Бурение грунтов в строительстве

Основные сведения о грунтах и теории бурения

Грунт — обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

Грунты состоят из трех основных фаз: твердой, жидкой и газообразной. К твердой фазе относят минеральные частицы, образующие основу (скелет) грунта. Жидкая фаза представлена главным образом водой, заполняющей полностью или частично поры между минеральными частицами грунта. Поры и пустоты в грунте, не заполненные водой, занимает воздух, представляющий собой газообразную фазу грунта. При промерзании к трем основным фазам грунта добавляется лед. Минеральные частицы, составляющие грунты, различают по крупности (мм): галька и щебень — более 20, гравий и дресва — 2 . 20, песчаные — 0,05 . 2, пылеватые — 0,005 . 0,5, глинистые — менее 0,005.

Основными составляющими грунта являются песок и глина. Промежуточное положение между ними занимают супеси и суглинки. Все они различаются по содержанию глинистых частиц размером менее 0,005 мм (%): глина — более 30, суглинок — 30 . 10, супесь — 10 .. 3, песок — менее 3.

Различные грунты обладают разной способностью сопротивляться воздействию режущего инструмента землеройных, в том числе бурильных и бурильно-крановых машин. Это обусловлено не только составом и содержанием минеральных частиц различных размеров, но и различием их физико-механических свойств.

К основным свойствам грунтов, характеризующим их сопротивляемость резанию относят прежде всего механическую прочность.

Механическая прочность — способность сопротивляться разрушению под воздействием внешней нагрузки. Грунты, обладающие большей механической прочностью, создают и большие сопротивления резанию при бурении. Механическая прочность грунтов зависит от их состава, влажности и температуры.

Плотные (глинистые) грунты обладают большей механической прочностью и соответственно большей сопротивляемостью разрушению, чем пористые (песчаные). С увеличением же влажности грунтов снижается сцепление между их частицами и коэффициент трения. Талые влажные грунты менее прочны, однако при низких отрицательных температурах повышение влажности ведет к увеличению прочности грунтов в связи с ростом объема льдистых фракций и соответственно увеличения сцепления между частицами. Так, при температуре —10° С песок влажностью 18% в 2,5 раза прочнее, чем песок влажностью 11 %, а при 0° С их прочность одинакова. С понижением же температуры и сохранением влажности прочность грунта также повышается.

Помимо механической прочности на процесс бурения существенное влияние оказывают такие свойства грунтов, как липкость, плывучесть, устойчивость и абразивность.

Липкость — свойство грунта прилипать к различным материалам. Липкость, которой обладают глинистые грунты большой влажности, осложняет процесс бурения из-за дополнительного сопротивления резанию и транспортированию.

Плывучесть — свойство грунтов течь при разрушении — характерна для мелкозернистых песков, насыщенных водой, а также сильно увлажненных глин, иногда называемых плывунами. Бурение таких грунтов затруднительно, так как под воздействием инструмента может происходить их смещение без разрушения сплошности.

Устойчивость — свойство грунтов сохранять форму и размеры скважин. Неустойчивы слабо связанные сухие мелкозернистые пески. В таких грунтах, а также в плывунах возникает необходимость вести бурение скважин с креплением их стенок обсадными трубами или глинистым раствором.

Абразивность — способность изнашивать режущий инструмент при трении. Мерой абразивности при бурении является изменение веса или линейного размера режущих элементов бурильного инструмента на единицу глубины скважины.

Наибольшей абразивностью обладают мерзлые пески, минимальной — глины. При бурении в абразивных грунтах возникает значительный износ режущих кромок бурильного инструмента и соответственно их затупление, что приводит к повышению сопротивления его внедрению и резанию.

Рис. 131. Скважина

Процесс бурения скважины состоит из двух основных фаз: разрушения грунта на забое скважины и транспортирования его на поверхность. Под действием усилия подачи P_р бур внедряется в грунт, а под действием окружного усилия Р_окр частицы грунта отделяются от забоя (рис. 131). При одновременном и непрерывном приложении к буру этих усилий грунт разрушается и отделяется от забоя в виде спиральных стружек. Забурник, врезаясь в грунт, образует в нем направляющее отверстие и обеспечивает первоначальное центрирование всего бура. Затем вступают в работу резцы, расположенные на траверсах бура, и срезают грунт каждый по своему следу пути вращения). Срезанные частицы грунта увлекаются во вращение силами трения о поверхность бура и попадают на нижние витки шнека (лопасти).

Под действием центробежной силы частицы грунта, вращающиеся вместе с буром, стремятся прижаться к стенке скважины. Возникшие на стенке скважины силы трения тормозят вращение частиц грунта, соприкасающихся со стенкой скважины, и вызывают их проскальзывание вверх но поверхности шнека (лопасти). За счет сил трения между частицами грунта в движение вовлекается вся выбуриваемая масса. Движущиеся по поверхности шнека частицы грунта при длине шнека, равной или большей глубины скважины, достигают ее устья, разбрасываются под действием центробежной силы на небольшое расстояние и образуют вокруг устья валик. При длине шнека, меньшей глубины скважины (или лопастном буре), частицы грунта скапливаются на шнеке (лопасти), затем при его заполнении бур извлекается на поверхность, ему сообщают ускоренное вращение и за счет центробежной силы грунт сбрасывается с бура.

