СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СВАЙНЫХ И СТОЛБЧАТЫХ ФУНДАМЕНТОВ В ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ Российский патент 2024 года по МПК E02D27/35 

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты [E02D 27/35].

Из уровня техники известен СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СВАИ В ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ [RU2039158, опубл. 09.07.1995] включающий пробуривание скважины, установку в нее ствола сваи с заполнением пространства между стволом и стенками скважины водонасыщенным грунтом с последующим его промораживанием, отличающийся тем, что пространство между стволом и стенками скважины заполняют кусками мерзлого водонасыщенного грунта, а затем производят оттаивание верхней части пространства до превышения уровня образующейся при оттаивании грунтовой массы над кусками мерзлого грунта.

Недостатком аналога является малая сопротивляемость сваи от действия крутящего момента, потеря устойчивости при внезапном оттаивании, как следствие низкая надежность.

Также из уровня техники известен СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СВАИ В ВЕЧНОМЕРЗЛОМ ГРУНТЕ[RU2692394, опубл. 24.06.2019], включающий пробуривание скважины, установку сваи в забой, заполнение пространства между сваей и стенками скважины и растепление части грунта с помощью паровой иглы, отличающийся тем, что растепление части грунта осуществляют после бурения скважины в призабойной зоне, при этом паровую иглу устанавливают в забой скважины и оттаивают грунт до необходимой для беспрепятственной установки сваи глубины, извлекают паровую иглу и в растепленную часть грунта с помощью вибропогружателя опускают ствол сваи, а заполнение пространства между сваей и стенками скважины осуществляют горячим раствором глины с цементом, при этом осуществляют ступенчатое пробуривание скважины с уменьшением диаметра каждой последующей полости.

Недостатком аналога является недостаточная надежность опорной системы в условиях вечномерзлых грунтов, а также повышенный расход жидкого цементирующего раствора из-за повышенных размеров лидерной скважины. Вследствие этого возникает необходимость развертывания бетонных заводов по приготовлению больших объемов жидкого раствора в непосредственной близости от места возведения свай. Это приводит к снижению производительности возведения свай. Кроме того, пониженная зимняя температура в районах Крайнего Севера из-за быстрого охлаждения и замерзания жидкости затрудняет доставку цементирующего раствора автобетоносмесительным транспортом с бетонных заводов в место установки свай, а также затрудняет применение доставленного замерзшего раствора для крепления сваи в лидерной скважине.

Наиболее близким по технической сущности является БУРОИНЪЕКЦИОННАЯ СВАЯ И СПОСОБ ЕЁ ИЗГОТОВЛЕНИЯ [EA020986B1, опубл. 30.08.2013], характеризующаяся тем, что она содержит грунтобетонный корпус, внутри которого расположен арматурный каркас, по оси которого закреплена инъекционная манжетная труба, причём грунтобетонный корпус сформирован путём пропитки предварительно разрыхлённого грунта водоцементным раствором и суспензией типа "Микродур", с последующим отверждением, при этом предварительно осуществляют бурение в грунте для формирования лидерной скважины с помощью буровой штанги, оснащенной буровым наконечником и соплом, после чего осуществляют подачу цементно-водной суспензии и сжатого воздуха через сопло, далее путем обратного хода поднимают буровую штангу до поверхности земли, создавая в грунте однородную пористую грунтоцементную смесь, затем в пробуренную скважину, заполненную пористой грунтоцементной смесью, устанавливают арматурный каркас, по оси которого закреплена инъекционная манжетная труба, причём для повышения прочности после начального затвердевания пористой грунтоцементной смеси через манжетную трубу нагнетают суспензию типа "Микродур" для заполнения пор грунтоцементной смеси, после затвердевания которой формируется тело буроинъекционной сваи.

