Непрерывный полый штамп для устройства набивных свай методом вдавливания и способ устройства набивной сваи с помощью непрерывного полого штампа для устройства набивных свай методом вдавливания Российский патент 2024 года по МПК E02D5/34 

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии производства работ по устройству ж/б свай в грунте при сооружении основания и фундаментов для различного рода зданий и сооружений в независимости от их назначения. Технология включает формирование в грунте набивной сваи, путем погружения и извлечения формообразователя набивной сваи при помощи гидравлических вдавливающих установок или строительных вибраторов с необходимой возбуждающей силой с последующим заполнением выштампованной скважины бетонной смесью и последующим погружением армокаркаса.

Известен «Способ изготовления в грунте набивных армированных свай» (1 Патент РФ №2181410). Способ включает образование в грунте укрепленной обсадной трубой скважины, заполнение ее твердеющим составом, введение арматуры и уплотнение состава и втрамбовывание его в грунт, извлечение обсадной трубы. Новым является то, что уплотнение твердеющего состава и втрамбовывание его в грунт производят путем введения в него после извлечения обсадной трубы посредством забивания арматуры в виде трубы с закрытым нижним торцом. Технический результат изобретения состоит в повышении несущей способности и прочности сваи.

К недостаткам данного способа можно отнести большую трудоемкость, связанную с необходимостью повторения операций при формировании набивной сваи, так необходимо дважды на всю длину погружать сначала обсадную трубу, а после заполнения ее бетоном трубу, которая имеет заглушенный нижний конец и выполняет функцию армирования набивной сваи. Также процесс изготовления набивной сваи связан с необходимостью наличия разной строительной техники необходимой как для погружения обсадной трубы и ее последующего извлечения, а также для выбуривания грунта который при погружении обсадной трубы проник внутрь ее, тем самым усложнил процесс формирования сваи и увеличил трудоемкость работ.

Также следует обратить внимание на увеличение стоимости кубического метра сваи связанного с тем что в качестве армирующего элемента применяется не арматурные каркасы, которые при совместной работе с бетоном с легкостью справляются с заданными нагрузками, а цельные металлические трубы с заглушенным концом, которые в сравнении с арматурными каркасами одинаковых наружных диаметров будут в несколько раз тяжелее, что напрямую влияет на стоимость кубического метра готовой набивной сваи.

Известен «Комбинированный способ изготовления набивной сваи» (2 Патент РФ№2244066). Способ включает образование скважины, установку инвентарной обсадной с закрытым нижним концом трубы с расположенным в ней инвентарным электрическим разрядником, подачу в скважину бетонной смеси и возбуждение в ней высоковольтных электрических разрядов при извлечении обсадной трубы и образовании ствола. Новым является то, что скважину образуют путем вдавливания в грунт инвентарной обсадной трубы, которую герметично закрывают сверху и оборудуют в верхней части обратными клапанами для подачи бетонной смеси, для подачи сжатого воздуха и для подачи воды, а также каналами для пропуска бетонной смеси с самораскрывающимися клапанами, причем электрический разрядник жестко скрепляют с обсадной трубой так, что он выступает относительно ее нижней части и образует совместно с самораскрывающимися клапанами закрытый при вдавливании обсадной трубы нижний ее конец, причем погружение инвентарной обсадной трубы в грунт и заглубление ее нижнего конца в опорный слой осуществляют совместным действием усилия вдавливания и энергией высоковольтных электрических разрядов, а извлечение обсадной трубы из грунта и образование ствола сваи осуществляют одновременно с применением статической выдергивающей нагрузки, подачей сжатого воздуха и возбуждением в бетонной смеси электрических разрядов. Технический результат изобретения состоит в повышении несущей способности набивной сваи

Недостатками являются сложность конструкции инвентарной обсадной трубы с несколькими клапанами подачи бетона, клапанами подачи воздуха, клапанами подачи воды и расположенным в ней электрическим разрядником, изготовление которой прямым образом отразится на стоимости готовой сваи. Так как данная технология предполагает применение Импульсных Разрядов при извлечении обсадной трубы с электрическим разрядником при формировании набивной сваи, то необходимы применение дополнительного дорогостоящего оборудования типа специальных трансформаторов тока и наличие достаточных источников питания, а также необходимо проведение специальных мероприятий направленных на выполнение работ безопасными способами исключающих поражение работников электрическим током, наличие в сложной конструкции обсадной труды клапанов для сжатого воздуха, предполагает использование компрессоров, что также увеличивает трудоемкость работ по формированию набивной сваи, увеличивает эксплуатационные затраты на машины и механизмы и усложняет работу в стесненных условиях площадки строительства.

