Забивные сваи в пробитых скважинах с уширенным основанием
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине в слабых водонасыщенных грунтах (варианты)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу устройства фундаментов глубокого заложения из сборных (заводской готовности) забивных свай в пробитых (продавленных) скважинах с уширенным основанием-пятой в слабых влажных (переувлажненных) и водонасыщенных грунтах.
Из существующих способов известно устройство набивных свай в пробитых скважинах типа «Вибро» (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981). Пробивку скважины осуществляют инвентарной обсадной трубой, снабженной в нижней части конусным башмаком-заглушкой, который используется главным образом для исключения попадания грунта и свободной воды в трубу при образовании скважины, а также снижения лобового сопротивления по торцу обсадной трубы при ее погружении в грунт. После погружения обсадной трубы на заданную глубину в нее устанавливают арматурный каркас и заполняют литым бетоном с извлечением обсадной трубы. Основными недостатками этого способа являются: низкая несущая способность сваи на вертикальные нагрузки по торцу и длительность ее изготовления из-за необходимости набора бетоном требуемой прочности, особенно в водонасыщенных грунтах, и в связи с этим низкая надежность расчетных значений несущей способности сваи и т.п.
В настоящее время широко применяются в различных грунтовых условиях забивные призматические, реже пирамидальные, ромбовидные и др. сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011).
Однако этим сваям присущи недостатки, основным из которых в рассматриваемых грунтовых условиях является невысокая несущая способность свай в слабых и др. грунтах и особенно при опирании их на грунты с достаточно высокой сжимаемостью.
Из известных следует отметить способ возведения свайного фундамента из забивных свай на просадочных грунтах с II типом по просадочности по SU 885446, из которого известно устройство свайного фундамента с образованием скважин, оси которых совпадают с проектным положением осей свай и заполненных дренирующим материалом, при этом сваи выполнены с возможностью замачивания и погружения в скважины, которые образуют на всю глубину просадочного грунта с заглублением в подстилающий непросадочный грунт. После заполнения скважин дренирующим материалом осуществляют обвалование территории по периметру сооружения, покрывают обвалованную площадь слоем дренирующего материала, причем замачивание осуществляют путем заливки воды на обвалованную территорию и выдерживания в течение 15-30 дней, после чего погружают сваи в скважины.
По способу возведения свайного фундамента по SU 885446 необходимо отметить следующее:
а) рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты со II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса;
б) в соответствии с ранее действующими (Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1977; Кругов В.И., Галицкий В.Г. и др. Уплотнение просадочных грунтов. М.: Стройиздат, 1974) и сохранившимися до настоящего времени требованиями (Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986) дренажные скважины должны выполняться путем бурения с выборкой грунта без создания вокруг и под ними уплотненных зон. В случаях выполнения скважин путем пробивки и создания вокруг них уплотненных зон весьма существенно снижается фильтрационная способность дренажных скважин, т.е. они будут выполнять функцию армирующих элементов и сдерживать интенсивность уплотнения грунтов, поэтому оказываются неэффективными;
в) для того чтобы обеспечить создание вокруг и особенно под сваей уплотненных зон, при которых достигается повышение несущей способности сваи, необходимо снижение влажности грунтов от полного водонасыщения ωs до значения, близкого к оптимальной влажности ωо, обычно равной ωo=ωр (ωр - влажность на границе пластичности). Такое снижение влажности, как правило, происходит в течение 10-20 суток после прекращения замачивания, т.е. только спустя это время следует погружать забивную сваю в дренажную скважину. В связи с чем, если погружать сваю сразу же после прекращения замачивания, когда грунт находится в состоянии практически полного водонасыщения (степень влажности Sr≥0,8-0,9), то погружение сваи будет происходить практически без уплотнения околосвайного грунта и главным образом за счет выпора грунта в стороны с весьма существенным подъемом его поверхности вокруг скважины и частичным разуплотнением грунта вокруг и под сваей.
Таким образом, от момента выполнения дренажной скважины до погружения в нее забивной сваи по SU 885446 требуется около 2-3-х месяцев. По предлагаемому способу это время может быть сокращено в зависимости от грунтовых условий до нескольких (1-2-х) часов;
г) выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой по SU 885446 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.
Из известных способов следует также отметить патент на полезную модель сваи (RU 62619 U1, E02D 5/30), где процесс изготовления забивной сборной железобетонной сваи заводской готовности осуществляют следующим образом. Перед погружением сваи образуют лидерную скважину, 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.
1. 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 несущей способности их преимущественно достигается за счет применения мероприятий, связанных именно с нижней частью свай путем устройства уширений, упрочнения грунтов и т.п. По рассматриваемому патенту повышение несущей способности свай предусматривается только по их боковой поверхности, что всегда менее эффективно.
2. 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.
3. 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.
4. Неэффективны в переувлажненных и тем более в водонасыщенных 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 из известных к предлагаемому способу, принятым за прототип, является способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием в рассматриваемых грунтовых условиях (RU 2582530 С2, E02D 5/00, опуб. 27.04.2016), включающий пробивку скважины с использованием сваи с башмаком-пробойником в нижней части под защитой обсадной трубы, над которым затем формируют уширенное основание из жесткого грунтового материала, поверх которого отсыпают без уплотнения грунтовый материал с последующим извлечением обсадной трубы из скважины, погружением в нее забивной железобетонной сваи и окончательным формированием уширенного основания и уплотненной зоны как в нижней, так и по боковой поверхности забивной сваи.
Основными недостатками этого способа являются высокая трудоемкость, относительно низкая надежность выполнения сваи в слабых влажных (переувлажненных) и тем более в водонасыщенных грунтах, а также длительность ее устройства. Трудоемкость и длительность этого способа заключается в том, что пробивку (продавливание) скважины в слабых влажных и в водонасыщенных грунтах выполняют под защитой обсадной трубы, т.е. пробивку скважины чередуют с погружением обсадной трубы с открытым нижним концом. Низкая надежность связана прежде всего с достаточно высокой вероятностью поступления подземных вод в скважину как в процессе ее пробивки, так и при формировании нижнего уширенного основания, особенно при наличии напорных вод.
Задача, на решение которой направлен предложенный способ, заключается в создании способа устройства свайного фундамента из забивных свай в пробитых (продавливаемых) скважинах в слабых влажных и водонасыщенных грунтах с уширенным основанием-пятой, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного способа, заключается в снижении трудоемкости, сокращении времени за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также в повышении надежности и тем самым увеличении эффективности применения свайных фундаментов в слабых влажных и водонасыщенных грунтах.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по первому варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, извлечения обсадной трубы, заполнения скважины засыпкой с последующим погружением в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала в нижней части скважины над башмаком-пробойником достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего осуществляют погружение железобетонной сваи в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
В одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых, например в заторфованных, заиленных, грунтах после извлечения обсадной трубы повторно погружают в скважину инвентарную обсадную трубу с раскрывающимся наконечником без башмака-пробойника с погружением наконечника в жесткий грунтовый материал над башмаком-уширителем, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины указанным материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом осуществляют один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по второму варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку, извлечения обсадной трубы и погружения в засыпанный материал забивной железобетонной сваи достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал, поднимают обсадную трубу на высоту засыпки, формирование уширенного основания осуществляют путем втрамбовывания жесткого грунтового материала с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи, снабженной на торце съемным наконечником, и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают железобетонную сваю в скважину с формированием дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
При этом в одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых грунтах после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают в него сборную железобетонную сваю.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по третьему варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником в нижней части, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку без уплотнения и погружают в засыпанный материал забивную железобетонную сваю, достигается тем, что для пробивки или продавливания скважины используют указанную сваю с башмаком-пробойником, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую вставляют торец сваи и в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, извлекают инвентарную или забивную железобетонную сваю, засыпают в скважину в ее нижнюю часть жесткий грунтовый материал и затем на всю ее высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, после чего погружают забивную железобетонную сваю в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
Во всех вариантах способа в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
Варианты предлагаемого способа поясняются чертежами.
На фиг. 1-5 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 1 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части башмаком-пробойником с внутренней полостью, и погружаемая в грунт, например, сваебойной (или вдавливающей) установкой на заданную глубину с образованием уплотненной зоны вокруг пробитой скважины; на фиг. 2 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость башмака-пробойника башмаком-уширителем, например, с помощью лебедки копровой установки; на фиг. 3 изображена отсыпка в нижней части обсадной трубы из жесткого грунтового материала (щебень, гравий и т.п.), поверх которой выполнена отсыпка из сыпучего грунтового материала, в том числе дискретно, на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины после извлечения обсадной трубы из скважины; на фиг. 4 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал с формированием уширенного основания и дополнительной уплотненной зоны в пределах уширения и боковой поверхности забивной сваи; на фиг. 5 - узел А на фиг. 2 в увеличенном масштабе.