Однако известный способ не может обеспечивать достаточную надёжность в зоне вечномерзлых грунтов, в частности при сезонном оттаивании.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечномерзлых грунтах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты, включает локальное оттаивание массива грунта вечномерзлых грунтов с помощью паропрогрева, паровыми иглами, формирование буроинъекционной сваи или буронабивной сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, отличающийся тем, что после паропрогрева формируют опорную грунтобетонную пяту с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, при этом опорную грунтобетонную пяту выполняют цилиндрической формой диаметром D и высотой h_п в виде грунтобетонного массива, смешанного с цементным раствором и пропитанного высокопроницаемым раствором на основе микроцементов, при этом формирование опорной грунтобетонной пяты осуществляют бурением лидерной скважины диаметром d и глубиной h_с, далее бурят с помощью буровой штанги, оснащенной буровым наконечником и соплом, скважину на высоте h_п, то есть на месте расположения опорной грунтобетонной пяты, далее через сопло осуществляют под давлением 450-500 атм подачу цеметно-водной суспензии и сжатого воздуха и путем обратного хода постепенно, не прекращая подачу указанных компонентов, поднимают буровую штангу до уровня верха опорной грунтобетонной пяты, т.е. до глубины h_с, при этом создают в пределах объема опорной грунтобетонной пяты однородную пористую грунтоцементную смесь, после этого по оси объема опорной грунтобетонной пяты вертикально на всю глубину объема опорной грунтобетонной пяты устанавливают инъекционную манжетную трубу, в стенках которой через определенный интервал расположены отверстия с упругими манжетами, через эту трубу осуществляют под давлением 5 атм нагнетание высокопроницаемого раствора на основе микроцементов, после затвердевания опорной грунтобетонной пяты формируют тело сваи путем опирания на опорную грунтобетонную пяту или по типу жесткая заделка опирают в опорную грунтобетонную пяту буроинъекционную сваю или буронабивную сваю, при этом указанные сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами выполняют диаметром d и глубиной заложения h_с с металлическим каркасом и трубой ультразвукового контроля сплошности сваи, причем массив грунта не сохраняют в оттаянном состоянии, а он затвердевает до проектных значений, обеспечивающих необходимую несущую способность свайного основания как в растеплéнном, так и в замороженном грунте с последующим переходом в замороженное состояние.

Краткое описание чертежей:

На фиг. 1 изображена опорная система для строительных сооружений в вечномерзлых грунтах.

На фиг. 2 изображена опорная система для строительных сооружений в вечномерзлых грунтах с опиранием ствола сваи по типу жесткая заделка.

На фигурах обозначено: 1 - вечномерзлый грунт; 2 - опорная грунтобетонная пята, 3 -свая; 4 - металлический каркас; 5 - труба контроля сплошности сваи; 6 - диаметр «d» сваи; 7 - глубина заложения «h_с» сваи; 8 - диаметр «D» опорной грунтобетонной пяты; 9 - высота «h_п» опорной грунтобетонной пяты; 10 - напряжения сцепления «τ» боковой поверхности сваи; 11 - напряжения сцепления «τ₁» боковой поверхности опорной грунтобетонной пяты.

Осуществление изобретения.

Опорная система для зданий и сооружений в вечномерзлых грунтах содержит заглубенную в вечномерзлый грунт 1 опорную грунтобетонную пяту 2 с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, опертую на нее сваю 3диаметром «d» (позиция 6)и глубиной заложения «h_с» (позиция 7) с металлическим каркасом 4 и трубой 5контроля сплошности сваи 3. свая 3 может свободно опираться на опорную грунтобетонную пяту 2, а может быть соединена с ней по типу жесткая заделка (фиг 2). Опорная грунтобетонная пята 2 имеет форму цилиндра диаметром «D» (позиция 8) и высотой «h_п» (позиция 9) и выполнена в виде грунтобетонного массива, смешанного с цементным раствором и пропитанного высокопроницаемым раствором на основе микроцементов.

Способ возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты характеризуется тем, что вначале в вечномерзлом грунте 1 с помощью паропрогрева паровыми иглами (на чертеже не показано) осуществляют локальное оттаивание вечномерзлых грунтов на проектной глубине, далее осуществляют бурение лидерной скважины диаметром «d» и глубиной «h_с» (на чертеже не показано), далее бурят с помощью буровой штанги, оснащенной буровым наконечником и соплом, скважину на высоте «h_п» (фиг. 1) (скважина бурится один раз), т.е. на месте расположения опорной грунтобетонной пяты 2, далее через сопло осуществляют под давлением 450-500 атм подачу цеметно-водной суспензии и сжатого воздуха и путем обратного хода постепенно, не прекращая подачу указанных компонентов, поднимают буровую штангу до уровня верха опорной грунтобетонной пяты 2, т.е. до глубины «h_с». При этом создается в пределах объема опорной грунтобетонной пяты 2 однородная пористая грунтоцементная смесь. Способ изложен в книге: Малинин А.Г.. Струйная цементация грунтов. М., Стройиздат, 2010, с. 95.