Известен «Способ изготовления сваи в предварительно продавленной скважине» (3 Патент РФ №2231596). Способ включает образование скважины продавливанием обсадной трубы с теряемым башмаком, заполнение ее на всю высоту бетоном, устройство уширения, извлечение обсадной трубы и установку арматурного каркаса. Новым является то, что в грунт продавливают обсадную трубу с герметичным оголовком и клапаном в верхней части и заполняют обсадную трубу бетоном через клапан, поднимают обсадную трубу на высоту 1,5-2,0 диаметра трубы с одновременной подачей бетона до полного ее заполнения, уширение устраивают путем вдавливания обсадной трубой бетона в грунт, а извлечение обсадной трубы осуществляют статической нагрузкой с одновременной подачей в обсадную трубу сжатого воздуха через клапан. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в обеспечении возможности изготовления набивной сваи с уширенной пятой в слабых глинистых грунтах вблизи существующих зданий, обладающей высокой несущей способностью и более экономичной по расходу цемента, и металла, по сравнению со сваей заводского изготовления, причем способ позволяет без динамических воздействий на слабый глинистый грунт и окружающую застройку изготовить набивную сваю с уширенной пятой.

Недостатками являются применение теряемого башмака, который на прямую влияет на конечную стоимость готовой набивной сваи, судя из названию применяемый башмак каждый раз остается в грунте и необходим для того чтобы грунт сквозь который проходит штамп не забивался в обсадную трубу и оставалась возможность подачи бетонной смеси при формировании набивной сваи. Также следует отметить что предлагаемый способ формирования уширения без наличия в конструкции обсадной трубы закрывающегося клапана может привести к уплотнению бетонной смеси в теле обсадной трубы, в таком случае не получится заполнить скважину бетоном, потребуется прочистка обсадной трубы и повторное погружение штампа в скважину.

Наиболее близким техническим решением, прототипом, является «Штамп для устройства набивных свай методом вдавливания, и способ устройства набивных бетонных, железобетонных и армобетонных свай путем устройства набивной сваи с уширением, с помощью бетонолитного приспособления - штампа» (4 Патент РФ №2610053). Штамп для устройства набивных свай методом вдавливания состоит из прочного полого корпуса, обеспечивающего достаточную прочность и жесткость, необходимую для восприятия усилий от вдавливающей установки и сопротивления грунта, возникающих в процессе погружения штампа при устройстве набивной сваи, бетонолитной трубы, перемещающейся в полом прочном корпусе и имеющей два одинаковых бетонолитных отверстия общей площадью 100 см². Ниже бетонолитных отверстий жестко закреплен наконечник с помощью крепежного пальца, диаметр которого больше диаметра бетонолитной трубы, но меньше диаметра прочного корпуса в виде бурового долота. Бетонолитная труба имеет ограничитель, благодаря которому бетонолитная труба ограничена в перемещении внутри прочного корпуса и остается в нем в процессе выполнения работ. Штамп выполнен с принудительным перемещением бетонолитной трубы при помощи привода или бетонолитная труба перемещается вдоль прочного корпуса под собственным весом. Технический результат состоит в повышении производительности и качества производства работ, снижении трудоемкости, материалоемкости и энергетических затрат по устройству набивных бетонных, железобетонных и армобетонных свай.

