Механизация свайных работ в зимних условиях.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Практика создания новых строительных машин показала, что стоимость их в последние годы возросла на 40%, а эффективность и производительность - лишь на 20%. Таким образом, машины, отнесенные к разряду новой техники, не всегда удовлетворяют строителей с точки зрения механизации работ. В настоящее время конструирование и совершенствование машин и механизмов для производства свайных работ значительно отстают от потребностей производства, а также существует разрыв между конструктивными, технологическими и организационными вопросами комплексной механизации фундаментостроения.

Прогресс в технологии производства свайных работ не может произойти без обновления существующего парка машин, выполняющих работы нулевого цикла, модернизации устаревшего оборудования, решения комплекса технических, технологических и организационных вопросов при устройстве свайных фундаментов. Особенно остро встает проблема механизации свайных работ в зимнее время, когда предъявляются повышенные требования к индустриальности и технологичности производства работ при низких отрицательных температурах, эффективности и надежности эксплуатации техники на мерзлых грунтах.

Попытка автора устранить недостаточность технической информации по данному вопросу строилась на материалах передового опыта фундаментостроения как в СССР, так и за рубежом, опубликованных известных работ, приведенных в списке прилагаемой литературы.

В методическом отношении данная книга по структуре и содержанию может служить учебных пособием для студентов строительных вузов.

Из книги:

1. Машины и оборудование для бурения скважин под сваи.

  Способы бурения скважин. Эффективность бурения скважин и шпуров в зимних условиях зависит от правильного выбора способа бурения и типа бурового оборудования для конкрет­ных грунтовых условий.

   Для бурения шпуров и скважин используют механические и физические способы бурения. Из механических способов бурения для свайных работ известны способы ударного, вращательного, вибрационного, ударно-вращательного, а также комбинированного бурения.

   К физическим способам бурения относятся термический, термомеханический, гидравлический, электрогидравлический, электротермический, взрывной и другие.

Способ ударного бурения. Этот способ позволяет вести проходку скважин в разнообразных природно-климатических условиях, в мерзлых грунтах и скальных породах при низких отрицательных температурах наружного воздуха. Станки ударно-канатного бурения отличаются надежностью в работе и позволяют бурить скважины диаметром 0,3-1,0 м практически без ограничений по глубине.

   При ударно-канатном бурении буровой снаряд сбрасывают с высоты 0,5-1,0 м в забой скважины. Энергия падающего снаряда передается грунту в виде ударного импульса, который разрушает грунт. Образующийся в забое скважины шлам вычерпывают желонкой.

   Основными достоинствами ударно-канатного бурения являются его простота, универсальность и применимость в мерзлых грунтах с крупнообломочными включениями, валунами без ограничений по температуре. К недостаткам ударно-канатного бурения относятся низкая производительность, большая трудоемкость работ, высокая стоимость и большая энергоемкость, поскольку такое бурение связано с механическим разрушением, размельчением и удалением всего объема разрабатываемого мерзлого грунта.

  Способ вращательного бурения. При вращательном бурении мерзлый грунт разрушается резанием и сколом в забое резцами и коронками органа, выполненного в виде шнекового бура, ковшового бура и шарошечного долота. К преимуществам станков вращательного бурения следует отнести простоту и маневренность в работе, возможность бурения наклонных скважин, высокую производительность работ. Однако при бурении мерзлых грунтов производительность таких станков резко падает. Для бурения мерзлых грунтов и крепких пород к лопастным шнековым бурам дополнительно крепятся съемные наконечники из твердых сплавов.

   К недостаткам вращательного способа бурения относят повышенный износ рабочего инструмента и необходимость приложения значительных осевых нагрузок для создания объемного разрушения.

   При шарошечном бурении породы разрушаются зубцами или штырями шарошек, которые, свободно вращаясь в опорах, перекатываются по забою и под воздействием осевого усилия разрушают грунт. Недостатком данного способа является необходимость дополнительных устройств для извлечения разбуриваемых пород на поверхность сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью.

   Ударно-вращательное бурение. В настоящее время в сложных грунтовых условиях применяются станки ударно-вращательного действия, сочетающие ударно-канатное и вращательное бурение. Грунты, которые можно бурить без удара, разрабатывают вращательным способом (шнеком), а для разрушения прочных грунтов и валунов применяется ударное воздействие долотом. При этом достигается повышение производительности станков ударно-вращательного бурения по сравнению с ударно-канатным   бурением.

   Ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение скважин осуществляются прижатым к забою непрерывно вращающимся инструментом, по которому наносятся удары. Комбинированные способы бурения эффективней, чем только вращательные. Их общий недостаток - невозможность проходки скважин в вечномерзлых завалуненных грунтах и скальных породах для целей свайного строительства.

   Гидроударное бурение. Гидроударное бурение - разновидность ударно-вращательного, оно успешно сочетает достоинства ударного и вращательного способов. В твердых и мерзлых грунтах лучше работать в режиме ударно-поворотного способа: снижаются скорость вращения и осевая нагрузка резания; основную работу производят ударами гидроударников. Универсальность гидроударников позволяет разрабатывать породы любой твердости. Гидроударники, принцип действия которых основан на использовании гидравлического удара, отличает высокая энергия единичного удара; число же ударов достигает 1200 в 1 мин. Резцы сильно углубляются в породу и нередко ломаются, поэтому в таких случаях выгодно изменить режим бурения: уменьшить энергию единичного удара, но увеличить их частоту.