Источник

Устройство буронабивных свай. Особенности применения. Подготовка и бурение. Формирование опоры. Альтернативные технологии

Одной из наиболее сложных задач при возведении капитальных фундаментов для тяжелых конструкций является устройство буронабивных свай в зимнее время. Мало того что сама технология содержит огромное количество тонкостей, так еще и механические свойства грунта при понижении температуры меняются достаточно сильно.

Буронабивная технология

Особенности применения свай

Наряду с широко распространенными забивными и винтовыми опорами в качестве основания для фундаментов сегодня используются так называемые буронабивные сваи.

Обусловленные оригинальной конструкцией высочайшие механические характеристики подобных свай дают возможность применять их для самых тяжелых конструкций.

Наряду с высочайшей несущей способностью к достоинствам буронабивной технологии относится возможность применения опор данного типа в сложных почвах, отличающихся неравномерной плотностью. Конечно, желательно, чтобы пята сваи опиралась на скальное основание, но подобная конструкция отлично ведет себя и в насыпных, и в увлажненных грунтах.

Обратите внимание!
Если малосжимаемое грунтовое основание залегает глубоко, и установить на нем сваю не представляется возможным, то в нижней части поры делается расширение.
За счет этого давление на пяту снижается, и свая вполне приемлемо удерживается в слабом грунте.

Основные операции

Технология устройства буронабивных свай будет подробно описана в следующем разделе.

Следует отметить, что для каждой ситуации существуют свои нюансы, но общая схема возведения остается неизменной:

• Вначале производится бурение отверстия под опору. При бурении грунт может как выниматься, так и уплотняться, оставаясь внутри скважины.
• Параллельно с прохождением буром почвенных горизонтов и подстилающих пород в скважину опускается так называемая обсадная труба – пустотелый корпус, обеспечивающий защиту стенок от осыпания.
• По завершении бурения в гнездо опускается арматурный каркас из металлических прутьев.
• После установки арматуры полость заполняется литым бетоном, а обсадные трубы демонтируются.

Внесение в данную схему различных модификаций дает возможность возводить буронабивные сваи с более высокими эксплуатационными характеристиками. Это позволяет снизить количество опор, необходимых для постройки фундамента, а значит – сократить расходы на строительство.

Ниже будет подробно рассмотрена технологическая карта на обустройство таких пор, а также проанализированы современные способы устройства буронабивных свай.

Монтаж сваи

Подготовка и бурение

Инструкция, изложенная в типовой техкарте по возведению буронабивных капитальных опор, предусматривает такие подготовительные операции:

Обратите внимание!
Все работы, как по подготовке, так и по монтажу опоры регистрируются в специальном журнале.
В дальнейшем данные из этого журнала переносятся в пакет исполнительной документации.

После завершения подготовки переходим непосредственно к процедуре бурения:

• Буровой станок устанавливается напротив выбранной точки, после чего с помощью буровой коронки выполняется прохождение плотной части грунта (чаще всего — подсыпки под асфальтобетонное покрытие).
• Также с помощью коронки проходится мерзлый слой, имеющий высокие показатели плотности и связности.
• После прохождение плотного слоя коронка может заменяться шнеком соответствующего диаметра и производится бурение с полной или частичной выемкой материала до заданной глубины.
• При необходимости после достижения проектного уровня выполняется выемка грунтовых масс в нижней части скважины для формирования уширения под пяту сваи.

Обратите внимание!
Если производится монтаж свайного поля, то во избежание обрушения скважины бурятся через одну.
Возврат к пропущенным местам происходит только после того, как залитый в гнезда бетон наберет не менее 25% плановой прочности.

Формирование опоры

После завершения буровых работ производится монтаж обсадных труб:

• Труба, диаметр которой соответствует диаметру скважины, устанавливается с частичным вдавливанием в основание.
• При наличии воды на нижних горизонтах производится ее откачка.
• Из свайного гнезда желонками (при небольших габаритах) или специальными приспособлениями на шнеке удаляется осыпавшийся грунт.

Для обеспечения максимальной водонепроницаемости нижнего узла примыкания осуществляются такие операции:

• На дно засыпается 30-40 см сухой бетонной смеси.
• Обсадная труба приподнимается, после чего сухая подсыпка трамбуется специальным снарядом.
• Опускаем трубу на место и обеспечиваем ее частичное вдавливание для формирования бетонной пробки.
• Затем на дно засыпается слой песчано-гравийной смеси. Трамбовка выполняется до проектного отказа.

Далее следует армировка и заливка:

• Арматурный каркас, изготовленный сварным методом, поднимаем на кране и опускаем в скважину с частичным вдавливанием в основание.
• Перед монтажом рекомендуется провести очистку прутков арматуры от ржавчины и налипшей почвы. Это будет способствовать более надежному сцеплению металла с бетоном.