Недостатками прототипа является сложная конструкция штампа, которая снижает производительность работ, связанных с необходимостью регулярного очищения и промыва бетонолитной трубы и очистки выпускного клапана, что ведет к поломкам, регулярным выходам из строя сложной конструкции пропускного клапана и штампа в целом. Неудачная конструкция штампа приводит к регулярным поломкам из-за необходимости постоянного перемещения бетонолитной трубы внутри самого штампа для открытия проходных отверстий (обусловленно конструкцией штампа). Так же конструкция штампа не позволяет осуществить захват строительным вибропогружателем за оголовок штампа, что делает не возможным погружение и последующее извлечение штампа другим способом отличным от вдавливания. Конструкция штампа предназначена для возможности устройство свай с уширением в пяте сваи или по всей длине будущей сваи, что ведет к усложнению конструкции штампа, его большей стоимости и материалоемкости.

Преимуществами предлагаемого способа устройства набивных свай являются: высокая производительность, низкая материалоемкость, снижение трудоемкости в сравнении с имеющимися аналогами устройства набивных свай. Высокая производительность достигается за счет применения мощной строительной техники, обеспечивающей погружение формообразователя и его извлечение в строгом соответствии с техническими характеристиками (параметрами скорость погружения/извлечения штампа, скорость перемещения по строительной площадке и т.д.) строительной техники. Низкая материалоемкость обеспечивается возможностью определения, в процессе погружения полого штампа, условного отказа (прогнозируемой несущей способности сваи) на различной глубине от поверхности земли, в зависимости от усилия, создаваемого на полый штамп во времени, с учетом коэффициента надежности по грунту и обеспечения несущей способности сваи проектным значениям. Уменьшение трудоемкости обусловлено тем, что в описываемом способе отсутствует процесс бурения скважин, как с обсадной трубой, так и без, что само по себе трудоемко, требует выполнения работ по погрузке выбуренного шлама и его отвозу в отвал, в том числе использование дополнительных единиц техники (экскаваторы и самосвалы). В случае необходимости устройства лидерных скважин в особых грунтовых условиях площадки строительства, лидерные скважины всегда будут меньшего диаметра и меньшей длины самой сваи (в соответствии с существующими нормами и правилами) в связи с чем скорость бурения будет выше, погрузка и вывоз выбранного шлама меньшее в объеме. Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем: На предполагаемую проектную глубину погружают непрерывный полый штамп методом вдавливания при помощи сваевдавливающей установки, либо при помощи строительного вибропогружателя необходимой мощности (фиг. 1). В процессе погружения, грунт в объеме будущей сваи, вытесняется непрерывным полым штампом в радиальном направлении, тем самым производит дополнительное уплотнение грунта за счет уменьшения его пористости, придавая дополнительную несущую способность сваи по грунту. Данный эффект не возможен при устройстве свай по технологии бурения, ввиду того что весь грунт в объеме будущей сваи выбуривается шнеком. После погружения непрерывного полого штампа набивной сваи, на проектную глубину, производят подачу к острию непрерывного полого штампа бетонной смеси. Бетонная смесь применяется с заданной проектом прочностью (обычно от В20 и выше) и подвижностью (П4 или П5, для возможности обеспечения подачи бетонной смеси при помощи бетононасоса и последующего погружения в нее арматурного каркаса). Также возможно добавление в бетонную смесь дополнительных добавок, которые будут влиять на время схватывания бетона, его подвижность, трещиностойкость (в случае применения фибры). Бетонная смесь подается помощи бетононасоса по трубопроводам бетонолитную трубу непрерывного полого штампа. Возможно использовать также растворонасос или пневмонагнетатель, при использовании бетонных растворов на мелком заполнителе. Подача бетонной смеси производится до повышения давления в системе до требуемых значений. В этом случае бетонная смесь полностью заполнит собой весь бетоновод от бетононасоса до острия штампа. Далее непрерывный полый штамп набивной сваи плавно извлекают, при подъеме непрерывного полого штампа откидная крышка клапана открывается, так как имеет шарнирное крепление и выступающие из плоскости тела штампа зацепы. Бетонная смесь, под действием гравитационной силы и принудительного давления от бетононасоса при извлечении штампа, устремляется в выштампованную скважину, заполняя ее по мере извлечения штампа из скважины.