На фиг. 6-10 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы с раскрывающимся наконечником в нижней части, вставленным во внутреннюю полость башмака-пробойника: на фиг. 6 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части раскрывающимся наконечником и башмаком-пробойником; на фиг. 7 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость раскрывающегося наконечника башмаком-уширителем; на фиг. 8 изображена отсыпка, как на фиг. 3, после извлечения обсадной трубы; на фиг. 9 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал, как на фиг. 4; на фиг. 10 - узел А на фиг. 7 в увеличенном масштабе.
На фиг. 11-14 показаны этапы устройства забивной сваи по второму варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 11 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженная в нижней части башмаком-пробойником, установленным в полость башмака-пробойника башмаком-уширителем и засыпанная в нижней части жестким грунтовым материалом; на фиг. 12 изображены подъем обсадной трубы на высоту засыпки и послойное формирование уширенного основания с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи со съемным наконечником; на фиг. 13 изображена засыпка в обсадную трубу над уширенным основанием поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 14 показана забивная железобетонная свая с погружением ее торца в уширенное основание после извлечения из скважины обсадной трубы с окончательным формированием уширенного основания и дополнительной зоны уплотнения грунта.
На фиг. 15-19 показаны этапы устройства забивной сваи по третьему варианту с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником: на фиг. 15 изображена скважина, пробитая или продавленная инвентарной или забивной железобетонной сваей с башмаком-пробойником; на фиг. 16 изображена установка во внутреннюю полость башмака-пробойника башмака-уширителя; на фиг. 17 изображена отсыпка в нижнюю часть скважины жесткого грунтового материала и над ним поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 18 изображено погружение в скважину забивной сваи с образованием уширенного основания; на фиг. 19 - узел А на фиг. 16 в увеличенном масштабе.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по первому варианту осуществляется следующим образом (фиг. 1-5). Перед забивкой (погружением) инвентарной обсадной трубы 1 башмак-пробойник 2 устанавливают на месте будущей скважины, затем опускают на него инвентарную обсадную трубу 1 и погружают ее, например, штанговым дизель-молотом или вдавливающей установкой в грунт с образованием пробитой (продавленной) скважины 3 и уплотненной зоны 4 как в нижней части, так и по боковой поверхности скважины 3.
В нижнюю часть обсадной трубы 1 в полость башмака-пробойника 2 вставляют башмак-уширитель 5. В нижнюю часть обсадной трубы 1 над башмаком-уширителем 5 засыпают дискретно (поочередно) грунтовый материал с различной степенью сжимаемости без уплотнения. Вначале отсыпают жесткий грунтовый материал 6, затем сыпучий грунтовый материал 7, повторяют поочередную засыпку этими грунтовыми материалами до заполнения обсадной трубы 1 на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3.
Дискретную отсыпку в обсадную трубу 1 грунтового материала с различной степенью сжимаемости осуществляют, например, с чередованием отсыпки жесткого грунтового материала 6 (щебня, гравия и т.п.) с сыпучим грунтовым материалом, например местным песчаным грунтом или аналогичными устойчивыми к распаду отходами промышленных производств, близкими по гранулометрическому составу песчаным грунтам (формовочная земля и т.п.). В последнем случае достигается определенная экономическая эффективность за счет утилизации экологически чистых отходов промышленных производств.
Башмак-пробойник 2 и башмак-уширитель 5 выполняют металлическим, бетонным или комбинированным и т.п. с соответствующими оптимальными углами заострения, обеспечивающими наиболее эффективные пробивку скважины и образование уширенного основания из жесткого грунтового материала. Башмак-уширитель 5 выполнен с конусным заострением с обеих противоположных сторон. Башмак-пробойник 2 выполнен с открытой сверху конусной полостью.
Углы заострения башмака-пробойника 2 и башмака-уширителя 5 назначают соответственно для достижения, как отмечалось выше, наибольшего эффекта уплотнения грунтов основания в нижней и формирования уширенного основания 9 из уплотненного (втрамбованного) жесткого грунтового материала 6 над башмаком-уширителем 5.
Торец обсадной трубы 1 вставляют в полость башмака пробойника 2. Для исключения попадания воды во внутреннюю полость обсадной трубы 1 на контакте ее с башмаком-пробойником 2 укладывают водонепроницаемую прокладку.
Следует также отметить, что пробивку (продавливание) скважины 3 возможно осуществлять (фиг. 6-10) инвентарной обсадной металлической трубой 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, вставляемым во внутреннюю полость башмака-пробойника 2 с последующей установкой в трубу 11 башмака-уширителя 5, отсыпкой сверху его последовательно жесткого и сыпучего грунтового материала 6 и 7 и извлечением ее из скважины 3 с приложением при необходимости к ней вибрации и погружением в заполненную скважину 3 сборной железобетонной сваи 8. Т.е. используется известный технологический прием по устройству вертикальных песчаных дрен или набивных свай.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы 11 с раскрывающимся наконечником 12 повторно погружают в скважину 3 эту обсадную трубу 11 без башмака-пробойника наконечником в отсыпку в нижней части скважины из жесткого грунтового материала над башмаком-уширителем, засыпают в обсадную трубу 11 на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу 11 с полным заполнением скважины 3 указанными материалами.
Повторное погружение обсадной трубы 11 в скважину 3, засыпку материала в обсадную трубу 11 и извлечение обсадной трубы 11 с заполнением скважины 3 грунтовым материалом могут осуществлять один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по второму варианту осуществляется следующим образом (фиг. 11-14). Пробивают скважину 3 так же, как в способе по первому варианту. После установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в нижнюю часть обсадной трубы 1 над ним жесткого грунтового материала поднимают обсадную трубу 1 на высоту отсыпки и формируют (послойно отсыпают и втрамбовывают в заданном объеме) уширенное основание 9 с помощью инвентарной или железобетонной сваи 13, оборудованной на торце, например, съемным наконечником 14, как и в прототипе, с соответствующим углом заострения, обычно в пределах 30-180°. Для предотвращения возможного поступления подземных вод вначале в нижнюю часть обсадной трубы 1, а затем в скважину 3 при формировании уширенного основания послойную отсыпку, например, из щебня осуществляют с предварительной пропиткой его противофильтрационной жидкостью из продуктов перегонки нефти (битумная эмульсия, жидкий битум и т.п.). Затем засыпают в обсадную трубу 1 сыпучий материал или поочередно сыпучий и жесткий грунтовый материал на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3. Аналогичным образом возможно увеличение несущей способности сваи осуществлять и при использовании обсадной трубы с раскрывающимся наконечником.
Для пробивки скважины 3, как и в способе по первому варианту, может использоваться либо обсадная инвентарная металлическая труба 1, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 2, либо обсадная инвентарная металлическая труба 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 3.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с полным заполнением скважины грунтовым материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по третьему варианту осуществляется следующим образом (фиг. 15-19). При относительно благоприятных инженерно-геологических и гидрологических условиях, когда во время пробивки (продавливания) скважины 3, установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в скважину жесткого и др. сыпучего грунтового материала 6 и 7 практически полностью исключается приток подземной воды в скважину 3 из-за образования по всему контуру скважины 3 уплотненной зоны 4 грунта с низкой фильтрационной способностью и обеспечивается тем самым устойчивость стенок скважины от обрушения, пробивку выполняют инвентарной или сборной железобетонной сваей 15 с установкой ее торца во внутреннюю полость башмака-пробойника 2. После пробивки сваю 15 извлекают и засыпают послойно-поочередно в скважину 3 жесткий грунтовый материал 6 и сыпучий грунтовый материал 7. Далее способ осуществляется так же, как в первом варианте.
Во всех вариантах способа возможно также при соответствующем обосновании осуществлять засыпку в обсадную трубу или в скважину поверх отсыпки из жесткого грунтового материала или уширенного основания только сыпучего грунтового материала или отходов промышленных производств.
