CC BY
123
УДК 621.373.14:624.131.384 ББК З244.11:Н654.16
Н С. СОКОЛОВ, Е.Н. КАДЫШЕВ
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА БУРОИНЪЕКЦИОННЫХ СВАЙ
Ключевые слова: электрический разрядник, твердеющий электропроводный материал, обсадная труба, набивная свая, шнековый снаряд, электроразрядная технология (ЭРТ).
Буроинъекционные сваи на основе разрядно-импульсной технологии (сваи-ЭРТ) являются уникальными конструкциями для геотехнического строительства. Использование этих свай в результате их оригинальности особенно актуально при реконструкции зданий и в новом строительстве. Благодаря электрогидравлической обработке стенок скважин в среде мелкозернистого бетона обеспечивается максимальное включение грунта в совместную работу сваи-ЭРТ. Тем самым создается возможность устройства свай повышенной несущей способности, что открывает широкие перспективы для их использования в самых широких областях подземного строительства. Устроенные по ЭРТ-технологии буровые сваи востребованы при реконструкции и новом строительстве, особенно они применимы в сложных инженерно-геологических и стеснённых условиях.
В связи с увеличением объемов капитального строительства особую актуальность приобретает проблема освоения подземного пространства. Как правило, в геотехническом строительстве наиболее часто используемыми заглубленными железобетонными конструкциями являются буровые сваи. Это буронабивные, буроинъекционные сваи, возводимые по существующим современным геотехнологиям.
Известная технология устройства буроинъекционных свай [3] включает: 1) монтаж пространственных армокаркасов; 2) подачу мелкозернистого бетона в предварительно пройденную пневмопробойником скважину с диаметром меньшего поперечного сечения формируемой сваи-ЭРТ с последующим уплотнением мелкозернистого бетона. Одновременно с монтажом арматурного каркаса скважину, замещенную мелкозернистым бетоном, расширяют по всей высоте сваи методом электрогидравлического уплотнения.
Подача бетона осуществляется одновременно с созданием камуфлетного уширения серией высоковольтных электрических разрядов. Количество их назначается из проектного поперечного сечения камуфлетного уширения в результате одного разряда, интенсивности накопления пластичных деформаций обрабатываемого грунта, а уплотнение бетона производят по всей высоте буровой скважины высоковольтными электрическими разрядами.
Рассматриваемая геотехническая технология имеет существенные недостатки: сложность, а зачастую его невозможность применения при возведении свай в структурно-неустойчивых грунтах, как результат - расструктурирова-ние грунтов вертикальных стенок буровых скважин.
Предлагаемый способ устройства буроинъекционных свай-ЭРТ [1] широко востребован в геотехническом строительстве для всех случаев неустойчивых грунтов стенок буровых скважин. Особенно он актуален для использо-
вания в капитальном строительстве, а также при реконструкции зданий и сооружений для усиления оснований фундаментов.
Задачей разработанной геотехнической технологии является создание нового способа возведения буроинъекционной сваи-ЭРТ, которая позволила бы получить качественные заглубленные конструкции для обеспечения высоких значений несущей способности и прочности материала ствола сваи-ЭРТ, а также для упрощения процесса производства работ нулевого цикла.
Эта геотехническая проблема успешно решается при устройстве буро-инъекционных свай с помощью электроимпульсной установки. Технология включает: 1) бурение скважины; 2) подачу в нее мелкозернистого бетона; 3) уплотнение мелкозернистого бетона и грунта стенок скважины с помощью высоковольтных электрических разрядов с перемещением зоны возбуждения снизу вверх. Бурение скважины осуществляется шнековым забурником. На нем размещен с возможностью выдвижения электрический разрядник. Подача бетона в скважину осуществляется по ребордам шнекового снаряда. При достижении забурником устья скважины его поднимают без вращения в скважине на высоту 0,8-1,5 диаметра скважины. После заполнения образовавшегося объема непрерывно подаваемым мелкозернистым бетоном выдвигается разрядник и осуществляется электрический разряд. Далее операции подъема снаряда и электрических разрядов повторяются до заполнения скважины на всю глубину заглубленной конструкции (сваи-ЭРТ).
После каждого подъема забурника производится вращение снаряда в противоположном бурению направлении до заполнения мелкозернистым бетоном образовавшейся после подъема пустоты. Момент заполнения контролируется прекращением поглощения бетона.