Обратите внимание!
Если вы готовите арматуру своими руками, то вместо сварки можно применять соединение вязальной проволокой.
Цена в этом случае возрастет незначительно, зато можно будет отказаться от аренды сварочного аппарата.

• На горловину устанавливается воронка, через которую в полость заливается цементный раствор.
• Для формирования буронабивных опор чаще всего используются литые бетоны класса не ниже В-15. Оптимальная осадка конуса должна составлять от 18 до 20 см.

На завершающем этапе производится извлечение обсадных труб. В ряде случаев для этого используются вибрационные устройства, обеспечивающие гарантированное отделение материала трубы от бетона.

После набора сваей прочности выполняется выемка грунта возле верхнего края и начинается обустройство ростверка на сваях .

Альтернативные технологии

Технология CFA

В современном строительстве технологии совершенствуются непрерывно, и методика возведения буронабивных опор не является исключением. В данном разделе мы опишем две модификации, которые обеспечивают сваям максимальную несущую способность.

Монтаж опор методом CFA предполагает использование полых шнековых буров для непрерывной работы. Это позволяет возводить опорные конструкции практически на любых грунтах и горных породах, а также в рыхлых, заболоченных и обводненных субстратах.

Обратите внимание!
Одним из плюсов технологии CFA является минимизация ударного воздействия на грунт и незначительная вибрация.
Это позволяет применять методику при работе в условиях плотной жилой застройки.

Отличия в данной методике начинают проявляться еще на этапе бурения скважины:

• Гнездо под опору проделывается полым шнеком. На головном конце шнека монтируется специальная насадка, оснащенная режущими кромками.

Обратите внимание!
Оптимальное соотношение воды и цемента в растворе составляет 0,45-0,48.
Усадка конуса должна быть в пределах 19-21 см.

• В заполненную раствором скважину с помощью вибрационной установки заглубляем арматурный каркас. Диаметр арматуры должен быть меньше диаметра скважины, чтобы обеспечит эффективную защиту металла от контакта с почвой.
• Для позиционирования арматуры в стволе скважины можно использовать пластиковые центрующие насадки.

В дальнейшем набор прочности и обустройство ростверка происходят по той же технологии, которая используется при любых бетонных работах.

Технология Fundex

Обустройство свайных фундаментов по технологии Fundex также является довольно «щадящим». Вибрационные и ударные нагрузки на грунт сводятся к минимуму. При этом механические характеристики почвы не ухудшаются, что способствует многократному повышению несущей способности сваи.

По данному методу можно изготавливать опоры диаметром до 600 мм с уширением в основании от 550 до 700 мм. Максимальная длина опоры составляет 45 метров.

Обратите внимание!
Методика Fundex была разработана для возведения высотных зданий в районах с повышенной сейсмической опасностью.
Сама технология и используемые для ее реализации компоненты весьма востребованы в Китае, Японии, сейсмоопасных районах США и т.д.

Главной особенностью применения технологии Fundex является использование так называемого раскатчика:

• Раскатчик – это каток конической формы, который крепится на валу. Для обеспечения должной эффективности в большинстве случаев устанавливается несколько раскатчиков, следующих друг за другом.
• Во время движения за счет крутящего момента, прилагаемого к валу, осуществляется проходка грунта.
• Бурение скважины по технологии Fundex производится с уплотнением грунтовой массы без выемки ее на поверхность. При этом чугунный оголовок сваи, используемый для раскатки и прохождения породы, после монтажа остается в скважине, играя роль основания сваи.
• Инвентарные трубы крепятся к наконечнику через специальную гидроизоляционную прокладку. Верхний конец инвентарной трубы зажимается в специальном приспособлении, которое крепится к стреле буровой установки.

Данная технология обеспечивает опорной конструкции такие преимущества:

• Стоимость работ снижается за счет более экономичной методики бурения и отсутствия затрат по вывозу больших объемов грунта.
• Повышается производительность труда монтажной бригады. При условии использования современного оборудования за смену можно подготовить до 30 опор с заглублением до 20 метров. В итоге подготовка свайного фундамента для жилого дома занимает не более суток.
• Возможность осуществлять работы в населенных районах, в местах проживания людей, а также в ночное время: ударные, вибрационные и шумовые воздействия сводятся к минимуму.
• Бурение в любое время года, вне зависимости от состояния грунта: насадки с раскатчиками дают возможность осуществлять проходку промерзшего слоя без снижения эффективности.

Срок эффективной службы основания, возведенного по технологии Fundex, составляет более 100 лет.

Вывод

Описанная в статье последовательность устройства буронабивных свай используется практически повсеместно. Высокая трудоемкость данной технологии компенсируется высочайшими механическими характеристиками возводимых оснований, а потому в ряде случаев не стоит экономить на бетоне и буровых работах. Конечно, расходы будут существенными, но зато вы будете уверены в надежности фундамента вашего дома.

В представленном видео в этой статье вы найдете дополнительную информацию по данной теме.

Источник