Сокращение времени и трудозатрат в вариантах предложенного способа достигается за счет использования для пробивки-продавливания скважины 3 только обсадной трубы 1 (первый и второй варианты) или инвентарной или сборной железобетонной сваи 11 (третий вариант) с башмаком-пробойником 2 с внутренней полостью, а также вставляемого в эту полость башмака-уширителя 5 для создания уширенного основания 9 после образования скважины 3. Кроме того, отсыпка в обсадную трубу 1 или образованную скважину 3 различных материалов позволяет более полно использовать (утилизировать) местные сыпучий грунтовый материал с различной степенью сжимаемости или экологически чистые мелкодисперсные отходы промышленных производств (формовочная земля и т.п.), а возможность послойной отсыпки и втрамбовывания в нижнюю часть образованной скважины 3 над башмаком-уширителем 5 в водонасыщенных грунтах дополнительного объема жесткого грунтового материала 6 при приподнятой обсадной трубе 1 обеспечивает увеличение размеров уширенного основания, а следовательно, и его несущей способности и сваи. Помимо этого, установлена возможность использования инвентарных свай с раскрывающимся наконечником в нижней части, оборудованной для пробивки скважин башмаком-пробойником.
Таким образом, наиболее значимыми преимуществами и особенностями предлагаемого способа по сравнению с известными техническими решениями является возможность пробивки скважины, формирования уширенного основания, погружения сваи в отсыпанный без уплотнения в пробитую скважину, в том числе дискретно жесткий грунтовый материал (или чередуя его при соответствующем обосновании с местным сыпучим грунтом или экологически чистыми мелкодисперсными отходами промышленных производств) с существенным сокращением трудозатрат, времени на устройство свайного фундамента в слабых влажных и водонасыщенных грунтах за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также увеличением надежности с созданием вокруг и под скважиной уплотненных зон.
edrid.ru
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине в слабых водонасыщенных грунтах (варианты)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу устройства фундаментов глубокого заложения из сборных (заводской готовности) забивных свай в пробитых (продавленных) скважинах с уширенным основанием-пятой в слабых влажных (переувлажненных) и водонасыщенных грунтах.
Из существующих способов известно устройство набивных свай в пробитых скважинах типа «Вибро» (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981). Пробивку скважины осуществляют инвентарной обсадной трубой, снабженной в нижней части конусным башмаком-заглушкой, который используется главным образом для исключения попадания грунта и свободной воды в трубу при образовании скважины, а также снижения лобового сопротивления по торцу обсадной трубы при ее погружении в грунт. После погружения обсадной трубы на заданную глубину в нее устанавливают арматурный каркас и заполняют литым бетоном с извлечением обсадной трубы. Основными недостатками этого способа являются: низкая несущая способность сваи на вертикальные нагрузки по торцу и длительность ее изготовления из-за необходимости набора бетоном требуемой прочности, особенно в водонасыщенных грунтах, и в связи с этим низкая надежность расчетных значений несущей способности сваи и т.п.
В настоящее время широко применяются в различных грунтовых условиях забивные призматические, реже пирамидальные, ромбовидные и др. сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011).
Однако этим сваям присущи недостатки, основным из которых в рассматриваемых грунтовых условиях является невысокая несущая способность свай в слабых и др. грунтах и особенно при опирании их на грунты с достаточно высокой сжимаемостью.
Из известных следует отметить способ возведения свайного фундамента из забивных свай на просадочных грунтах с II типом по просадочности по SU 885446, из которого известно устройство свайного фундамента с образованием скважин, оси которых совпадают с проектным положением осей свай и заполненных дренирующим материалом, при этом сваи выполнены с возможностью замачивания и погружения в скважины, которые образуют на всю глубину просадочного грунта с заглублением в подстилающий непросадочный грунт. После заполнения скважин дренирующим материалом осуществляют обвалование территории по периметру сооружения, покрывают обвалованную площадь слоем дренирующего материала, причем замачивание осуществляют путем заливки воды на обвалованную территорию и выдерживания в течение 15-30 дней, после чего погружают сваи в скважины.
По способу возведения свайного фундамента по SU 885446 необходимо отметить следующее:
а) рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты со II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса;
б) в соответствии с ранее действующими (Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1977; Кругов В.И., Галицкий В.Г. и др. Уплотнение просадочных грунтов. М.: Стройиздат, 1974) и сохранившимися до настоящего времени требованиями (Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986) дренажные скважины должны выполняться путем бурения с выборкой грунта без создания вокруг и под ними уплотненных зон. В случаях выполнения скважин путем пробивки и создания вокруг них уплотненных зон весьма существенно снижается фильтрационная способность дренажных скважин, т.е. они будут выполнять функцию армирующих элементов и сдерживать интенсивность уплотнения грунтов, поэтому оказываются неэффективными;
в) для того чтобы обеспечить создание вокруг и особенно под сваей уплотненных зон, при которых достигается повышение несущей способности сваи, необходимо снижение влажности грунтов от полного водонасыщения ωs до значения, близкого к оптимальной влажности ωо, обычно равной ωo=ωр (ωр - влажность на границе пластичности). Такое снижение влажности, как правило, происходит в течение 10-20 суток после прекращения замачивания, т.е. только спустя это время следует погружать забивную сваю в дренажную скважину. В связи с чем, если погружать сваю сразу же после прекращения замачивания, когда грунт находится в состоянии практически полного водонасыщения (степень влажности Sr≥0,8-0,9), то погружение сваи будет происходить практически без уплотнения околосвайного грунта и главным образом за счет выпора грунта в стороны с весьма существенным подъемом его поверхности вокруг скважины и частичным разуплотнением грунта вокруг и под сваей.
Таким образом, от момента выполнения дренажной скважины до погружения в нее забивной сваи по SU 885446 требуется около 2-3-х месяцев. По предлагаемому способу это время может быть сокращено в зависимости от грунтовых условий до нескольких (1-2-х) часов;
г) выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой по SU 885446 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.
Из известных способов следует также отметить патент на полезную модель сваи (RU 62619 U1, E02D 5/30), где процесс изготовления забивной сборной железобетонной сваи заводской готовности осуществляют следующим образом. Перед погружением сваи образуют лидерную скважину, 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.
1. 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 несущей способности их преимущественно достигается за счет применения мероприятий, связанных именно с нижней частью свай путем устройства уширений, упрочнения грунтов и т.п. По рассматриваемому патенту повышение несущей способности свай предусматривается только по их боковой поверхности, что всегда менее эффективно.
2. 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.
3. 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.
4. Неэффективны в переувлажненных и тем более в водонасыщенных 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 из известных к предлагаемому способу, принятым за прототип, является способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием в рассматриваемых грунтовых условиях (RU 2582530 С2, E02D 5/00, опуб. 27.04.2016), включающий пробивку скважины с использованием сваи с башмаком-пробойником в нижней части под защитой обсадной трубы, над которым затем формируют уширенное основание из жесткого грунтового материала, поверх которого отсыпают без уплотнения грунтовый материал с последующим извлечением обсадной трубы из скважины, погружением в нее забивной железобетонной сваи и окончательным формированием уширенного основания и уплотненной зоны как в нижней, так и по боковой поверхности забивной сваи.
Основными недостатками этого способа являются высокая трудоемкость, относительно низкая надежность выполнения сваи в слабых влажных (переувлажненных) и тем более в водонасыщенных грунтах, а также длительность ее устройства. Трудоемкость и длительность этого способа заключается в том, что пробивку (продавливание) скважины в слабых влажных и в водонасыщенных грунтах выполняют под защитой обсадной трубы, т.е. пробивку скважины чередуют с погружением обсадной трубы с открытым нижним концом. Низкая надежность связана прежде всего с достаточно высокой вероятностью поступления подземных вод в скважину как в процессе ее пробивки, так и при формировании нижнего уширенного основания, особенно при наличии напорных вод.
