СПОСОБ УСТРОЙСТВА БУРОНАБИВНОЙ СВАИ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ Российский патент 2023 года по МПК E02D5/34 

Изобретение относится к области строительства зданий и сооружений в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно к способу устройства буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах.

Основной особенностью устройства буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах является необходимость обеспечения набора прочности бетоном в условиях отрицательных температур вмещающего массива грунта. Для этого используются различные способы: метод термоса, электропрогрев, введение в состав специальных химических добавок, и их комбинирование (Руководство по бетонированию фундаментов и коммуникаций в вечномерзлых грунтах с учетом твердения бетона при отрицательных температурах / НИИ бетона и железобетона Госстоя СССР. – М.: Стройиздат, 1982).

В соответствии с рекомендациями по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах / СО Академии наук СССР. – Якутск: Институт мерзлотоведения, 1991 последовательность работ по устройству висячих свай буронабивным способом включает: проходку скважины, установку арматурного каркаса, укладку бетонной смеси в скважину (с содержанием химических добавок или без них) методом восходящего потока или сбрасыванием бетона.

При этом использование бетонов, содержащих в своем составе добавки на основе солей, чаще всего не рекомендуется, так как при устройстве буронабивных свай имеет место процесс миграции солей добавок в окружающие грунты, несущая способность которых вследствие этого снижается (СП 25.13330.2020 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах», п.6.2.8).

В действующем СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», являющимся основным нормативным документом по производству работ в фундаментостроении, регламентирующем технологию устройства буронабивных свай, отсутствуют указания по устройству буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах.

Уровень техники.

Из уровня техники известен способ возведения буронабивных свай в грунтоцементной оболочке, (патент РФ №2720047, Опубликовано: 23.04.2020 Бюл. №12), включающий проходку скважины полым шнеком с последующим армированием, бетонированием, уплотнением импульсными разрядами и формированием грунтоцементной оболочки посредствам подачи высоконапорного цементирующего раствора через раздаточный элемент. 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 посредством 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.

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

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.

Способ весьма сложен в технологическом отношении и предназначен для формирования свайных фундаментов в слабых грунтах, а также для укрепления слабых грунтов использованием струйной технологии одновременно с возведением буронабивных свай. Однако, он не предназначен для использования в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, т.к. не предохраняет окружающие многолетнемерзлые грунты от растепления и не позволяет предотвратить миграцию солей химических добавок в них.

Другой способ возведения буронабивной сваи (патент РФ № 2032797, Опубликовано: 10.04.1995) включает бурение скважины в грунте с использованием промывочной жидкости и последующее бетонирование ствола, отличающийся тем, что бурение скважины ведут с использованием в качестве промывочной жидкости водного раствора, гидролизованного полиакрилнитрила, а бетонирование осуществляют после образования на стенках скважины гель-камня. Недостатком данного способа является наличие «мокрого» процесса промывки, осуществление которого при низких отрицательных температурах вмещающего многолетнемерзлого грунта в криолитозоне может привести к отрицательному результату в виде растепления и засоления многолетнемерзлого грунта, что приведет к снижению трения по боковой поверхности сваи.

Известна также буронабивная свая, (патент на полезную модель РФ № 204490, Опубликовано: 27.05.2021 Бюл. №15) содержащая железобетонный ствол с защитной оболочкой, отличающаяся тем, что железобетонный ствол сформирован в пластиковой трубе, являющейся защитной оболочкой, установленной в пробуренной скважине с зазором, снизу пластиковая труба закрыта соединенной с ней крышкой, образующей герметичное дно, а в зазоре между стенками скважины и пластиковой трубой буронабивная свая содержит охватывающий пластиковую трубу для герметизации стыков дополнительный защитный слой, образованный связующим раствором при заливке его в зазор.

Полезная модель относится к области строительства, а именно к устройству свайных фундаментов в агрессивных средах, и может быть использована при возведении сооружений в водонасыщенных грунтах. Использование данной полезной модели в многолетнемерзлых грунтах не приведет к положительному результату, т.к. при этом все равно используется связующий раствор, заливаемый в зазор, что приведет к растеплению и засолению окружающего грунта, что в конечном итоге приведет к снижению несущей способности сваи.

