим результатом заявленного способа является сокращение времени строительства буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств в слабых грунтах.

Использование предлагаемого способа возведения буронабивной сваи позволяет существенно увеличить несущую способность буронабивной сваи за счет предложенной совокупности признаков, не увеличивая при этом время выполнения работ. Так в заявленном способе созданы условия для повышения несущей способности сваи за счет того, что сформированная грунтоцементная оболочка выполняется в соответствие с установленной в ходе бурения структурой массива. При этом сформированные уширения оболочки располагаются между слоями массива с повышенными механическими свойствами таким образом, что конструкция сваи «опирается» на слои с повышенными механическими свойствами, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.

Пример осуществления заявленного способа возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке приведен в таблицах 1 - (Проектные данные), 2 - (Параметры цементации) и 3 - (Структура пробуриваемого массива и характеристики сваи).

В расчете принимались следующие коэффициенты:

k_т=1, соответствует горизонтальному расположению слоев пробуриваемых грунтов. Для наклонного расположения слоев k_т ≈sin α, где α - угол наклона слоев пробуриваемых пластов грунтов;

k_д=1, используется для металлических магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента. В случае если магистрали выполнены из неметаллических материалов k_д=1,2, тем самым учитывается наличие потерь давления водоцементного раствора при течении по неметаллическим магистралям подвода.

Таким образом, реализация предложенного способа при параметрах, представленных в расчете, обеспечивает запас времени между процессами бурения и цементации необходимый для выявления протяженности областей с повышенными или пониженными механическими свойствами массива, корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, а соответствующее изменение давления позволяет сформировать грунтоцементную оболочку заданной конфигурации с учетом слоистой структуры и изменяющихся свойств вмещающего грунтового массива, что и обеспечивает повышение несущей способности сваи.

Заявленный способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков его формулы изобретения является новым для способов (технологий) при которых обеспечивается возможность возведения свай при строительстве новых объектов на слабых грунтах при сокращении времени их возведения с повышением прочностных и несущих свойств, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного способа неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует общеизвестным правилам возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, при которых учитываются конкретные слоистая структура и изменяющиеся свойства вмещающего грунтового массива. Создаваемая буронабивная свая имеет форму переменного сечения с армированием по всей ее высоте, что повышает качество и несущую способность возводимой буронабивной сваи. Все это доказывает соответствие заявленного способа критерию "изобретательский уровень".

Осуществление (внедрение) предложенного способа возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке в настоящее время и на современном уровне развития техники не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Патент на изобретение RU 2204651 С1 от 20.05.2003, МПК E02D 5/34, E02D 5/44, E02D 5/46, «Способ возведения буронабивной сваи».

2. Заявка на изобретение RU 2005117042 С1 от 10.12.2006, МПК E02D 5/00, «Способ возведения буроинъекционной сваи».

3. Патент на изобретение RU 2117726 С1 от 20.08.1998, МПК E02D 5/34, «Способ изготовления буронабивной сваи».

4. Патент на изобретение RU 2303101 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 3/12, «Способ закрепления грунта».

5. Патент на изобретение RU 2303102 С1 от 20.07.2007, МПК E02D 5/34 «Способ возведения буронабивной сваи» - прототип.

Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению буронабивных свай в непосредственной близости от стоящих зданий и сооружений, и может быть использовано при формировании свайных фундаментов в слабых грунтах, а также для укрепления слабых грунтов использованием струйной технологии одновременно с возведением буронабивных свай. Способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке включает проходку скважины полым шнеком с буровым инструментом, оснащенными магистралями подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами и системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, с последующим армированием, бетонированием, уплотнением импульсными разрядами и формированием грунтоцементной оболочки посредствам подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент со струеформирующими соплами. Грунтоцементную оболочку создают переменного поперечного сечения в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов, причем большее поперечное сечение оболочки формируют в областях пониженных механических свойств грунтов раздаточным элементом, который размещают внутри полого шнека, имеющего боковые окна для струеформирующих сопел раздаточного элемента. Размещают раздаточный элемент выше бурового инструмента на расстоянии, обеспечивающем запас времени между процессами бурения и цементации, необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, величину запаса времени определяют по приведенной зависимости Т=Т₁+Т₂, где Т₁ - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива, Т₂ - время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме. Время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива Т₁ определяют по приведенной зависимости Т₁=k_т×h/v_б, где k_т - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами, значение задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива, h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м, v_б - скорость бурения, м/с. Время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂, зависящее от длины расположенных внутри полого шнека магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, и определяют по приведенной зависимости T₂=k_д(L_м+H)/v_т, где k_д - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации, значение k_д задают в проектной документации на основании исходной информации о материале магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, L_м - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м, Н - глубина бурения, м, v_т - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с. Формирование грунтоцементной оболочки производят при текущей скорости бурения, а выполнение большего диаметра грунтоцементной оболочки осуществляют за счет увеличения давления подаваемого цементирующего раствора, значение давления которого определяют по приведенной зависимости. После достижения грунтоцементной оболочкой проектной глубины из пробуренной скважины извлекают раздаточный элемент и буровой инструмент, и в полость шнека опускают армирующий каркас и разрядник для формирования высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов, и заполняют скважину бетоном литой консистенции до устья, после чего производят постепенное поднятие шнека (с его вывинчиванием) и одновременно подают бетонную смесь в скважину (в полость полого шнека) до полного заполнения образовавшегося пространства. После поднятия полого шнека постепенно поднимают разрядник и по мере его поднятия в ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта подают импульсы для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов. Технический результат состоит в сокращении времени строительства буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке с повышением ее прочностных и несущих свойств в слабых грунтах. 3 табл.