После этого по оси объема опорной грунтобетонной пяты 2 вертикально на всю глубину объема опорной грунтобетонной пяты 2 устанавливают инъекционную манжетную трубу (на чертеже не показано), в стенках которой через определенный интервал расположены отверстия с упругими манжетами. Через эту трубу осуществляют под давлением 5 атм нагнетание высокопроницаемого раствора на основе микроцементов.

После затвердевания опорной грунтобетонной пяты 2 формируют тело сваи 3 с включением в ствол трубы 5 контроля сплошности сваи 3, причем при необходимости предварительно ствол сваи армируется металлическим, полимер композитным или гибридным каркасом 4.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечномерзлых грунтах, достигается за счет того, что несущая способность сваи 3, независимо от состояния грунта (вечномерзлого или сезонного талого грунта с низкой плотностью и несущей способностью) реализуется опиранием сваи 3 на опорную грунтобетонную пяту 2 с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, тем самым обеспечивается прогнозируемая работа грунтов основания на поверхностях трения сваи 3 и месте ее опирания, а также исключается просадка свайных и столбчатых фундаментов в случае сезонного оттаивания грунтов.

В случае опирания сваи 3 по типу жесткой заделки на опорную грунтобетонную пяту 2 реализуется наличие бокового трения (защемление) в сопряжении с внешней периферийной поверхностью сваи 3 с внутренней поверхностью опорной грунтобетонной пяты 2, что обеспечивает дополнительный запас по прочностным свойствам и исключается возможность выпучивания сваи 3 из-за недостаточного защемления сваи 3 с опорной грунтобетонной пятой 2.

В предлагаемом техническом решении опорная грунтобетонная пята 2 создается при высоком давлении на всех стадиях. В связи с этим формируется хорошая зона уплотненного грунта на периферии опорной грунтобетонной пяты 2, за счет чего по боковой поверхности опорной грунтобетонной пяты 2 напряжения «τ₁» сцепления (позиция 11) превышают напряжения сцепления «τ» (позиция 10).

В случае перехода в вечномерзлое состояние дополнительная несущая способность опорной системы зданий и сооружений обеспечивается за счет сил смерзания внешних периферийных поверхностей сваи 3 и опорной грунтобетонной пяты 2 с вечномерзлым грунтом 1.

При этом в предложенном способе имеется возможность оставления в стволе сваи трубы 5 для возможности ультразвукового контроля сплошности сваи.

Предложенный способ позволяет отказаться от необходимости в принудительном поддержании вечномерзлого состояния грунтового массива основания, ввиду нахождения опорной грунтобетонной пяты 2 ниже глубины летнего оттаивания, что позволяет включаться свае 2 в работу почти по всей длине в любое время года.

Предложенный способ позволяет не использовать сложные холодильные установки и избежать проблем и затрат при их эксплуатации, а также возможности непредвиденного оттаивания грунта летом, в случае поломки данного оборудования.

Примеры реализации заявленного способа.

Заявителем, в 2004…2007 гг. был реализован заявленный способ в г. Тарко-Сале, при строительстве школы на свайном основании, а также при строительстве аэропорта «Алыкель» в г. Норильске при устройстве свайных оснований в условиях моноголетнемёрзлого грунта.