При формировании выштампованой скважины необходимо выставить погружающую установку в месте устройства сваи. Далее помощник оператора установки, удерживая клапан в закрытом положении, отдает команду о начале погружения штампа. Штамп прижимают к грунту, помощник оператора после этого отходит в сторону и при помощи инструментального контроля следит за вертикальностью штампа в процессе погружения. Оператор установки производит погружение штампа на проектную глубину и останавливает дальнейшее погружение. Также остановка погружения может быть определена в зависимости от усилия вдавливания штампа (определяется конкретной строительной документацией). После полного извлечения штампа и заполнения выштампованной скважины бетонной смесью, при помощи вибропогружателя и грузоподъемного механизма, производят погружение арматурного каркаса (либо другого армирующего элемента: труба; швеллер; двутавр; шпунт Ларсена и другие) на проектную глубину в свежеуложенную бетонную смесь. Погружение армирующего каркаса может осуществляться без воздействия вибратора при достаточной подвижности бетонной смеси, которая позволит погрузить его под собственным весом на проектную глубину.

Размеры и геометрическая форма непрерывного полого штампа определяются конкретной строительной документацией. Сечение непрерывного полого штампа может быть различным: квадратным; прямоугольным; круглым.

Непрерывный полый штамп состоит из прочного корпуса, который непосредственно вдавливают в грунт и который вытесняет грунт в радиальном направлении в процессе погружения, а также формирует уплотнение грунта под острием штампа. Внутри прочного корпуса закреплена бетонолитная труба (фиг. 2) на всю длину штампа. Бетонолитная труба имеет выход в боковой поверхности штампа с поворотным коленом на 180°, к которому крепятся резиновые рукава от бетононасоса. Выход бетонолитной трубы из штампа в его оголовке сделан на некотором занижении для возможности обеспечения беспрепятственного захвата механическими зажимами вибропогружателя (предусмотрено специально для возможности погружения штампа в грунт, как методом вдавливания, так и при помощи вибропогружвтеля). В острие штампа расположен откидной клапан, который в процессе погружения обеспечивает герметичность штампа и не позволяет грунту проникать в бетоновод, при этом механизм клапана обеспечивает его открывание, как только штамп начинают извлекать и одновременно подавать в сформированную скважину бетонную смесь.

Конструкция герметичного клапана расположенного в острие штампа (фиг. 3) предназначена для недопущения попадания грунта в процессе погружения штампа на проектную отметку внутрь бетонолитной трубы, расположенной внутри полого штампа, при этом клапан открывается при извлечении штампа и одновременной подачи бетонной смеси к забою скважины. Клапан шарнирно крепится к корпусу штампа, и свободно открывается под собственным весом в приподнятом над землей состоянии. Со стороны входа в круглую бетонолитную трубу клапан имеет сферическую поверхность с несколько большим радиусом закругления, чем радиус проходного отверстия бетонолитной трубы. При соединении клапана с бетонолитной трубой, расположенной внутри штампа, происходит «запечатывание» проходного отверстия целиком. Для улучшения герметичности соединения, у клапана вокруг сферической части входящей внутрь бетонолитной трубы предусмотрено уплотнительное кольцо из мягкого материала, например каучука, резины, силикона или полиуретана. Для обеспечения открывания клапана на проектной глубине к крышке клапана прикреплены мощные металлические зацепы, которые выступают из тела штампа и при извлечении штампа на поверхность, зацепы «зацепившись» за грунт позволяют клапану открыться, далее под массой бетонной смеси клапан производит полное открытие. После извлечения непрерывного полого штампа на поверхность, клапан промывают водой и при выставлении в новую точку устройства сваи вручную закрывают клапан и опирают штамп о землю. Далее процесс повторяется. Конструкция клапана имеет отличие от других клапанов в том, что герметизация осуществляется при помощи сферической части клапана, при этом конструкция снабжена зацепами, позволяющими открыть клапан на глубине у забоя выштампованой скважины. Сущность предлагаемого способа поясняется фигурами 1-3.

На Фиг. 1. изображена технологическая последовательность формирования набивной сваи по технологии НПШ или сваи.

а) В месте устройства сваи выставляют вертикально Непрерывный Полый Штамп и производят его погружение на проектную отметку, при этом грунт в объеме будущей сваи устремляется в радиальном направлении за счет изменения пористости грунта и воздействия на него.