Способ возведения буронабивной сваи в грунтоцементной оболочке, включающий проходку скважины полым шнеком с буровым инструментом, оснащенными магистралями подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока к раздаточному элементу со струеформирующими соплами и системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, с последующим армированием, бетонированием, уплотнением импульсными разрядами и формированием грунтоцементной оболочки посредствам подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент со струеформирующими соплами, отличающийся тем, что грунтоцементную оболочку создают переменного поперечного сечения в соответствии с определенными в процессе бурения характеристиками грунтов, причем большее поперечное сечение оболочки формируют в областях пониженных механических свойств грунтов раздаточным элементом, который размещают внутри полого шнека, имеющего боковые окна для струеформирующих сопел раздаточного элемента, а также размещают раздаточный элемент выше бурового инструмента на расстоянии, обеспечивающем запас времени между процессами бурения и цементации, необходимый для обработки информации о свойствах грунтов, выявления протяженности областей пониженных механических свойств массива, формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, величину запаса времени определяют по формуле

Т=Т₁+Т₂,

где Т₁ - время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива;

Т₂ - время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме, время на выявление протяженности областей с пониженными или повышенными механическими свойствами массива Т₁ определяют по формуле

Т₁=k_т×h/v_б,

где k_т - коэффициент запаса толщины слоя массива с пониженными механическими свойствами, значение задают в проектной документации на основании исходной информации о геологическом строении массива;

h - толщина слоя массива с пониженными механическими свойствами, зафиксированная системой регистрации изменения механических свойств грунтов, составляющих пробуриваемый массив, м;

v_б - скорость бурения, м/с,

время формирования командного решения для корректировки режима цементации и перехода на цементацию в новом режиме Т₂, зависящее от длины расположенных внутри полого шнека магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, и определяют по формуле

T₂=k_д(L_м+H)/v_т,

где k_д - коэффициент запаса времени перехода на новые режимы цементации, значение k_д задают в проектной документации на основании исходной информации о материале магистралей подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента;

L_м - длина магистралей от насосного блока до буровой колонны, м;

Н - глубина бурения, м;

v_т - средняя скорость течения высоконапорного раствора в магистралях подвода высоконапорного водоцементного раствора от насосного блока до раздаточного элемента, м/с,

формирование грунтоцементной оболочки производят при текущей скорости бурения, а выполнение большего диаметра грунтоцементной оболочки осуществляют за счет увеличения давления подаваемого цементирующего раствора, значение давления которого определяют по формуле

где D - заданный в проектной документации диаметр уширения грунтоцементной оболочки, м; n - частота вращения буровой колонны, с^-1; d₀ - диаметр сопел раздаточного элемента, м; С - коэффициент сцепления, характеризующий механические свойства грунтов, составляющих пробуриваемый массив,

после достижения грунтоцементной оболочкой проектной глубины из пробуренной скважины извлекают раздаточный элемент и буровой инструмент, и в полость шнека опускают армирующий каркас и разрядник для формирования высокоэнергетических электрических импульсов для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов, и заполняют скважину бетоном литой консистенции до устья,

после чего производят постепенное поднятие шнека (с его вывинчиванием) и одновременно подают бетонную смесь в скважину (в полость полого шнека) до полного заполнения образовавшегося пространства,

после поднятия полого шнека постепенно поднимают разрядник и по мере его поднятия в ранее выявленных областях пониженных механических свойств грунта подают импульсы для возбуждения в твердеющем материале электрических разрядов.