Кроме того, известно устройство из геотекстильных материалов в качестве формирующей оболочки сваи (патент РФ № 114468, Опубликовано: 27.03.2012 Бюл. №9), имеющей каркас, сооружаемой в скважине с обсадной трубой, отличающееся тем, что формирующая оболочка сваи выполнена в виде специального геотекстильного «чулка» из тканого полотна с двойной вязкой или из двойной ткани, плотность плетения нитей которого, т.е. ширина раскрываемых ячеек, варьируется в зависимости от свойств грунтов, закрепленного на верхнем конце обсадной трубы с помощью съемного кожуха и имеющего возможность первоначального растяжения на данную глубину с помощью загруженного бетона.

Полезная модель относится к области строительства, а именно к производству фундаментных конструкций из буронабивных висячих свай. Однако, недостатками полезной модели для многолетнемерзлых грунтов являются:

- возможность фильтрации воды из бетона с химическими добавками в окружающий грунт через геотекстиль, что приведет к растеплению и засолению окружающего грунта, что в конечном итоге приведет к снижению несущей способности сваи;

- при бетонировании и расправлении «чулка» возможны неконтролируемые сужения и складки его в скважине, что может привести к снижению прочности сваи.

Поэтому все рассмотренные способы изготовления буронабивных свай в криолитозоне остаются достаточно трудо- и материалоемкими, и не позволяют сформировать железобетонный элемент (сваю) в условиях отрицательных температур многолетнемерзлых грунтов, исключив миграцию солей химических добавок в окружающий грунт и обеспечив при этом максимально возможную несущую способность сваи.

Заявляемое изобретение – способ устройства буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах использует ряд признаков метода изготовления буронабивных свай с использованием химических добавок для набора прочности бетона (Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах, 1991), который может быть выбран в качестве прототипа.

Согласно (Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах / СО Академии наук СССР. – Якутск: Институт мерзлотоведения, 1991) последовательность работ по устройству висячих буронабивных свай сплошного сечения в многолетнемерзлом грунте включает: проходку скважины, установку арматурного каркаса, укладку бетонной смеси в скважину (с содержанием химических добавок) методом восходящего потока или сбрасыванием бетона. Буровые работы по разработке скважины выполняют станками ударного или вращательного действия. Установка арматурного каркаса в скважину производится непосредственно перед началом укладки бетонной смеси. Заполнение скважины бетонной смесью начинают сразу после зачистки забоя. В случае перерыва между зачисткой забоя и бетонированием скважины более 2 часов, остаток шлама или разрушенного грунта должен быть разбурен и сделана повторная подготовка забоя. Бетонную смесь укладывают в скважину, в зависимости от ее глубины, следующими способами: до 15 м - сбрасыванием с устья методом "кома" или с помощью хоботов; более 15 м - комбинированным методом, включающим сбрасывание бетонной смеси с устья скважины методом "кома" и послойное по 2-3 м уплотнение ее с помощью сваи или долота трамбующего; методом восходящего потока с использованием вертикально перемещающихся труб при любой глубине скважины. Осуществляют виброуплотнение бетона глубинными вибраторами цилиндрической формы, погружаемым краном в скважину на штанге или прикрепляемыми к нижней секции вертикально перемещающейся трубы.

Способ позволяет сформировать сплошной железобетонный элемент (сваю) в многолетнемерзлом грунте и обеспечить при этом, благодаря химическим добавкам, набор прочности бетона в условиях отрицательных температур вмещающих грунтов, но не позволяет исключить фильтрацию воды с химическими добавками в окружающий грунт через стенки и дно скважины.

Известен также способ устройства буронабивной сваи по аналогии с описанным в Рекомендациях по устройству буронабивных свай в вечномёрзлых грунтах / СО Академии наук СССР. – Якутск: Институт мерзлотоведения, 1991 (Курушин А.Д. Взаимодействие бетонов, содержащих противоморозные добавки, с вечномерзлым грунтом: дисс.: 05.23.05, 05.23.02. – Москва, 1994), отличающийся тем что с целью снижения теплового влияния бетона на основание сваи перед бетонированием на дно скважины отсыпают слой щебня.

Однако оба описанных способа, являющихся по своей технической сущности наиболее близкими к заявленному, не обеспечивают отсутствия вредного влияния фильтрации воды с химическими добавками сквозь щебень в основание сваи и не исключает фильтрацию воды с химическими добавками в окружающий грунт через стенки скважины.

Предлагаемый способ лишен основных, описанных выше, недостатков: снижения несущей способности сваи по боковой поверхности и под пятой сваи за счет миграции солей из бетона в окружающий грунт.

Технический результат.