б) После погружения Непрерывного Полого Штампа на проектную отметку, осуществляют прокачку подвижной бетонной смеси с заданными проектными показателями до момента повышения давления в бетоноводах возможно до 2 бар.

в) Производят плавное извлечение Непрерывного Полого Штампа, при этом клапан в острие штампа открывается, благодаря давлению от бетонной смеси, гравитационной силы Земли и конструкции клапана, которая имеет зацепы (узел 1) и через открытый клапан устремляется бетонная смесь в выштампованную скважину. Непрерывный Полый Штамп извлекают полностью из грунта, одновременно обеспечив полное заполнение выштампованной скважины подвижной бетонной смесью.

г) В свежеуложенную бетонную смесь, при помощи возбуждающего усилия от вибропогружателя, прикрепленному к армирующему элементу (армокаркас, металлический профиль и т.д.), погружают армирующий элемент на проектную глубину, Плавность хода и вертикальность армирующего элемента обеспечивают при помощи грузоподъемного механизма и средств обеспечивающих безопасное производство работ на объекте строительства (оттяжки, стропа, привязи и т.д.).

д) После погружения армирующего элемента в свежеуложенную бетонную смесь, армирующий элемент раскрепляют и дают набрать необходимую прочность бетону производя различного рода мероприятия по обеспечению качественного производства работ (в зимнее время - прогрев основания и создание необходимой температуры для набора прочности бетона; в период сильной жары - создание навесов, охлаждение бетонной смеси, смачивание и т.д.).

По завершении всех технологических операций в указанной последовательности, получаем готовую набивную сваю, выполненную по технологии НПШ - свая.

На фиг. 2 изображен непрерывный полый штамп для устройства набивных свай Чеснокова методом вдавливания (6), состоящий из прочного полого корпуса (5), бетонолитной трубы (2), и герметичного клапана (7). Прочный полый корпус штампа (5) представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из формообразователя, обеспечивающего конечные габариты будущей сваи: длину и сечение. Бетонолитная труба штампа (2) имеет выход в боковой поверхности корпуса штампа с поворотным коленом на 180°, к которому крепятся, с помощью приспособления для крепления (3), резиновые рукава от бетононасоса (4). Выход бетонолитной трубы из штампа в его оголовке (1) выполнен на занижении равном расстоянию необходимому для обеспечения беспрепятственного захвата штампа механическими зажимами вибропогружателя, за специальные усиленные места в оголовке штампа. Узел 1 на фиг. 3 отображает конструктивные особенности герметичного клапана (7), расположенного в острие штампа.

На фиг. 3 изображен узел 1, изображения а) - представляют собой закрытое состояние герметичного клапана вид сбоку; б) - закрытое состояние герметичного клапана вид спереди; в) - открытое состояние герметичного клапана вид сбоку; д) - открытое состояние герметичного клапана вид спереди. Герметичный клапан (7), который шарнирно крепится к корпусу штампа (5), имеет металлические зацепы (8), выступающие из тела штампа, Со стороны входа в круглую бетонолитную трубу (2), клапан имеет внутреннюю сферическую поверхность (9) с несколько большим радиусом закругления, чем радиус проходного отверстия бетонолитной трубы (2), вокруг сферической части клапана входящей внутрь бетонолитной трубы предусмотрено уплотнительное кольцо (10).

Источники информации

1. Патент РФ №2181410, МПК E02D 5/34, E02D 5/44 E02D 5/38 опубл.

2. Патент РФ №2244066, МПК E02D 5/34, E02D 5/44 E02D 5/38 опубл.

3. Патент РФ №2231596, МПК E02D 5/34, E02D 5/44 E02D 5/38 опубл.

4. Патент РФ №2610053, МПК E02D 5/34, E02D 5/44 E02D 5/38 опубл.