Задача, на решение которой направлен предложенный способ, заключается в создании способа устройства свайного фундамента из забивных свай в пробитых (продавливаемых) скважинах в слабых влажных и водонасыщенных грунтах с уширенным основанием-пятой, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного способа, заключается в снижении трудоемкости, сокращении времени за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также в повышении надежности и тем самым увеличении эффективности применения свайных фундаментов в слабых влажных и водонасыщенных грунтах.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по первому варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, извлечения обсадной трубы, заполнения скважины засыпкой с последующим погружением в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала в нижней части скважины над башмаком-пробойником достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего осуществляют погружение железобетонной сваи в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
В одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых, например в заторфованных, заиленных, грунтах после извлечения обсадной трубы повторно погружают в скважину инвентарную обсадную трубу с раскрывающимся наконечником без башмака-пробойника с погружением наконечника в жесткий грунтовый материал над башмаком-уширителем, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины указанным материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом осуществляют один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по второму варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку, извлечения обсадной трубы и погружения в засыпанный материал забивной железобетонной сваи достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал, поднимают обсадную трубу на высоту засыпки, формирование уширенного основания осуществляют путем втрамбовывания жесткого грунтового материала с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи, снабженной на торце съемным наконечником, и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают железобетонную сваю в скважину с формированием дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
При этом в одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых грунтах после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают в него сборную железобетонную сваю.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по третьему варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником в нижней части, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку без уплотнения и погружают в засыпанный материал забивную железобетонную сваю, достигается тем, что для пробивки или продавливания скважины используют указанную сваю с башмаком-пробойником, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую вставляют торец сваи и в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, извлекают инвентарную или забивную железобетонную сваю, засыпают в скважину в ее нижнюю часть жесткий грунтовый материал и затем на всю ее высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, после чего погружают забивную железобетонную сваю в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
Во всех вариантах способа в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
Варианты предлагаемого способа поясняются чертежами.
На фиг. 1-5 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 1 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части башмаком-пробойником с внутренней полостью, и погружаемая в грунт, например, сваебойной (или вдавливающей) установкой на заданную глубину с образованием уплотненной зоны вокруг пробитой скважины; на фиг. 2 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость башмака-пробойника башмаком-уширителем, например, с помощью лебедки копровой установки; на фиг. 3 изображена отсыпка в нижней части обсадной трубы из жесткого грунтового материала (щебень, гравий и т.п.), поверх которой выполнена отсыпка из сыпучего грунтового материала, в том числе дискретно, на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины после извлечения обсадной трубы из скважины; на фиг. 4 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал с формированием уширенного основания и дополнительной уплотненной зоны в пределах уширения и боковой поверхности забивной сваи; на фиг. 5 - узел А на фиг. 2 в увеличенном масштабе.
На фиг. 6-10 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы с раскрывающимся наконечником в нижней части, вставленным во внутреннюю полость башмака-пробойника: на фиг. 6 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части раскрывающимся наконечником и башмаком-пробойником; на фиг. 7 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость раскрывающегося наконечника башмаком-уширителем; на фиг. 8 изображена отсыпка, как на фиг. 3, после извлечения обсадной трубы; на фиг. 9 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал, как на фиг. 4; на фиг. 10 - узел А на фиг. 7 в увеличенном масштабе.
На фиг. 11-14 показаны этапы устройства забивной сваи по второму варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 11 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженная в нижней части башмаком-пробойником, установленным в полость башмака-пробойника башмаком-уширителем и засыпанная в нижней части жестким грунтовым материалом; на фиг. 12 изображены подъем обсадной трубы на высоту засыпки и послойное формирование уширенного основания с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи со съемным наконечником; на фиг. 13 изображена засыпка в обсадную трубу над уширенным основанием поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 14 показана забивная железобетонная свая с погружением ее торца в уширенное основание после извлечения из скважины обсадной трубы с окончательным формированием уширенного основания и дополнительной зоны уплотнения грунта.
На фиг. 15-19 показаны этапы устройства забивной сваи по третьему варианту с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником: на фиг. 15 изображена скважина, пробитая или продавленная инвентарной или забивной железобетонной сваей с башмаком-пробойником; на фиг. 16 изображена установка во внутреннюю полость башмака-пробойника башмака-уширителя; на фиг. 17 изображена отсыпка в нижнюю часть скважины жесткого грунтового материала и над ним поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 18 изображено погружение в скважину забивной сваи с образованием уширенного основания; на фиг. 19 - узел А на фиг. 16 в увеличенном масштабе.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по первому варианту осуществляется следующим образом (фиг. 1-5). Перед забивкой (погружением) инвентарной обсадной трубы 1 башмак-пробойник 2 устанавливают на месте будущей скважины, затем опускают на него инвентарную обсадную трубу 1 и погружают ее, например, штанговым дизель-молотом или вдавливающей установкой в грунт с образованием пробитой (продавленной) скважины 3 и уплотненной зоны 4 как в нижней части, так и по боковой поверхности скважины 3.
В нижнюю часть обсадной трубы 1 в полость башмака-пробойника 2 вставляют башмак-уширитель 5. В нижнюю часть обсадной трубы 1 над башмаком-уширителем 5 засыпают дискретно (поочередно) грунтовый материал с различной степенью сжимаемости без уплотнения. Вначале отсыпают жесткий грунтовый материал 6, затем сыпучий грунтовый материал 7, повторяют поочередную засыпку этими грунтовыми материалами до заполнения обсадной трубы 1 на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3.
Дискретную отсыпку в обсадную трубу 1 грунтового материала с различной степенью сжимаемости осуществляют, например, с чередованием отсыпки жесткого грунтового материала 6 (щебня, гравия и т.п.) с сыпучим грунтовым материалом, например местным песчаным грунтом или аналогичными устойчивыми к распаду отходами промышленных производств, близкими по гранулометрическому составу песчаным грунтам (формовочная земля и т.п.). В последнем случае достигается определенная экономическая эффективность за счет утилизации экологически чистых отходов промышленных производств.
Башмак-пробойник 2 и башмак-уширитель 5 выполняют металлическим, бетонным или комбинированным и т.п. с соответствующими оптимальными углами заострения, обеспечивающими наиболее эффективные пробивку скважины и образование уширенного основания из жесткого грунтового материала. Башмак-уширитель 5 выполнен с конусным заострением с обеих противоположных сторон. Башмак-пробойник 2 выполнен с открытой сверху конусной полостью.
Углы заострения башмака-пробойника 2 и башмака-уширителя 5 назначают соответственно для достижения, как отмечалось выше, наибольшего эффекта уплотнения грунтов основания в нижней и формирования уширенного основания 9 из уплотненного (втрамбованного) жесткого грунтового материала 6 над башмаком-уширителем 5.
Торец обсадной трубы 1 вставляют в полость башмака пробойника 2. Для исключения попадания воды во внутреннюю полость обсадной трубы 1 на контакте ее с башмаком-пробойником 2 укладывают водонепроницаемую прокладку.
Следует также отметить, что пробивку (продавливание) скважины 3 возможно осуществлять (фиг. 6-10) инвентарной обсадной металлической трубой 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, вставляемым во внутреннюю полость башмака-пробойника 2 с последующей установкой в трубу 11 башмака-уширителя 5, отсыпкой сверху его последовательно жесткого и сыпучего грунтового материала 6 и 7 и извлечением ее из скважины 3 с приложением при необходимости к ней вибрации и погружением в заполненную скважину 3 сборной железобетонной сваи 8. Т.е. используется известный технологический прием по устройству вертикальных песчаных дрен или набивных свай.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы 11 с раскрывающимся наконечником 12 повторно погружают в скважину 3 эту обсадную трубу 11 без башмака-пробойника наконечником в отсыпку в нижней части скважины из жесткого грунтового материала над башмаком-уширителем, засыпают в обсадную трубу 11 на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу 11 с полным заполнением скважины 3 указанными материалами.
Повторное погружение обсадной трубы 11 в скважину 3, засыпку материала в обсадную трубу 11 и извлечение обсадной трубы 11 с заполнением скважины 3 грунтовым материалом могут осуществлять один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по второму варианту осуществляется следующим образом (фиг. 11-14). Пробивают скважину 3 так же, как в способе по первому варианту. После установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в нижнюю часть обсадной трубы 1 над ним жесткого грунтового материала поднимают обсадную трубу 1 на высоту отсыпки и формируют (послойно отсыпают и втрамбовывают в заданном объеме) уширенное основание 9 с помощью инвентарной или железобетонной сваи 13, оборудованной на торце, например, съемным наконечником 14, как и в прототипе, с соответствующим углом заострения, обычно в пределах 30-180°. Для предотвращения возможного поступления подземных вод вначале в нижнюю часть обсадной трубы 1, а затем в скважину 3 при формировании уширенного основания послойную отсыпку, например, из щебня осуществляют с предварительной пропиткой его противофильтрационной жидкостью из продуктов перегонки нефти (битумная эмульсия, жидкий битум и т.п.). Затем засыпают в обсадную трубу 1 сыпучий материал или поочередно сыпучий и жесткий грунтовый материал на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3. Аналогичным образом возможно увеличение несущей способности сваи осуществлять и при использовании обсадной трубы с раскрывающимся наконечником.
