Способ установки грунтового анкера и устройство для его осуществления

Способ установки грунтового анкера и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области строительства, конкретно к креплению бортов котлованов и подпорных стенок в слабых несвязных водонасыщенных грунтах.

Проблема производства работ заключается в том, что все существующие способы, кроме закрепления стенок грунтовыми анкерами, в значительной степени усложняют рабочие операции и удорожают производство земляных работ. Однако применение анкеров ограничено состоянием грунтовых массивов - плотностью слагающих их грунтов и увлажненностью. Принцип действия анкеров заключается в прикреплении призмы обрушения к коренному массиву за линией скольжения возможного обрушения. С этой целью один конец стальной тяги сначала анкеруют за призмой обрушения, затем производят натяжение тяги с помощью домкрата, прикрепленного к другому концу у устья скважины, и бетонирование скважины. В слабых водонасыщеных грунтах подобную операцию с устройством замков анкеров можно осуществить, главным образом, с применением взрывчатых веществ (ВВ), образуя так называемые котлы. Этот эффективный способ неприменим в указанных гидрогеологических условиях и в условиях городской застройки. Поэтому в указанных грунтах наибольшее распространение получили способы механического уплотнения грунтов и отжатая воды от скважины, которые используют в смежных областях строительства при изготовлении бетонных свай.

Известен способ изготовления набивной сваи, включающий образование скважины, заполнение ее твердеющим материалом с последующим уплотнением, перед заполнением скважины твердеющим материалом установление у ее забоя упора с заделанной в него вертикальной арматурой, а после уплотнения твердеющего материала расположение на его поверхности дополнительного упора с соединением его с арматурой и последующим ее натяжением (см., например, а.с. СССР №924246, М. Кл³. E02D 5/34, 5/42 от 24.10.80).

Недостатком этого способа является невозможность применения его для крепления стенок котлованов, так как уплотнение грунта происходит, главным образом, по всей длине скважины, что чревато обрушением всей грунтовой призмы, прилегающей к стенкам котлована, а уплотнение только забойной части скважины требует повышенной трудоемкости и усложнения оборудования. Кроме того, в слабых увлажненных грунтах данный способ неосуществим из-за невозможности формирования и сохранения скважины.

Известен способ возведения набивной сваи-оболочки, включающий образование в грунте скважины, погружение в нее полого элемента, диаметр которого меньше диаметра скважины, укладку бетона в пространство между стенками скважины и поверхностью полого элемента с последующим извлечением его из скважины, погружение в скважину полого элемента с размещенной с зазором на нем наружной эластичной оболочкой, а перед извлечением полого элемента из скважины в зазор подачу рабочего агента под давлением, причем в качестве которого может быть использованы жидкость или газ (см., например, а.с. СССР №649789, М. Кл.² E02D 5/38, 3/02 от 24.10.77).

Данный способ можно было бы применить для уплотнения грунта забойной части скважины при выполнении полого элемента размером, требуемым для формирования замка анкера с одновременным отжатием воды от скважины, но только в устойчивых грунтах, обеспечивающих сохранение скважины для заведения в нее оборудования. Кроме того, использование эластичного элемента весьма проблематично по условиям обеспечения его надежности и сохранности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ выполнения грунтового анкера, включающий разработку наклонной скважины, вдавливание в прилегающий к скважине грунт закрепляющего твердеющего раствора, установку в скважине тяги, а перед введением в скважину тяги производят дополнительные заполнения скважины закрепляющим раствором и его вдавливания в грунт (см., например, а.с. СССР №975899, М. Кл³. E02D 5/80 от 27.03.81).

Указанный способ позволяет уплотнить грунт вокруг скважины и связать избыток влаги, тем самым сохранять скважину на определенное время.

Недостатком данного способа является невозможность производить операцию натяжения тяги сразу же после выполнения анкера, так как после установки замка анкера требуется продолжительное время для твердения закрепляющего раствора, что не обеспечивает сохранность незаполненной части скважины вследствие обводненности грунтов на время набора прочности раствором. Кроме того, в указанных грунтовых условиях замок анкера не может обеспечить требуемое несущее усилие натяжения из-за малой площади сцепления с грунтом.

Целью настоящего изобретения является увеличение области применения, снижение трудоемкости установки анкера и повышение его несущей способности.