Изобретение относится к строительству, а именно к технологии производства работ по устройству ж/б свай в грунте при сооружении основания и фундаментов для различного рода зданий и сооружений вне зависимости от их назначения. Непрерывный полый штамп для устройства набивных свай методом вдавливания состоит из прочного полого корпуса, бетонолитной трубы и герметичного клапана. Прочный полый корпус штампа представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из формообразователя, обеспечивающего конечные габариты будущей сваи: длину и сечение, воспринимающего на себя все нагрузки и воздействия как от установок, при помощи которых погружается штамп, так и сопротивления грунта, возникающего в процессе его погружения. Бетонолитная труба штампа имеет выход в боковой поверхности штампа с поворотным коленом на 180°, к которому крепятся резиновые рукава от бетононасоса, при этом выход бетонолитной трубы из штампа в его оголовке выполнен на занижении, равном расстоянию, необходимому для обеспечения беспрепятственного захвата штампа механическими зажимами вибропогружателя за усиленные места в оголовке штампа. Герметичный клапан, расположенный в острие штампа, исключая попадание грунта и воды в бетоновод в процессе погружения штампа, открывается при извлечении штампа, обеспечивая поступление бетонной смеси в выштампованную скважину. Технический результат состоит в обеспечении высокой производительности, снижении материалоемкости, снижении трудоемкости в сравнении с имеющимися аналогами устройства набивных свай. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Непрерывный полый штамп для устройства набивных свай методом вдавливания, состоящий из прочного полого корпуса, бетонолитной трубы и герметичного клапана, отличающийся тем, что прочный полый корпус штампа представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из формообразователя, обеспечивающего конечные габариты будущей сваи: длину и сечение, воспринимающего на себя все нагрузки и воздействия, как от установок, при помощи которых погружается штамп, так и от сопротивления грунта, возникающего в процессе его погружения, бетонолитная труба штампа имеет выход в боковой поверхности штампа с поворотным коленом на 180°, к которому крепятся резиновые рукава от бетононасоса, при этом выход бетонолитной трубы из штампа в его оголовке выполнен на занижении, равном расстоянию, необходимому для обеспечения беспрепятственного захвата штампа механическими зажимами вибропогружателя за усиленные места в оголовке штампа, а герметичный клапан, расположенный в острие штампа, исключая попадание грунта и воды в бетоновод в процессе погружения штампа, открывается при извлечении штампа, обеспечивая поступление бетонной смеси в выштампованную скважину.

2. Непрерывный полый штамп для устройства набивных свай методом вдавливания по п. 1, отличающийся тем, что герметичный клапан шарнирно крепится к корпусу штампа, клапан имеет металлические зацепы, выступающие из тела штампа со стороны входа в круглую бетонолитную трубу, клапан имеет внутреннюю сферическую поверхность с несколько большим радиусом закругления, чем радиус проходного отверстия бетонолитной трубы, вокруг сферической части клапана, входящей внутрь бетонолитной трубы, предусмотрено уплотнительное кольцо.

3. Способ устройства набивной сваи с помощью непрерывного полого штампа для устройства набивных свай методом вдавливания, имеющего прочный полый корпус штампа, представляющего собой металлическую конструкцию, состоящую из формообразователя, обеспечивающего конечные габариты будущей сваи: длину и сечение, воспринимающего на себя все нагрузки и воздействия, как от установок, при помощи которых погружается штамп, так и от сопротивления грунта, возникающего в процессе его погружения, бетонолитная труба штампа имеет выход в боковой поверхности штампа с поворотным коленом на 180°, к которому крепятся резиновые рукава от бетононасоса, при этом выход бетонолитной трубы из штампа в его оголовке выполнен на занижении, равном расстоянию, необходимому для обеспечения беспрепятственного захвата штампа механическими зажимами вибропогружателя за усиленные места в оголовке штампа, а герметичный клапан, расположенный в острие штампа, исключая попадание грунта и воды в бетоновод в процессе погружения штампа, открывается при извлечении штампа, обеспечивая поступление бетонной смеси в выштампованную скважину, при этом способ включает формирование выштампованной скважины в процессе приложения к непрерывному полому штампу необходимого усилия, последующее извлечение непрерывного полого штампа с одновременным открытием герметичного клапана, расположенного в острие штампа, заполнение выштампованной скважины подвижной бетонной смесью, установку армирующего элемента при помощи возбуждающего усилия от вибропогружателя, прикрепленного к армирующему элементу, в свежеуложенную бетонную смесь сваи, с обеспечением наиболее благоприятных условий для упрочнения сваи.