Для пробивки скважины 3, как и в способе по первому варианту, может использоваться либо обсадная инвентарная металлическая труба 1, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 2, либо обсадная инвентарная металлическая труба 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 3.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с полным заполнением скважины грунтовым материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по третьему варианту осуществляется следующим образом (фиг. 15-19). При относительно благоприятных инженерно-геологических и гидрологических условиях, когда во время пробивки (продавливания) скважины 3, установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в скважину жесткого и др. сыпучего грунтового материала 6 и 7 практически полностью исключается приток подземной воды в скважину 3 из-за образования по всему контуру скважины 3 уплотненной зоны 4 грунта с низкой фильтрационной способностью и обеспечивается тем самым устойчивость стенок скважины от обрушения, пробивку выполняют инвентарной или сборной железобетонной сваей 15 с установкой ее торца во внутреннюю полость башмака-пробойника 2. После пробивки сваю 15 извлекают и засыпают послойно-поочередно в скважину 3 жесткий грунтовый материал 6 и сыпучий грунтовый материал 7. Далее способ осуществляется так же, как в первом варианте.
Во всех вариантах способа возможно также при соответствующем обосновании осуществлять засыпку в обсадную трубу или в скважину поверх отсыпки из жесткого грунтового материала или уширенного основания только сыпучего грунтового материала или отходов промышленных производств.
Сокращение времени и трудозатрат в вариантах предложенного способа достигается за счет использования для пробивки-продавливания скважины 3 только обсадной трубы 1 (первый и второй варианты) или инвентарной или сборной железобетонной сваи 11 (третий вариант) с башмаком-пробойником 2 с внутренней полостью, а также вставляемого в эту полость башмака-уширителя 5 для создания уширенного основания 9 после образования скважины 3. Кроме того, отсыпка в обсадную трубу 1 или образованную скважину 3 различных материалов позволяет более полно использовать (утилизировать) местные сыпучий грунтовый материал с различной степенью сжимаемости или экологически чистые мелкодисперсные отходы промышленных производств (формовочная земля и т.п.), а возможность послойной отсыпки и втрамбовывания в нижнюю часть образованной скважины 3 над башмаком-уширителем 5 в водонасыщенных грунтах дополнительного объема жесткого грунтового материала 6 при приподнятой обсадной трубе 1 обеспечивает увеличение размеров уширенного основания, а следовательно, и его несущей способности и сваи. Помимо этого, установлена возможность использования инвентарных свай с раскрывающимся наконечником в нижней части, оборудованной для пробивки скважин башмаком-пробойником.
Таким образом, наиболее значимыми преимуществами и особенностями предлагаемого способа по сравнению с известными техническими решениями является возможность пробивки скважины, формирования уширенного основания, погружения сваи в отсыпанный без уплотнения в пробитую скважину, в том числе дискретно жесткий грунтовый материал (или чередуя его при соответствующем обосновании с местным сыпучим грунтом или экологически чистыми мелкодисперсными отходами промышленных производств) с существенным сокращением трудозатрат, времени на устройство свайного фундамента в слабых влажных и водонасыщенных грунтах за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также увеличением надежности с созданием вокруг и под скважиной уплотненных зон.
edrid.ru
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине в слабых водонасыщенных грунтах (варианты)
Изобретение относится к области строительства фундаментов глубокого заложения из сборных забивных свай в пробитых скважинах с уширенным основанием в слабых влажных и додонасыщенных грунтах. Способ устройства забивной сваи путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, извлечения обсадной трубы, заполнения скважины засыпкой с последующим погружением в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала в нижней части скважины над башмаком-пробойником. Пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель. Засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал. Извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего осуществляют погружение железобетонной сваи в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины. Технический результат состоит в повышении надежности и тем самым увеличении эффективности применения свайных фундаментов в пробитых скважинах в слабых влажных (переувлажненных) и водонасыщенных грунтах, снижении трудоемкости возведения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 19 ил.
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу устройства фундаментов глубокого заложения из сборных (заводской готовности) забивных свай в пробитых (продавленных) скважинах с уширенным основанием-пятой в слабых влажных (переувлажненных) и водонасыщенных грунтах.
Из существующих способов известно устройство набивных свай в пробитых скважинах типа «Вибро» (Ганичев И.А. Устройство искусственных оснований и фундаментов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1981). Пробивку скважины осуществляют инвентарной обсадной трубой, снабженной в нижней части конусным башмаком-заглушкой, который используется главным образом для исключения попадания грунта и свободной воды в трубу при образовании скважины, а также снижения лобового сопротивления по торцу обсадной трубы при ее погружении в грунт. После погружения обсадной трубы на заданную глубину в нее устанавливают арматурный каркас и заполняют литым бетоном с извлечением обсадной трубы. Основными недостатками этого способа являются: низкая несущая способность сваи на вертикальные нагрузки по торцу и длительность ее изготовления из-за необходимости набора бетоном требуемой прочности, особенно в водонасыщенных грунтах, и в связи с этим низкая надежность расчетных значений несущей способности сваи и т.п.
В настоящее время широко применяются в различных грунтовых условиях забивные призматические, реже пирамидальные, ромбовидные и др. сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011).
Однако этим сваям присущи недостатки, основным из которых в рассматриваемых грунтовых условиях является невысокая несущая способность свай в слабых и др. грунтах и особенно при опирании их на грунты с достаточно высокой сжимаемостью.
Из известных следует отметить способ возведения свайного фундамента из забивных свай на просадочных грунтах с II типом по просадочности по SU 885446, из которого известно устройство свайного фундамента с образованием скважин, оси которых совпадают с проектным положением осей свай и заполненных дренирующим материалом, при этом сваи выполнены с возможностью замачивания и погружения в скважины, которые образуют на всю глубину просадочного грунта с заглублением в подстилающий непросадочный грунт. После заполнения скважин дренирующим материалом осуществляют обвалование территории по периметру сооружения, покрывают обвалованную площадь слоем дренирующего материала, причем замачивание осуществляют путем заливки воды на обвалованную территорию и выдерживания в течение 15-30 дней, после чего погружают сваи в скважины.
По способу возведения свайного фундамента по SU 885446 необходимо отметить следующее:
а) рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты со II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса;
б) в соответствии с ранее действующими (Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1977; Кругов В.И., Галицкий В.Г. и др. Уплотнение просадочных грунтов. М.: Стройиздат, 1974) и сохранившимися до настоящего времени требованиями (Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986) дренажные скважины должны выполняться путем бурения с выборкой грунта без создания вокруг и под ними уплотненных зон. В случаях выполнения скважин путем пробивки и создания вокруг них уплотненных зон весьма существенно снижается фильтрационная способность дренажных скважин, т.е. они будут выполнять функцию армирующих элементов и сдерживать интенсивность уплотнения грунтов, поэтому оказываются неэффективными;
в) для того чтобы обеспечить создание вокруг и особенно под сваей уплотненных зон, при которых достигается повышение несущей способности сваи, необходимо снижение влажности грунтов от полного водонасыщения ωs до значения, близкого к оптимальной влажности ωо, обычно равной ωo=ωр (ωр - влажность на границе пластичности). Такое снижение влажности, как правило, происходит в течение 10-20 суток после прекращения замачивания, т.е. только спустя это время следует погружать забивную сваю в дренажную скважину. В связи с чем, если погружать сваю сразу же после прекращения замачивания, когда грунт находится в состоянии практически полного водонасыщения (степень влажности Sr≥0,8-0,9), то погружение сваи будет происходить практически без уплотнения околосвайного грунта и главным образом за счет выпора грунта в стороны с весьма существенным подъемом его поверхности вокруг скважины и частичным разуплотнением грунта вокруг и под сваей.
Таким образом, от момента выполнения дренажной скважины до погружения в нее забивной сваи по SU 885446 требуется около 2-3-х месяцев. По предлагаемому способу это время может быть сокращено в зависимости от грунтовых условий до нескольких (1-2-х) часов;
г) выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой по SU 885446 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.
Из известных способов следует также отметить патент на полезную модель сваи (RU 62619 U1, E02D 5/30), где процесс изготовления забивной сборной железобетонной сваи заводской готовности осуществляют следующим образом. Перед погружением сваи образуют лидерную скважину, 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.
1. 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 несущей способности их преимущественно достигается за счет применения мероприятий, связанных именно с нижней частью свай путем устройства уширений, упрочнения грунтов и т.п. По рассматриваемому патенту повышение несущей способности свай предусматривается только по их боковой поверхности, что всегда менее эффективно.