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты. Способ возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты включает локальное оттаивание массива грунта вечномерзлых грунтов с помощью паропрогрева паровыми иглами, формирование буроинъекционной сваи или буронабивной сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами. После паропрогрева формируют опорную грунтобетонную пяту с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, при этом опорную грунтобетонную пяту выполняют цилиндрической формой диаметром D и высотой h_п в виде грунтобетонного массива, смешанного с цементным раствором и пропитанного высокопроницаемым раствором на основе микроцементов, при этом формирование опорной грунтобетонной пяты осуществляют бурением лидерной скважины диаметром d и глубиной h_с, далее бурят с помощью буровой штанги, оснащенной буровым наконечником и соплом, скважину на высоте h_п, то есть на месте расположения опорной грунтобетонной пяты. Далее через сопло осуществляют под давлением 450-500 атм подачу цеметно-водной суспензии и сжатого воздуха и путем обратного хода постепенно, не прекращая подачу указанных компонентов, поднимают буровую штангу до уровня верха опорной грунтобетонной пяты, т.е. до глубины h_с, при этом создают в пределах объема опорной грунтобетонной пяты однородную пористую грунтоцементную смесь, после этого по оси объема опорной грунтобетонной пяты вертикально на всю глубину объема опорной грунтобетонной пяты устанавливают инъекционную манжетную трубу, в стенках которой через определенный интервал расположены отверстия с упругими манжетами, через эту трубу осуществляют под давлением 5 атм нагнетание высокопроницаемого раствора на основе микроцементов. После затвердевания опорной грунтобетонной пяты формируют тело сваи путем опирания на опорную грунтобетонную пяту или по типу жесткая заделка опирают в опорную грунтобетонную пяту буроинъекционную сваю или буронабивную сваю, при этом указанные сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами выполняют диаметром d и глубиной заложения h_с с металлическим каркасом и трубой ультразвукового контроля сплошности сваи. Массив грунта не сохраняют в оттаянном состоянии, а он затвердевает до проектных значений, обеспечивающих необходимую несущую способность свайного основания как в растеплѐнном, так и в замороженном грунте с последующим переходом в замороженное состояние. Технический результат состоит в повышении надежности свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечномерзлых грунтах. 2 ил.

Способ возведения свайных и столбчатых фундаментов в зоне вечной мерзлоты, включающий локальное оттаивание массива грунта вечномерзлых грунтов с помощью паропрогрева паровыми иглами, формирование буроинъекционной сваи или буронабивной сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, отличающийся тем, что после паропрогрева формируют опорную грунтобетонную пяту с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами, при этом опорную грунтобетонную пяту выполняют цилиндрической формой диаметром D и высотой h_п в виде грунтобетонного массива, смешанного с цементным раствором и пропитанного высокопроницаемым раствором на основе микроцементов, при этом формирование опорной грунтобетонной пяты осуществляют бурением лидерной скважины диаметром d и глубиной h_с, далее бурят с помощью буровой штанги, оснащенной буровым наконечником и соплом, скважину на высоте h_п, то есть на месте расположения опорной грунтобетонной пяты, далее через сопло осуществляют под давлением 450-500 атм подачу цеметно-водной суспензии и сжатого воздуха и путем обратного хода постепенно, не прекращая подачу указанных компонентов, поднимают буровую штангу до уровня верха опорной грунтобетонной пяты, т.е. до глубины h_с, при этом создают в пределах объема опорной грунтобетонной пяты однородную пористую грунтоцементную смесь, после этого по оси объема опорной грунтобетонной пяты вертикально на всю глубину объема опорной грунтобетонной пяты устанавливают инъекционную манжетную трубу, в стенках которой через определенный интервал расположены отверстия с упругими манжетами, через эту трубу осуществляют под давлением 5 атм нагнетание высокопроницаемого раствора на основе микроцементов, после затвердевания опорной грунтобетонной пяты формируют тело сваи путем опирания на опорную грунтобетонную пяту или по типу жесткая заделка опирают в опорную грунтобетонную пяту буроинъекционную сваю или буронабивную сваю, при этом указанные сваи с заданными проектом геометрическими параметрами и физико-механическими свойствами выполняют диаметром d и глубиной заложения h_с с металлическим каркасом и трубой ультразвукового контроля сплошности сваи, причем массив грунта не сохраняют в оттаянном состоянии, а он затвердевает до проектных значений, обеспечивающих необходимую несущую способность свайного основания как в растеплѐнном, так и в замороженном грунте с последующим переходом в замороженное состояние.