Техническим результатом использования предлагаемого способа является повышение несущей способности буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах, устраиваемых с применением химических добавок для обеспечения набора прочности бетона, путем исключения миграции солей в окружающий сваю грунт за счет закупорки стенок и дна скважины защитным гидроизоляционным материалом, наносимым на стенку скважины в процессе изготовления сваи, а также повышение надежности и долговечности свайных конструкций за счет снижения возможного агрессивного воздействия грунтов на бетон сваи.

Раскрытие сущности изобретения.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем бурение скважины породоразрушающим инструментом с выемкой грунта из скважины без промывки, с очисткой забоя скважины, засыпку на дно скважины слоя щебня и его уплотнение, установку арматурного каркаса, заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок на основе солей, с целью повышения несущей способности буронабивной сваи, ее надежности в многолетнемерзлых грунтах для исключения миграции солей химических добавок в окружающие грунты перед бетонированием сваи на внутреннюю поверхность и дно пробуренной скважины наносят жидкий твердеющий при отрицательной температуре гидроизоляционный слой, обладающий адгезией с многолетнемерзлым грунтом, а после заполнения скважины и с бетоном сваи, предотвращающий фильтрацию в многолетнемерзлый грунт воды из бетона с химическими добавками, а затем осуществляют контроль достаточности толщины гидроизоляционного слоя для закупорки пор грунта путем пробного нагнетания воздуха в скважину. Способ выполняют преимущественно в зимний период при отсутствии слоя сезонного оттаивания грунта.

Способ включает:

- бурение скважины породоразрушающим инструментом с выемкой грунта без промывки, с очисткой забоя скважины,

- покрытие поверхности скважины слоем защитного гидроизолирующего материала, закрывающего поры грунта. Защитный гидроизоляционный слой наносят таким образом, чтобы не образовывалось пленки излишней толщины, формирующей фиксированную поверхность среза, а происходила только закупорка пор стенок и дна скважины. При выполнении этого условия несущая способность сваи по ее боковой поверхности определяется параметром сопротивления мерзлого грунта сдвигу (грунт по грунту). При невыполнении этого условия несущая способность сваи по боковой поверхности определяется более низким сопротивлением грунта срезу по образующейся гидроизоляционной пленке;

- мероприятия по контролю достаточности толщины пленки для закупорки пор грунта гидроизолирующим материалом:

- контроль достаточности толщины пленки для закупорки пор гидроизолирующим материалом осуществляется путем нагнетания в скважину воздуха с избыточным давлением, равным среднему гидростатическому давлению от столба бетона в скважине с температурой, равной исходной температуре воздуха в скважине и последующим контролем отсутствия падения начального давления. Такое мероприятие также способствует повышению устойчивости нанесенного гидроизолирующего материала на поверхность скважины до его твердения. В случае падения давления воздуха производят дополнительное нанесение на стенки и дно скважины гидроизолирующего материала. После этого снова проверяют скважину на герметичность. В случае необходимости операцию нанесения гидроизолирующего материала на внутреннюю поверхность скважины повторяют до достижения ее герметичности. Предельное количество слоев гидроизоляции для обеспечения равности сопротивления сдвигу по поверхности гидроизоляции сопротивлению сдвигу по мерзлому грунту определяют на основании последовательных сдвиговых опытов с заранее приготовленными образцами с нанесенными 1 слоем, 2 слоями и 3 слоями гидроизоляции;

- засыпку на дно скважины слоя щебня и его уплотнение,

- установку арматурного каркаса,

- заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок.

Защитный гидроизоляционный слой наносят таким образом, чтобы не образовывалось пленки излишней толщины, формирующей фиксированную поверхность среза, а происходила только закупорка пор стенок и дна скважины. При выполнении этого условия несущая способность сваи по ее боковой поверхности определяется параметром сопротивления мерзлого грунта сдвигу (грунт по грунту). При невыполнении этого условия несущая способность сваи по боковой поверхности определяется более низким сопротивлением грунта срезу по образующейся гидроизоляционной пленке. Контроль достаточности толщины пленки для закупорки пор гидроизолирующим материалом осуществляется путем нагнетания в скважину воздуха с избыточным давлением, с температурой, равной исходной температуре в скважине и последующим контролем отсутствия падения начального давления. Такое мероприятие также полезно для повышения устойчивости нанесенного гидроизолирующего материала на поверхности скважины. В случае падения давления воздуха производят дополнительное нанесение на стенки и дно скважины гидроизолирующего материала. После этого снова проверяют скважину на герметичность. В случае необходимости операцию нанесения гидроизолирующего материала на внутреннюю поверхность скважины повторяют до достижения ее герметичности. Предельное количество слоев гидроизоляции для обеспечения равности сопротивления сдвигу по поверхности гидроизоляции сопротивлению сдвигу по мерзлому грунту определяют на основании последовательных сдвиговых опытов с заранее приготовленными образцами с нанесенными 1 слоем, 2 слоями и 3 слоями гидроизоляции.