2. 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.
3. 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.
4. Неэффективны в переувлажненных и тем более в водонасыщенных 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 из известных к предлагаемому способу, принятым за прототип, является способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием в рассматриваемых грунтовых условиях (RU 2582530 С2, E02D 5/00, опуб. 27.04.2016), включающий пробивку скважины с использованием сваи с башмаком-пробойником в нижней части под защитой обсадной трубы, над которым затем формируют уширенное основание из жесткого грунтового материала, поверх которого отсыпают без уплотнения грунтовый материал с последующим извлечением обсадной трубы из скважины, погружением в нее забивной железобетонной сваи и окончательным формированием уширенного основания и уплотненной зоны как в нижней, так и по боковой поверхности забивной сваи.
Основными недостатками этого способа являются высокая трудоемкость, относительно низкая надежность выполнения сваи в слабых влажных (переувлажненных) и тем более в водонасыщенных грунтах, а также длительность ее устройства. Трудоемкость и длительность этого способа заключается в том, что пробивку (продавливание) скважины в слабых влажных и в водонасыщенных грунтах выполняют под защитой обсадной трубы, т.е. пробивку скважины чередуют с погружением обсадной трубы с открытым нижним концом. Низкая надежность связана прежде всего с достаточно высокой вероятностью поступления подземных вод в скважину как в процессе ее пробивки, так и при формировании нижнего уширенного основания, особенно при наличии напорных вод.
Задача, на решение которой направлен предложенный способ, заключается в создании способа устройства свайного фундамента из забивных свай в пробитых (продавливаемых) скважинах в слабых влажных и водонасыщенных грунтах с уширенным основанием-пятой, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного способа, заключается в снижении трудоемкости, сокращении времени за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также в повышении надежности и тем самым увеличении эффективности применения свайных фундаментов в слабых влажных и водонасыщенных грунтах.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по первому варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, извлечения обсадной трубы, заполнения скважины засыпкой с последующим погружением в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала в нижней части скважины над башмаком-пробойником достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего осуществляют погружение железобетонной сваи в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
В одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых, например в заторфованных, заиленных, грунтах после извлечения обсадной трубы повторно погружают в скважину инвентарную обсадную трубу с раскрывающимся наконечником без башмака-пробойника с погружением наконечника в жесткий грунтовый материал над башмаком-уширителем, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины указанным материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом осуществляют один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по второму варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку, извлечения обсадной трубы и погружения в засыпанный материал забивной железобетонной сваи достигается тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал, поднимают обсадную трубу на высоту засыпки, формирование уширенного основания осуществляют путем втрамбовывания жесткого грунтового материала с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи, снабженной на торце съемным наконечником, и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают железобетонную сваю в скважину с формированием дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
При этом в одном частном случае для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую или железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
В другом частном случае для пробивки или продавливания скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
При этом для повышения несущей способности сваи в слабых грунтах после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают в него сборную железобетонную сваю.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи по третьему варианту путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником в нижней части, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку без уплотнения и погружают в засыпанный материал забивную железобетонную сваю, достигается тем, что для пробивки или продавливания скважины используют указанную сваю с башмаком-пробойником, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую вставляют торец сваи и в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, извлекают инвентарную или забивную железобетонную сваю, засыпают в скважину в ее нижнюю часть жесткий грунтовый материал и затем на всю ее высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, после чего погружают забивную железобетонную сваю в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
Во всех вариантах способа в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
Варианты предлагаемого способа поясняются чертежами.
На фиг. 1-5 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 1 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части башмаком-пробойником с внутренней полостью, и погружаемая в грунт, например, сваебойной (или вдавливающей) установкой на заданную глубину с образованием уплотненной зоны вокруг пробитой скважины; на фиг. 2 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость башмака-пробойника башмаком-уширителем, например, с помощью лебедки копровой установки; на фиг. 3 изображена отсыпка в нижней части обсадной трубы из жесткого грунтового материала (щебень, гравий и т.п.), поверх которой выполнена отсыпка из сыпучего грунтового материала, в том числе дискретно, на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины после извлечения обсадной трубы из скважины; на фиг. 4 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал с формированием уширенного основания и дополнительной уплотненной зоны в пределах уширения и боковой поверхности забивной сваи; на фиг. 5 - узел А на фиг. 2 в увеличенном масштабе.
На фиг. 6-10 показаны этапы устройства забивной сваи по первому варианту с использованием обсадной трубы с раскрывающимся наконечником в нижней части, вставленным во внутреннюю полость башмака-пробойника: на фиг. 6 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженной в нижней части раскрывающимся наконечником и башмаком-пробойником; на фиг. 7 изображена пробитая скважина с установленным во внутреннюю полость раскрывающегося наконечника башмаком-уширителем; на фиг. 8 изображена отсыпка, как на фиг. 3, после извлечения обсадной трубы; на фиг. 9 изображена забивная свая с погружением ее торца в жесткий грунтовый материал, как на фиг. 4; на фиг. 10 - узел А на фиг. 7 в увеличенном масштабе.
На фиг. 11-14 показаны этапы устройства забивной сваи по второму варианту с использованием обсадной трубы, торец которой вставлен в полость башмака пробойника: на фиг. 11 изображена скважина, пробитая или продавленная обсадной трубой, снабженная в нижней части башмаком-пробойником, установленным в полость башмака-пробойника башмаком-уширителем и засыпанная в нижней части жестким грунтовым материалом; на фиг. 12 изображены подъем обсадной трубы на высоту засыпки и послойное формирование уширенного основания с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи со съемным наконечником; на фиг. 13 изображена засыпка в обсадную трубу над уширенным основанием поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 14 показана забивная железобетонная свая с погружением ее торца в уширенное основание после извлечения из скважины обсадной трубы с окончательным формированием уширенного основания и дополнительной зоны уплотнения грунта.
На фиг. 15-19 показаны этапы устройства забивной сваи по третьему варианту с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником: на фиг. 15 изображена скважина, пробитая или продавленная инвентарной или забивной железобетонной сваей с башмаком-пробойником; на фиг. 16 изображена установка во внутреннюю полость башмака-пробойника башмака-уширителя; на фиг. 17 изображена отсыпка в нижнюю часть скважины жесткого грунтового материала и над ним поочередно сыпучего и жесткого грунтового материала; на фиг. 18 изображено погружение в скважину забивной сваи с образованием уширенного основания; на фиг. 19 - узел А на фиг. 16 в увеличенном масштабе.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по первому варианту осуществляется следующим образом (фиг. 1-5). Перед забивкой (погружением) инвентарной обсадной трубы 1 башмак-пробойник 2 устанавливают на месте будущей скважины, затем опускают на него инвентарную обсадную трубу 1 и погружают ее, например, штанговым дизель-молотом или вдавливающей установкой в грунт с образованием пробитой (продавленной) скважины 3 и уплотненной зоны 4 как в нижней части, так и по боковой поверхности скважины 3.
В нижнюю часть обсадной трубы 1 в полость башмака-пробойника 2 вставляют башмак-уширитель 5. В нижнюю часть обсадной трубы 1 над башмаком-уширителем 5 засыпают дискретно (поочередно) грунтовый материал с различной степенью сжимаемости без уплотнения. Вначале отсыпают жесткий грунтовый материал 6, затем сыпучий грунтовый материал 7, повторяют поочередную засыпку этими грунтовыми материалами до заполнения обсадной трубы 1 на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3.
Дискретную отсыпку в обсадную трубу 1 грунтового материала с различной степенью сжимаемости осуществляют, например, с чередованием отсыпки жесткого грунтового материала 6 (щебня, гравия и т.п.) с сыпучим грунтовым материалом, например местным песчаным грунтом или аналогичными устойчивыми к распаду отходами промышленных производств, близкими по гранулометрическому составу песчаным грунтам (формовочная земля и т.п.). В последнем случае достигается определенная экономическая эффективность за счет утилизации экологически чистых отходов промышленных производств.
Башмак-пробойник 2 и башмак-уширитель 5 выполняют металлическим, бетонным или комбинированным и т.п. с соответствующими оптимальными углами заострения, обеспечивающими наиболее эффективные пробивку скважины и образование уширенного основания из жесткого грунтового материала. Башмак-уширитель 5 выполнен с конусным заострением с обеих противоположных сторон. Башмак-пробойник 2 выполнен с открытой сверху конусной полостью.