Поставленная цель достигается тем, что после образования в грунтовом массиве скважины неоднократными проходками рабочего органа с заполнением скважины закрепляющим твердеющим раствором и вдавливанием его в грунт, с формированием в забойной части скважины за зоной обрушения замка анкера путем уплотнения грунта, введения в скважину армирующей тяги с прикрепленным к ней упорным приспособлением, диаметр которого меньше диаметра скважины и натяжения тяги с последующим бетонированием скважины,

перед введением тяги в скважину прикрепление армирующей тяги к приспособлению осуществляют непосредственно к его торцу, упирающемуся в забойную часть скважины, внутреннее пространство упорного приспособления заполняют жестким твердеющим раствором, а после введения тяги в скважину и доведения до забоя упорного приспособления его деформируют неоднократными внешними силовыми воздействиями с помощью ударного рабочего органа, перед каждым внешним воздействием рабочего органа производят заполнение внутреннего пространства приспособления сухой закрепляющей и твердеющей смесью, например цементно-песчаным раствором, с уплотняющими твердыми включениями, например щебнем, размещенными в герметичном пакете, объемом, равным объему внутреннего пространства приспособления до его деформирования. Причем для твердеющей смеси используют добавки-ускорители схватывания и твердения, например фтористый натрий.

Известно устройство грунтового анкера, включающее наклонно расположенную в скважине штангу и размещенную в грунтовом массиве за границей призмы обрушения плиту закрепления (см., например, патент США №3309823, кл. 52-166, 1967).

Недостатком известного анкера является слабая несущая способность при воздействии вертикальной составляющей выдергивающей силы. Установленные на плите закрепления ограничители не решают проблемы повышения несущей способности вследствие малой площади опирания, особенно в слабых несвязных грунтах. Другой недостаток анкера заключается в сложности бурения наклонных выемок для размещения плит закрепления, особенно в рассматриваемых грунтовых условиях.

Известен грунтовый анкер, погружаемый в вечномерзлый грунт, включающий ствол с продольной полостью, и подпружиненные лопасти, заведенные в углубления ствола при погружении его в грунт и раскрываемые при приведении анкера в рабочее состояние (см., например, а.с. СССР №1367578, М. Кл³. E02D 5/80).

Недостатком данного устройства является ограниченная область применения исключительно только для вечномерзлых грунтов, низкая надежность из-за возможности наличия твердых включений в грунте, когда лопасти не смогут раскрыться, так как внутренние силы от упругих элементов не способны уплотнить грунт. Кроме того, в конструкцию анкера заложены два взаимоисключающих явления, которые в обязательном порядке проявятся на практике. Во-первых, после прогрева грунта не происходит смерзания, а происходит деградация вечной мерзлоты, поэтому приходится давать импульс от холодного теплоносителя в эту зону, что описанием не предусмотрено. Предусмотрена подача твердеющего песчано-цементного или песочно-известкового раствора, что в условиях пониженных температур не обеспечит набора прочности этим раствором, а применение добавок описанием также не предусмотрено. Таким образом, подобное устройство и описываемый способ его установки невозможно применить для прикрепления и закрепления призмы обрушения к коренному массиву грунта во всех случаях, кроме как в условиях вечномерзлых грунтов.

Указанная цель в части конструкции устройства достигается тем, что упорное приспособление, погружаемое в предварительно образованную по предлагаемому способу скважину, включающее тягу с замком в виде ствола с раскрывающимися лопастями, выполнено в виде ствола-патрубка с продольными прорезями на части длины патрубка со стороны устья скважины, образуя лопасти-лепестки, а со стороны забоя патрубок снабжен заглушкой, к которой прикреплена тяга, причем ствол может быть выполнен в виде кольца с аналогичными прорезями, а к концам лепестков приварены обрезки трубок или стержней, образуя по периметру скважины сплошной контур.

В варианте исполнения устройства по предлагаемому способу упорное приспособление выполнено в виде патрубка с продольными вырезами на поверхности патрубка в шахматном порядке, представляя собой лопасти-лепестки, последние отогнуты в сторону стенок скважины до соприкосновения с ними, образуя в рабочем состоянии «ерш» и отверстия на поверхности патрубка, патрубок непосредственно у забоя снабжен заглушкой с возможностью ее перемещения по внутренней поверхности патрубка под нагрузкой, во внутреннее пространство патрубка заведены дугообразные металлические стержни или полосы, одним концом упирающиеся в заглушку, другие концы вставлены в отверстия с последующим прижатием их лепестками к поверхности патрубка, причем тяга прикреплена к концу патрубка непосредственно у забоя, а стержни или полосы имеют возможность перемещения в отверстиях под нагрузкой.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично на фиг.1 изображено упорное приспособление, а - продольный разрез перед введением его в скважину, б - поперечный разрез А-А в момент его размещения в забое скважины, в - продольный разрез после осуществления описываемого способа и образования замка;

на фиг.2 - вариант выполнения упорного приспособления, а - продольный разрез, б - поперечный разрез А-А в момент размещения его в забое скважины, в - продольный разрез после формирования замка.