Такая новая совокупность существенных признаков технического решения позволяет изготавливать буроинъекционную сваю в грунтах, где не обеспечивается устойчивость стенок буровых скважин, а также в структурно-неустойчивых грунтах (илы, торфы, водонасыщенные заторфованные грунты и т.п.).
На рис. 1, а изображено бурение скважины 1 шнеком 2 с размещенным на его забурнике разрядником 3. На рис. 1, б показан прямолинейный (без вращения) подъем забурника 2 на высоту (0,8-1,5) й - диаметра скважины, а на рис. 1, б изображена подача мелкозернистого бетона 4 по ребордам шнекового снаряда 2. Она может осуществляться самотеком, под давлением или вращением снаряда 2 в обратном направлении относительно вращения при бурении до заполнения освободившегося объема под снарядом на высоту (0,8-1,5) й. На рис. 2, а изображен очередной подъем снаряда на высоту (0,81,5) й от поверхности бетона 4, а на рис. 2, б изображена сформированная бу-роинъекционная свая-ЭРТ.
Алгоритм устройства сваи-ЭРТ следующий. Производится проходка буровой скважины 1 шнековым бурильным снарядом 2. Одновременно с бурением осуществляют выемку грунта. После прохождения бурильного снаряда на требуемую глубину производится подъем его на высоту (0,8-1,5) диаметра полученной скважины 1. Высота, равная (0,8-1,5) диаметра полученной полости,
определяется экспериментально исходя из условия неосыпаемости грунта в пробуренную скважину при подъеме шнека. Нижний предел электрогидравлической обработки скважины, заполненной бетоном, определяется наличием в инженерно-геологическом разрезе слабых грунтов, например пылевато-песчаных, биогенных и т.д. Верхний предел определен наличием связных грунтов устойчивой консистенции. Одновременно с подъемом забурника начинается подача бетона 4, который может осуществляться самотеком за счет гравитационных сил от собственной массы мелкозернистого бетона. После достижения снарядом необходимой отметки производится вращение снаряда в направлении, обратном направлению бурения. Для ускорения заполнения образовавшегося при подъеме объема под снарядом 2 создается некоторое давление для оптимального заполнения образованного объема. Затем производится электрический разряд в конкретном пространстве, имеющий взрывной характер с высокими электродинамическими усилиями, действующими во всех направлениях. При этом часть бетона 4 внедряется в дно и боковые стенки скважины, упрочняя их, а уровень мелкозернистого бетона опускается ниже первоначальной отметки. Буровой шнековый снаряд поднимают на высоту (0,8-1,5) диаметра скважины от уровня бетона, образованного после первого электрического разряда. Далее вышеприведенные операции (подъема и разряда) повторяют до полного заполнения скважины на всю мощность слабого слоя.
/- ■
: ■/ -1 -.1 -т.1
Л -* \
а б в
Рис. 1. Технологическая схема устройства буроинъекционной сваи:
1 - бурение скважины;
2 - шнековый снаряд;
3 - разрядник; 4 - подача твердеющего материала (мелкозернистого бетона)
а б
Рис. 2. Сформированная буроинъекционная свая: 1 - бурение скважины; 2 - шнековый снаряд; 3 - разрядник; 4 - подача твердеющего материала (мелкозернистого бетона);
5 - армокаркас; 6 - готовая буроинъекционная свая
Несущая способность свай, изготавливаемых по применяемым в настоящее время геотехническим технологиям, определяется как сумма величин несущих способностей по пяте и боковой поверхности. Последние зависят от геометрических параметров сваи (площади опирания и боковой поверхности) и инженерно-геологических характеристик грунтов, примыкающих к свае (расчетных сопротивлений грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи).