Краткое описание чертежей.

Сущность изобретения поясняется следующей фигурой:

На Фиг. 1 изображена технологическая схема устройства буронабивной сваи в многолетнемерзлом грунте по способу, заявленному в изобретении.

Технология устройства буронабивной сваи включает следующие процессы:

а) бурение скважины породоразрушающими инструментами с выемкой грунта без промывки, с очисткой забоя скважины,

б) покрытие поверхности скважины слоем защитного гидроизолирующего материала, закрывающего поры грунта,

в) мероприятия по контролю достаточности толщины пленки для закупорки пор грунта гидроизолирующим материалом,

г) засыпку на дно скважины слоя щебня, его уплотнение и установку арматурного каркаса,

д) заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок.

На чертежах обозначения:

1 - многолетнемерзлый грунт

2 - грунт слоя сезонного оттаивания

3 - скважина

4 - породоразрушающий инструмент

5 - инъектор для нанесения защитного гидроизолирующего материала

6 - слой гидроизоляции

7 - устройство пробного нагнетания, включающее приспособление для герметизации скважины и нагнетания избыточного давления

8 - арматурный каркас

9 - слой щебня

10 - бетонолитная труба,

11 - бетон с химическими добавками

а - бурение скважины

б - нанесение защитного гидроизолирующего слоя

в - контроль достаточности толщины защитного гидроизолирующего покрытия путем нагнетания в скважину воздуха с избыточным давлением

г - устройство щебеночной подушки и погружение арматурного каркаса

д - заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок.

Изобретение относится к области строительства зданий и сооружений в районах со сложными инженерно-геокриологическими условиями, а именно к способу устройства буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах. Способ устройства буронабивной сваи в многолетнемерзлом грунте включает бурение скважины породоразрушающими инструментами с выемкой грунта без промывки, с очисткой забоя скважины, засыпку на дно скважины слоя щебня и его уплотнение, при необходимости снижения теплового влияния бетона на мерзлое основание установку арматурного каркаса, заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок на основе солей для обеспечения его твердения в условиях отрицательных температур многолетнемерзлых грунтов. С целью исключения миграции солей добавок в окружающий грунт до заполнения скважины бетоном её боковую поверхность и дно покрывают слоем защитного гидроизолирующего материала, закрывающего поры грунта. Затем производят контроль достаточности толщины пленки для закупорки пор гидроизолирующим материалом путем нагнетания в скважину воздуха с избыточным давлением и температурой, равной исходной температуре в скважине, и последующим контролем отсутствия падения контрольного давления. Технический результат состоит в повышении несущей способности буронабивных свай в многолетнемерзлых грунтах, устраиваемых с применением химических добавок для обеспечения набора прочности бетона, путем исключения миграции солей за счет закупорки стенок и дна скважины защитным гидроизоляционным материалом, повышении надежности и долговечности свайных конструкций за счет снижения агрессивного воздействия грунтов на бетон сваи. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ устройства буронабивной сваи в многолетнемерзлом грунте, включающий бурение скважины породоразрушающими инструментами с выемкой грунта без промывки, с очисткой забоя скважины, засыпку на дно скважины слоя щебня и его уплотнение, при необходимости снижения теплового влияния бетона на мерзлое основание установку арматурного каркаса, заполнение скважины бетоном, затворенным с применением химических добавок на основе солей для обеспечения его твердения в условиях отрицательных температур многолетнемерзлых грунтов, отличающийся тем, что с целью исключения миграции солей добавок в окружающий грунт до заполнения скважины бетоном её боковую поверхность и дно покрывают слоем защитного гидроизолирующего материала, закрывающего поры грунта, а затем производят контроль достаточности толщины пленки для закупорки пор гидроизолирующим материалом путем нагнетания в скважину воздуха с избыточным давлением и температурой, равной исходной температуре в скважине, и последующим контролем отсутствия падения контрольного давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидроизолирующего материала применяют жидкую резину.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидроизолирующего материала применяют геополимерные материалы.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что бетонирование скважины производят сразу после нанесения гидроизолирующего материала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве химических добавок при затворении бетона применяют нитрит натрия, формиат натрия, углекислый калий, хлорид кальция или другие соли при заранее определенных дозировках.