Технологию установки анкера и выполнение устройства осуществляют следующим образом.

Применяя пневмопробойник, образуют скважину 1 в грунте 2 несколькими проходками, каждый раз заполняя скважину твердеющим закрепляющим раствором или смесью, применяя консистенцию в зависимости от водонасыщения грунта, вплоть до сухой. В готовую скважину 1 (фиг.1) заводят тягу 3 с прикрепленным к ее концу упорным приспособлением в виде патрубка 4, который на части его длины имеет прорези 5, образуя лепестки 6, и в забойной части 7 имеет заглушку 8. Внутреннее пространство 9 патрубка 4 заполнено жестким твердеющим раствором 10.

В варианте исполнения (фиг.2) на поверхности патрубка 4 в шахматном порядке расположены два сечения, в каждом из которых диаметрально противоположно выполнены четыре выреза 11 с отгибами лепестков 6 в сторону стенок 12 скважины 1, образуя отверстия 13. Во внутреннее пространство 9 патрубка 4 заведены дугообразные металлические стержни или полосы 15, одним концом упирающиеся в заглушку 8, другие концы помещены в отверстия 13. Смежная часть 14 лепестков 6 может быть отогнута в противоположную сторону, увеличивая отверстия 13 и облегчая выдвижение стержней или полос. На а и в не показаны стержни и вырезы в другом сечении, повернутом на 90°.

После размещения патрубка 4 в забое 7 скважины 1 производят внешнее силовое воздействие с помощью пневмопробойника 16 на патрубок 4 и одновременно на смесь 10. Для этого в скважину 1 запускают пневмопробойник 16, который вдавливает тягу 3 в грунт 2, доходит до патрубка 4 и начинает производить на него ударные действия.

В варианте исполнения, показанного на фиг.1, лепестки 6 отгибаются, уплотняя грунт 2, смесь 10 заполняет все свободное пространство вокруг патрубка 4 в скважине 1.

В варианте исполнения, показанного на фиг.2, ударные действия вызывают движение патрубка 4 в сторону забоя 7, внедряясь в грунт 2. Стержни 15, упираясь в заглушку 8, скользят по отогнутым лепесткам 6 и 14 в отверстиях 13, внедряются в грунт 2, уплотняют его, образуя «ерши», тем самым увеличивают площадь сцепления с грунтом 2. При этом раствор 10 заполняет свободные пространства скважины и полости, образовавшиеся от уплотнения грунта.

После того, как пневмопробойник 16 достиг или заглушки (фиг.1) или полностью уплотнил смесь 10 (фиг.2) до такой степени, что его движение прекратилось, его извлекают из скважины 1, в деформированном патрубке 4 размещают герметичный пакет с новой порцией смеси и производят повторную проходку. Герметичный пакет необходим для того, чтобы каждая порция смеси вся участвовала в формировании замка анкера и только в головной части пневмопробойника 16, в противном случае, при обычном заполнении скважины раствором или смесью, особенно сухой, при проходке пневмопробойника смесь выдувается сжатым воздухом. Количество указанных операций зависит от состояния грунтового массива, его прочностных характеристик и водонасыщения. В варианте исполнения (фиг.2) дополнительные размещения пакетов со смесью и дальнейшее их уплотнение способствуют деформированию конца патрубка 4 с отгибом лепестков 6 в грунт 2 и увеличению сцепления с грунтом и несущей способности замка анкера в целом.

Однако при динамическом и вибрационном воздействии на грунты в условиях повышенного водонасыщения в забойной части 7 к формируемому замку анкера в обязательном порядке происходит подсос воды и нарушение связности скелета грунта, что ведет к неизбежному восстановлению структуры уже уплотненного грунта 2 до своего начального состояния, так называемое тиксотропное явление. При возникновении тиксотропного явления следует повторять силовые воздействия пневмопробойником 16 на смесь, каждый раз размещаемую в герметичном пакете в замке анкера перед запуском пневмопробойника 16 в скважину 1. С целью сокращения количества проходок пневмопробойника следует использовать добавки в смесь. Применяя известные добавки - ускорители схватывания и твердения для цементных растворов, например фтористый натрий, в зависимости от его концентрации можно получать начало схватывания уже через 3-5 секунд, что широко используется при торкретировании и набрызг-бетоне обводненных поверхностей подземных выработок. Варьируя концентрацией, представляется возможным получить за две проходки прочную оболочку скважины, которая достаточна для поддержания скважины в необрушаемом состоянии для формирования замка анкера, а в дальнейшем иметь готовую к натяжению тяги конструкцию с требуемой несущей способностью сразу же по окончании формирования замка анкера.