Номер Наименование СЛОЯ Ооозн. СЛОИ Схеиа к распределению ^ буроинъекционной аиш ЭРГ с нногонестнымиуширеняии Толщин 1 г» м 1ъ де /: кПа ГА кн/\ А КПа и 7сЯ г>с, Л»
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 И 15 16
1 Суглинок 5,9 щ ш «ьк % 1 / ¿-2,0 0,6 5,8 830 1,1 1,3 0,36 Х110
ы I л 2,0 3,0 14,0 28,0
А 1,8 4,9 17,0 30,6
2 4,6 Л | 'К Ч ш и 6,6 0,3 43,0 64,5 10,4 3300 1,1 1,3 0,34 Хюо
г 1,5 8,1 44,0 66,0
к»— -ч 1,6 9,6 46,0 7 3,6
3 Пески мелкие средней плотности 7,0 ¿д. —.. 1М 2,0 11,4 47,0 94,0 17,4 3000 1,3 1,3 0,48 0,18
Г Л 2,0 13,4 48,0 96,0
г 1 2,0 15,4 51,0 102,0
- | 29 1,0 16,9 53,0 53,0
Рис. 3. Схема к определению несущей способности ¥л буроинъекционной сваи-ЭРТ с многоместными уширениями
Номер слоев Наименование Тащ. слой, слоя Схема к распределению буроинъекционной сван ЭРТбез уширений ч м де Л кПа /А кН/м м я, кПа V
I* 2* з' 4*
1 2 3 4 5 в 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 Суглинок 5,9 I "V ТччАчч л\ /;Д 3 0 4 4=2.0 0,6 1,1 0,8 0,7 0,6
/МЛТГ | Ль 2,0 3,0 14,0 28,0
1,8 4,9 17,0 30,6
2 4,6 /4 Л 1,5 6,6 0,3 43,0 64.5 1,1 0,8 0,7 0,6
! 1,5 8,1 44,0 66.0
| , "".5 1.6 9,6 46,0 73.6
3 Пески мелкие средней плотности 7,0 М ц | Ч 2,0 11.4 47,0 94.0 17,4 3000 1,3 0,8 0,7 0,6
2,0 13.4 48.0 96.0
А 2,0 15,4 51,0 102.1
А г9 1,0 16,9 53.0 53,0
Рис. 4. Схема к определению несущей способности ¥л буровых свай
Примечания. 1* - для буроинъекционных свай-ЭРТ без промежуточных уширений; 2* -для буронабивных свай при погружении инвентарной трубы с теряемым наконечником; 3* -для буронабивных свай с использованием обсадных труб или проходных шнеков; 4* - для буронабивных свай, выполняемых под защитой глинистой рубашки. Коэффициенты усу взяты из табл. 7.6 СП 24.13330.20111.
1 СП 24.13330.2011. Актуализированная редакция СП 2.02.03-85 Свайные фундаменты.
Существенное повышение несущей способности достигается в случае, если свая-ЭРТ представляет собой конструкцию из нескольких уширений (свая-ЭРТ с многоместными уширениями). Нижнее уширение устраивается на пяте сваи, увеличивая ее площадь, а верхние (по боковой поверхности) работают как дополнительные опоры. Несущая способность грунтов при опирании на них этими дополнительными опорами значительно выше несущей способности этих же грунтов при учете трения о них боковой поверхности сваи. Практика изготовления таких свай показала их высокую эффективность. Несущая способность свай-ЭРТ с двумя уширениями в 1,5-2,5 раза выше, чем у свай, выполненных без уширений.
В качестве примера ниже приведены сравнительные расчеты несущей способности буроинъекционной сваи-ЭРТ с уширенной пятой и двумя уширениями вдоль ствола и буроинъекционной сваи-ЭРТ без уширений. Оба типа свай имеют диаметр ствола 0,35 м и изготовлены в одних и тех же грунтовых условиях. С поверхности основания залегают суглинки с показателем текучести 1Ь = 0,6, под ними - суглинки с 1Ь = 0,3. Сваи заделаны в мелкие пески средней плотности.
Несущая способность буроинъекционной сваи-ЭРТ без уширений, рассчитанная по формуле (1), составила ^ = 1 170 кН. Для сваи-ЭРТ с многоместными уширениями при расчете по той же формуле она получилась равной ^ = 2 100 кН. Алгоритмы расчетов приведены в рис. 3 и 4. Нетрудно посчитать, что несущая способность при создании уширений в данном случае увеличилась в 1,79 раза.
Таким образом, буроинъекционные сваи-ЭРТ с многоместными ушире-ниями, изготавливаемые с использованием электроразрядно-импульсной технологии, имеют наиболее конкурентное преимущество по сравнению с буро-набивными и буроинъекционными сваями без уширений. За счет устройства уширений вдоль ствола и на пяте создается возможность увеличения несущей способности сваи в несколько раз в зависимости от типа грунтовых условий.