Углы заострения башмака-пробойника 2 и башмака-уширителя 5 назначают соответственно для достижения, как отмечалось выше, наибольшего эффекта уплотнения грунтов основания в нижней и формирования уширенного основания 9 из уплотненного (втрамбованного) жесткого грунтового материала 6 над башмаком-уширителем 5.
Торец обсадной трубы 1 вставляют в полость башмака пробойника 2. Для исключения попадания воды во внутреннюю полость обсадной трубы 1 на контакте ее с башмаком-пробойником 2 укладывают водонепроницаемую прокладку.
Следует также отметить, что пробивку (продавливание) скважины 3 возможно осуществлять (фиг. 6-10) инвентарной обсадной металлической трубой 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, вставляемым во внутреннюю полость башмака-пробойника 2 с последующей установкой в трубу 11 башмака-уширителя 5, отсыпкой сверху его последовательно жесткого и сыпучего грунтового материала 6 и 7 и извлечением ее из скважины 3 с приложением при необходимости к ней вибрации и погружением в заполненную скважину 3 сборной железобетонной сваи 8. Т.е. используется известный технологический прием по устройству вертикальных песчаных дрен или набивных свай.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы 11 с раскрывающимся наконечником 12 повторно погружают в скважину 3 эту обсадную трубу 11 без башмака-пробойника наконечником в отсыпку в нижней части скважины из жесткого грунтового материала над башмаком-уширителем, засыпают в обсадную трубу 11 на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу 11 с полным заполнением скважины 3 указанными материалами.
Повторное погружение обсадной трубы 11 в скважину 3, засыпку материала в обсадную трубу 11 и извлечение обсадной трубы 11 с заполнением скважины 3 грунтовым материалом могут осуществлять один раз или при соответствующем обосновании более одного раза.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по второму варианту осуществляется следующим образом (фиг. 11-14). Пробивают скважину 3 так же, как в способе по первому варианту. После установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в нижнюю часть обсадной трубы 1 над ним жесткого грунтового материала поднимают обсадную трубу 1 на высоту отсыпки и формируют (послойно отсыпают и втрамбовывают в заданном объеме) уширенное основание 9 с помощью инвентарной или железобетонной сваи 13, оборудованной на торце, например, съемным наконечником 14, как и в прототипе, с соответствующим углом заострения, обычно в пределах 30-180°. Для предотвращения возможного поступления подземных вод вначале в нижнюю часть обсадной трубы 1, а затем в скважину 3 при формировании уширенного основания послойную отсыпку, например, из щебня осуществляют с предварительной пропиткой его противофильтрационной жидкостью из продуктов перегонки нефти (битумная эмульсия, жидкий битум и т.п.). Затем засыпают в обсадную трубу 1 сыпучий материал или поочередно сыпучий и жесткий грунтовый материал на высоту, обеспечивающую полное заполнение скважины 3 после извлечения обсадной трубы 1. Извлекают обсадную трубу 1 и забивают (вдавливают) сборную железобетонную сваю 8 в заполненную скважину 3 с образованием уширенного основания 9 из жесткого грунтового материала 6 и дополнительной уплотненной зоны 10 вокруг нижней части и боковой поверхности скважины 3. Аналогичным образом возможно увеличение несущей способности сваи осуществлять и при использовании обсадной трубы с раскрывающимся наконечником.
Для пробивки скважины 3, как и в способе по первому варианту, может использоваться либо обсадная инвентарная металлическая труба 1, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 2, либо обсадная инвентарная металлическая труба 11 с раскрывающимся наконечником 12 в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника 3.
При устройстве сваи в слабых, например заторфованных, заиленных, грунтах для повышения несущей способности сваи после извлечения обсадной трубы с раскрывающимся наконечником повторно погружают в скважину эту обсадную трубу без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с полным заполнением скважины грунтовым материалом.
Повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины грунтовым материалом могут осуществлять один или при соответствующем обосновании более раз.
Способ устройства забивной сваи в пробитой скважине с уширенным основанием по третьему варианту осуществляется следующим образом (фиг. 15-19). При относительно благоприятных инженерно-геологических и гидрологических условиях, когда во время пробивки (продавливания) скважины 3, установки башмака-уширителя 5 и отсыпки в скважину жесткого и др. сыпучего грунтового материала 6 и 7 практически полностью исключается приток подземной воды в скважину 3 из-за образования по всему контуру скважины 3 уплотненной зоны 4 грунта с низкой фильтрационной способностью и обеспечивается тем самым устойчивость стенок скважины от обрушения, пробивку выполняют инвентарной или сборной железобетонной сваей 15 с установкой ее торца во внутреннюю полость башмака-пробойника 2. После пробивки сваю 15 извлекают и засыпают послойно-поочередно в скважину 3 жесткий грунтовый материал 6 и сыпучий грунтовый материал 7. Далее способ осуществляется так же, как в первом варианте.
Во всех вариантах способа возможно также при соответствующем обосновании осуществлять засыпку в обсадную трубу или в скважину поверх отсыпки из жесткого грунтового материала или уширенного основания только сыпучего грунтового материала или отходов промышленных производств.
Сокращение времени и трудозатрат в вариантах предложенного способа достигается за счет использования для пробивки-продавливания скважины 3 только обсадной трубы 1 (первый и второй варианты) или инвентарной или сборной железобетонной сваи 11 (третий вариант) с башмаком-пробойником 2 с внутренней полостью, а также вставляемого в эту полость башмака-уширителя 5 для создания уширенного основания 9 после образования скважины 3. Кроме того, отсыпка в обсадную трубу 1 или образованную скважину 3 различных материалов позволяет более полно использовать (утилизировать) местные сыпучий грунтовый материал с различной степенью сжимаемости или экологически чистые мелкодисперсные отходы промышленных производств (формовочная земля и т.п.), а возможность послойной отсыпки и втрамбовывания в нижнюю часть образованной скважины 3 над башмаком-уширителем 5 в водонасыщенных грунтах дополнительного объема жесткого грунтового материала 6 при приподнятой обсадной трубе 1 обеспечивает увеличение размеров уширенного основания, а следовательно, и его несущей способности и сваи. Помимо этого, установлена возможность использования инвентарных свай с раскрывающимся наконечником в нижней части, оборудованной для пробивки скважин башмаком-пробойником.
Таким образом, наиболее значимыми преимуществами и особенностями предлагаемого способа по сравнению с известными техническими решениями является возможность пробивки скважины, формирования уширенного основания, погружения сваи в отсыпанный без уплотнения в пробитую скважину, в том числе дискретно жесткий грунтовый материал (или чередуя его при соответствующем обосновании с местным сыпучим грунтом или экологически чистыми мелкодисперсными отходами промышленных производств) с существенным сокращением трудозатрат, времени на устройство свайного фундамента в слабых влажных и водонасыщенных грунтах за счет исключения параллельного погружения обсадной трубы и пробивки скважины инвентарной сваей или железобетонной сваей с наконечником, а также увеличением надежности с созданием вокруг и под скважиной уплотненных зон.
1. Способ устройства забивной сваи путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, извлечения обсадной трубы, заполнения скважины засыпкой с последующим погружением в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала в нижней части скважины над башмаком-пробойником, отличающийся тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего осуществляют погружение железобетонной сваи в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую обсадную трубу, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную металлическую обсадную трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после извлечения обсадной трубы повторно погружают в скважину обсадную трубу с раскрывающимся наконечником без башмака-пробойника с погружением наконечника в жесткий грунтовый материал над башмаком-уширителем, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сначала жесткий грунтовый материал и затем сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины указанным материалом.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что осуществляют повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины один или более раз.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или экологически чистые отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
7. Способ устройства забивной сваи путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием башмака-пробойника и обсадной трубы, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку, извлечения обсадной трубы и погружения в засыпанный материал забивной железобетонной сваи, отличающийся тем, что пробивку или продавливание скважины осуществляют обсадной трубой с башмаком-пробойником в нижней части, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, засыпают в обсадную трубу в нижнюю ее часть жесткий грунтовый материал, поднимают обсадную трубу на высоту засыпки, формирование уширенного основания осуществляют путем втрамбовывания жесткого грунтового материала с помощью инвентарной или забивной железобетонной сваи, снабженной на торце съемным наконечником, и затем засыпают в обсадную трубу сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, извлекают обсадную трубу с заполнением скважины на всю ее высоту засыпанным в трубу материалом, после чего погружают железобетонную сваю в скважину с формированием дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для пробивки скважины используют инвентарную металлическую обсадную трубу, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для пробивки скважины используют обсадную инвентарную металлическую трубу с раскрывающимся наконечником в нижней части, который вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что после извлечения обсадной трубы повторно погружают в скважину обсадную трубу с раскрывающимся наконечником без башмака-пробойника до верха уширенного основания, повторно засыпают в обсадную трубу на всю высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал и извлекают обсадную трубу с заполнением скважины указанным материалом.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что осуществляют повторное погружение обсадной трубы в скважину, засыпку материала в обсадную трубу и извлечение обсадной трубы с заполнением скважины один или более раз.
12. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или экологически чистые отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
13. Способ устройства забивной сваи путем образования скважины пробивкой или продавливанием ее с использованием инвентарной или забивной железобетонной сваи с башмаком-пробойником в нижней части, формирования уширенного основания из жесткого грунтового материала, поверх которого осуществляют засыпку без уплотнения и погружают в засыпанный материал забивную железобетонную сваю, отличающийся тем, что для пробивки или продавливания скважины используют указанную сваю с башмаком-пробойником, имеющим открытую сверху внутреннюю полость, в которую вставляют торец сваи и в которую после образования скважины устанавливают башмак-уширитель, извлекают инвентарную или забивную железобетонную сваю, засыпают в скважину в ее нижнюю часть жесткий грунтовый материал и затем на всю ее высоту сыпучий материал или поочередно сыпучий материал и жесткий грунтовый материал, после чего погружают забивную железобетонную сваю в скважину с формированием уширенного основания в нижней части и дополнительной уплотненной зоны вокруг скважины.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что для пробивки или продавливания скважины используют инвентарную или забивную железобетонную сваю, торец которой вставлен во внутреннюю полость башмака-пробойника.
15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что в качестве сыпучего материала используют сыпучий грунтовый материал или экологически чистые отходы промышленных производств, близкие по гранулометрическому составу песчаным грунтам.
findpatent.ru
Забивные сваи - в чем их особенности и отличие от набивных
По материалу изготовления забивные сваи могут быть деревянными, железными и железобетонными. Наибольшее распространение в современном строительстве получили ЖБИ-изделия, за счет высокой несущей способности и возможности изготовления с широким разбросом диаметра, в среднем от 20 до 80 см.
Чем отличаются набивные сваи от забивных?
Из-за схожести названия и основных характеристик готового изделия (и те и другие представляют собой столбы из армированного бетона), людям, которые впервые сталкиваются с необходимостью вникать в тему, зачастую трудно разобраться, в чем отличие забивных и набивных свай.
Характеристика забивных свай
Выполненные из железобетона, забивные сваи имеют квадратное или круглое сечение. Изготавливаются на заводе и на объект поставляются уже в готовом виде.
Длина готовых изделий составляет в среднем от 3 до 6 метров, и они наиболее часто используются при строительстве загородных или многоэтажных домов. При их установке требуется тяжелая техника (сваебойные машины), которая должны подъехать участку, где ведутся строительные работы.
После забивания свай специальными машинами в почву, их верхняя часть не всегда получается на одном уровне, иногда требуется подрезание верхушек, чтобы их выровнять по высоте. Далее, по верху свай идет установка железобетонного ростверка, с заходом в него свай (минимально на расстояние в 5 см.).
Особенности буронабивных свай
Буронабивные сваи изготавливают прямо на строительной площадке. Сначала, в намеченном месте, производится бурение скважины до определенной глубины. Если скважина имеет длину меньше, чем 2 метра, то можно производить бурение вручную, не привлекая тяжелую технику.
Дно скважины требуется расширить для подошвы сваи. Закончив бурение, в скважину монтируется каркас из арматуры. При достаточной плотности грунта, и прочных стенках скважины, допускается заливка цемента непосредственно в скважину. В других случаях, требуется применение обсадной трубы, выполненной из асбоцемента или металла, погружаемой в скважину путем вибрации, или забивания.
Разновидности ЖБ-свай по типу сечения
Забивные железобетонные сваи применяются для строительства одноэтажных и многоэтажных жилых домов, производственных и сельскохозяйственных зданий, складских помещений, мостов, эстакад, причалов, пирсов и т.д. От типа строения во многом зависят конструктивные особенности забивных столбов.
Классификация ЖБ-свай
- Сваи квадратного сечения.
Сторона квадрата может колебаться от 25 см до 40 см.
Самая распространенная разновидность в наземном строительстве, особенно в частном. Не подходят для возведения оснований под гидротехнические объекты (пирсы, причалы, мосты), зато применимы практически на любом типе грунта, вплоть до текучих.
Существует еще одна разновидность квадратных свай, так называемые сваи-колонны. Их особенностью является то, что нижняя часть такого столба погружается в землю, а верхняя поддерживает потолок первого этажа здания. То есть является колонной.
- Квадратные сваи с полостью.
Такие столбы имеют пустое пространство круглой формы внутри тела. Это позволяет снизить вес изделия и расход бетонной смеси, а, следовательно, и материальные затраты. Отличаются чуть меньшей прочностью, чем аналоги сплошного сечения, поэтому не применяются на почвах, склонных к повышенным изгибающим воздействиям. - Полые сваи круглого сечения.
Бывают двух типов – с закрытой подошвой и с открытой.
Сваи с открытой стопой, так называемые сваи-оболочки, используются в сейсмически неустойчивых районах – при погружении, внутрь такого столба набивается почва, увеличивая его устойчивость и сопротивление выдавливанию.
Столбы с закрытой подошвой используются чаще всего при возведении автодорог.
Плюсы и минусы фундаментов на забивных сваях
Этот вид фундамента очень распространен, он позволяет возводить высотные конструкции (до 60 метров), а также строить многоэтажные жилые дома, так как обладает самой высокой несущей способностью из всех разновидностей фундаментных оснований. Обусловлено это тем, что при погружении забивным методом, почва в месте установки не только не повреждается, но и дополнительно утрамбовывается. А чем прочнее земляной пласт, тем выше его несущая способность и устойчивость основания под застройку.
Основные преимущества фундамента на забивных сваях
- Имеет максимальную несущую способность.
- Очень быстро строится.
- Позволяет устанавливать опоры с большой длиной боковых поверхностей.
- Упираясь своим основанием в прочные скальные породы, свая передаёт им несущую нагрузку.
- Такой вид фундамента применяется при строительстве частных домов с несколькими этажами.
- Этот фундамент обеспечивает высочайшую прочность изделию. Согласно ГОСТу, бетонные сваи по своей прочности определяются не менее 200 кгс/ см2. Это означает, что нагрузка в 125 тонн будет выдержана самой слабой опорой. К примеру, стальными сваями удерживается нагрузка, которая не превышает 20 тонн для одной опоры.
- Обладает хорошей влагостойкостью, может выдержать большое давление воды (более 2 МПа). Деревянные сваи (лиственница), при их заглублении ниже, чем уровень грунтовых вод, устойчивы к влажности, и могут «стоять на века».
Минусы фундамента с забивными сваями
- Минусом фундаментов с забивными сваями, является высокая стоимость производимых работ, а также плата за взятое в аренду пневматическое оборудование.
- Умеренная устойчивость к морозам. Бетонные сваи выдерживают 50 циклов замерзания, с последующим оттаиванием. При использовании во время производства особого морозостойкого сорта бетона, можно увеличит этот показатель до значения в 150 циклов. Но, стальные сваи выдерживают перепады бесконечно, без ограничения во времени.
- При погружении свай в грунт наблюдается значительный уровень шума, который предусмотрен технологией производства.
- Большой вес ЖБИ-изделий. А это добавляет сложностей в транспортировке, погрузке, разгрузке, установке. Все это требует затрат на спецтехнику.
- Часто нее подходят для установки в городских условиях, так как вибрационные нагрузки на почву могут нанести вред близлежащим постройкам, коммуникационным магистралям. В таких случаях применима технология обустройства набивных свай.
- Невозможно произвести монтаж на объектах с ограниченным пространством, так как необходимо место для складирования самих свай, маневрирования сваебойной техники. На подобных участках чаша весов также склоняется в пользу буронабивной технологии.
Относительно стоимости забивных свай следует отметить, что цена будет напрямую зависеть не только от размеров выбранных вами свай, но и от применяемых при их изготовлении конструкционных материалов (бетонные, стальные, деревянные сваи).
mostopora.ru