Обычный пневмопробойник диаметром корпуса 130 мм, например ИП 4603 массой 90 кг при длине пробиваемой скважины до 50 м, имеет энергию удара 220 Дж или 2200 кгм, поэтому его применение допустимо и эффективно рядом с другими ответственными сооружениями города по условиям безопасности без оформления и согласования на право производства работ, что требуется в случае применения ВВ. В то же время этого усилия достаточно, чтобы внедрять в грунты металлические детали совместно с трамбующими смесями, образуя на расстоянии порядка 15-20 м от устья скважины прочную конструкцию закрепления замка анкера в слабых водонасыщенных грунтах.

Описываемое в способе техническое решение в части прикрепления тяги 3 к патрубку 4 или к заглушке 8 непосредственно в забойной зоне 7 позволяет увеличить несущую способность замка анкера при натяжении тяги 3 за счет внецентренного и асимметричного приложения силы к патрубку 4, что вызывает его поворот и смещение от центра скважины 1 и дополнительное заклинивание и сопротивление на выдергивание. Описанное решение эффективно при больших усилиях натяжения тяги порядка выше 10 тс.

1. Способ выполнения грунтового анкера, включающий образование в грунтовом массиве скважины неоднократными проходками рабочего органа с заполнением скважины закрепляющим твердеющим раствором и вдавливанием его в грунт, с формированием за зоной обрушения в забойной части скважины замка анкера путем уплотнения грунта введением в скважину армирующей тяги с прикрепленным к ней упорным приспособлением в виде патрубка, диаметр которого меньше диаметра скважины, или кольца, натяжение тяги с последующим бетонированием скважины, отличающийся тем, что перед введением армирующей тяги в скважину осуществляют ее прикрепление непосредственно к торцу упорного приспособления, упирающемуся в забой скважины, или к его концу непосредственно у забоя, внутреннее пространство упорного приспособления заполняют жестким твердеющим раствором или размещают в нем дугообразные металлические стержни или полосы и заполняют его жестким твердеющим раствором, а после введения тяги в скважину и доведения до забоя упорного приспособления его деформируют неоднократными внешними силовыми воздействиями с помощью ударного рабочего органа, причем перед каждым внешним воздействием рабочего органа производят заполнение внутреннего пространства приспособления сухой закрепляющей смесью, размещенной в герметичном пакете, объемом, равным объему внутреннего пространства приспособления до его деформирования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве закрепляющей и уплотняющей смеси в герметичном пакете используют цементно-песчаный раствор с твердыми включениями, например, щебнем, и с добавками-ускорителями схватывания и твердения, например, фтористым натрием.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее тягу, прикрепленную непосредственно к торцу упорного приспособления или к концу упорного приспособления, выполненного в виде ствола с раскрывающимися лопастями в виде лепестков, в случае прикрепления тяги непосредственно к торцу ствола, последний снабжен заглушкой и выполнен в виде патрубка с продольными прорезями на части длины патрубка со стороны устья скважины, или в виде кольца с продольными прорезями на части длины со стороны устья скважины, а к концам лепестков приварены обрезки трубок или стержней, образуя по периметру скважины сплошной контур, а в случае прикрепления тяги к концу ствола непосредственно у забоя, выполнен в виде патрубка с продольными вырезами на его поверхности в шахматном порядке, лепестки которого отогнуты в сторону стенок скважины до соприкосновения с ними, патрубок непосредственно у забоя снабжен заглушкой с возможностью ее перемещения по внутренней поверхности патрубка под нагрузкой, во внутреннее пространство патрубка заведены дугообразные металлические стержни или полосы, одним концом упирающиеся в заглушку, другие концы вставлены в отверстия на поверхности патрубка с последующим прижатием их лепестками к поверхности патрубка, образуя в рабочем состоянии «ерш», при этом стержни или полосы имеют возможность перемещения в отверстиях под нагрузкой.