Литература
1. Пат. 2318960 РФ, МПК Е02Б 5/34 (2006.01) Способ возведения набивной сваи / Соколов Н.С., Рябинов В.М., Таврин В.Ю., Абрамушкин В.А.; патентообладатель Соколов Н.С. № 2005140716/03; заявл. 26.12.2005; опубл. 10.03.2008. Бюл. № 7. 7 с.
2. Соколов Н.С., Соколов С.Н. Применение буроинъекционных свай при закреплении склонов // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы V Всерос. конф. НАСКР - 2005. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2005. С. 292-293.
3. Соколов Н. С. Метод расчета несущей способности буроинъекционных свай-РИТ с учетом «подпятников» // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы VIII Всерос. (11-й Междунар.) конф. НАСКР - 2014. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. С. 407-411.
4. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай-ЭРТ // ОФиМГ. 2015. № 1. С. 10-13.
5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Гид по геотехнике (путеводитель по основаниям, фундаментам и подземным сооружениям). 2-е изд., доп. СПб.: ПИ «Геореконструкция», 2012. 284 с.
СОКОЛОВ НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой строительных технологий, геотехники и экономики строительства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
КАДЫШЕВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ - доктор экономических наук, профессор, проректор по научной работе, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
N. SOKOLOV, E. KADYSHEV ELECTRO-DISCHARGE TECHNOLOGY FOR CONTINUOUS FLIGHT AUGERING PILES
Key words: electrical discharger, hardening electroconductive material, casing pipe, filling pile, screw shell, electro discharge technology (EDT).
The device of flight augering piles based on the impulse-discharge technology (pile-IDT) is a unique technology for geotechnical construction. The use of these piles due to their originality is especially important in the reconstruction and new construction. Thanks to the electrohydraulic treatment of the walls of the wells in the medium of fine-grained concrete, the maximum inclusion of the soil in the joint work of the pile-IDT is ensured. This makes it possible to build piles of increased bearing capacity, which opens wide prospects for their use in the widest areas of underground construction. Made by IDT technology boring piles are in demand for reconstruction and new construction, especially they are applicable in difficult engineering-geological and constrained conditions.
References
1. Sokolov N.S., Ryabinov V.M., Tavrin V.Yu., Abramushkin V.A. Sposob vozvedeniya na-bivnoi svai [Method of exponentation of a stuffed pile]. Patent RF no. 2318960, 2008.
2. Sokolov N.S., Sokolov S.N. Primenenie buroin"ektsionnykh svai pri zakreplenii sklonov [Application of flight augering piles for anchoring slopes]. Novoe v arkhitekture, proektirovanii stroi-tel'nykh konstruktsii i rekonstruktsii: materialy V Vseros. konf. NASKR - 2005. [Proc. of V Rus. Sci. Conf. «New in Architecture, Design of Building Structures and Reconstruction. NASCR - 2005»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2005. pp. 292-293.
3. Sokolov N.S. Metod rascheta nesushchei sposobnosti buroin"ektsionnykh svai-RIT s uche-tom «podpyatnikov» [Method of calculating the load-bearing capacity of flight augering pile-PDT, taking into account «thrust bearing»]. Novoe v arkhitekture, proektirovanii stroitel'nykh konstruktsii i rekonstruktsii: materialy VIII Vseros. (II-i Mezhdunar.) konf. NASKR - 2014. [Proc. of VIII Rus. (II Int.) Sci. Conf. «New in architecture, design of building structures and reconstruction. NASKR -2014»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2014, pp. 407-411.
4. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. Ob odnom metode rascheta nesushchei sposobnosti buroin"-ektsionnykh svai-ERT [About one method of calculating the load-bearing capacity of flight augering pile-EDT]. OFiMG [«Bases of foundations and soil mechanics»], 2015, no. 1, pp. 10-13.
5. Ulitskii V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Gidpo geotekhnike (putevoditel'po osnova-niyam, fundamentam i podzemnym sooruzheniyam). 2-e izd., dop. [Geotechnical guide (guide to bases, foundations and underground structures). 2nd ed.]. St. Petersburg, 2012, 284 p.
SOKOLOV NIKOLAY - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of Department of the Construction Technologies, Geotechnics and Construction Economy, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
KADYSHEV EVGENY - Doctor of Economics Sciences, Professor, Vice Rector on Scientific Work, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Ссылка на статью: Соколов Н. С., Кадышев Е.Н. Электроразрядная технология для устройства буроинъекционных свай // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 159-164.