   Это обстоятельство послужило основанием для создания высокочастотных гидроударных машин нового типа - гидроудар­ников ГВ-5 и ГВ-6 для бурения шпуров диаметром 93, 76 и 59 мм. Существенным недостатком гидроударных машин яв­ляется то, что они не могут нормально работать без большого количества промывочной жидкости, а в зимних условиях при низких отрицательных температурах такие машины неработоспособны.

   Пневмоударное бурение. Пневмоударник - это воздухораспределительное устройство, в котором холостой ход поршня чередуется с рабочим ходом, когда следует удар по хвостовику породоразрушающего инструмента. Пневмоударник РП-130 позволяет проходить скважины в мерзлых породах. Расход воздуха составляет 8-10 м³/мин, частота ударов - 900-1000 в 1 мин, а диаметр скважин - 16, 18, 22 см. Производительность пневмоударного бурения в среднем в 2 раза выше, чем вращательного; при этом керн получается высокого качества с ненарушенной структурой. В настоящее время пневмоударное бурение успешно применяется в районах Крайнего Севера.

   При ударно-вращательном бурении гидроударниками и пневмоударниками используется механическая энергия для вращения снаряда и энергия напора жидкости или сжатого воздуха для разработки и удаления грунта. Разработаны устройства ударно-вращательного бурения с механическим приводом ударного механизма, который работает без дополнительных источников энергии. Бурение ведется или в ударновращательном, или ударном режимах, когда удар сопровождается поворотом колонковой трубы. Использовать такие снаряды целесообразно в рыхлых горных породах, а также в районах распространения вечной мерзлоты. При скорости вращения снаряда 3,2 1/с производительность бурения сухих суглинков составила 8 м/ч.

   Вибробурение. Способ вибробурения состоит в погружении трубчатого бура под действием импульсов, создаваемых вращением дебалансов вибратора. Известно вибролидерное бурение, которое имеет ограниченную область применения, предопределяемую грунтовыми условиями, глубиной,   а также   диаметром скважин.

  Термическое бурение. Огневое, или термическое, бурение - это процесс разрушения твердых пород, моренных и мерзлых грунтов шелушением или плавлением при быстром и сильном нагреве высокотемпературными газовыми струями, выходящими из сопел горелок со сверхзвуковой скоростью. Термобуры с высокотемпературной газовой струей - это горелка и устройство для подвода горючего, окислителя и воды. Конструкции термобуров разнообразны. Иногда горелка сочетается с электрической дугой, которая воспламеняет смесь.

   Комбинированные способы воздействия на прочные грунты и породы обычно оказываются весьма эффективными. Так, при термомеханическом бурении порода нагревается для уменьшения ее прочности, окончательное разрушение грунта производят механическим инструментом. Хорошие результаты в мерзлых и вязких грунтах дает сочетание локального нагрева с резанием.

   Еще сильнее разрушается порода под действием температурных колебаний - она трескается. Если забой нагревается ацетиленовой горелкой или вольтовой дугой, а затем резко охлаждается потоком холодного воздуха, то структурные связи грунта нарушаются. Далее грунт разрабатывается механическим инструментом.

   Создано устройство для проходки скважин ступенчатым забоем. Через такое устройство к забою скважины подаются газ и топливо. В инжекторе образуется горючая смесь, которая впрыскивается в камеру сгорания. Смесь воспламеняется, и раскаленные газы через специальные каналы с высокой скоростью бьют по забою, нагревая его до высокой температуры. Горелка при этом вращается, образуя скважину нужного диаметра.

   Электротеплопроводное бурение. Электронагревательные буровые снаряды - термобуры - позволяют выполнять скважины как в массиве льда, так и в очень прочных породах. Буровой наконечник снарядов изготавливается из вольфрама, что позволяет нагревать их до 2000 К электронагревательным элементом. Энергия подается по электрическому кабелю. При диаметре долота более 50 мм необходима мощность 5 кВт. Расплавленная порода вытесняется к центру головки, и после охлаждения разрушенные частицы уносятся вверх потоком отработанных газов.

   Испытания термоэлектробура в условиях Арктики и Антарктики показали целесообразность электротеплового бурения - протаивания как способа проходки ледовых массивов с отбором керна.

   Электротермобуровой снаряд может бурить скважины диаметром 11 см со скоростью 6 м/с. Электробуровое устройство для плавления льда включает буровой наконечник конусного сечения. Внутри конуса укреплены и выведены наружу кольца из меди, обладающие высокой теплопроводностью. Между кольцами расположен нагревательный элемент, который питается электроэнергией по проводам. При работе термобур находится в скважине, заполненной специальной жидкостью, не замерзающей при температуре окружающего льда. Разновидностью этой конструкции является так называемая термоигла, которая при бурении неглубоких скважин имеет еще более высокие скорости бурения и плавления льда.

   Плазменное бурение. Плазменные генераторы могут нагревать грунт до температуры 6000°С. Коэффициент полезного действия плазменно-дуговых буровых снарядов достигает 30-40 %. Разрушение породы происходит от высокотемпературного нагрева и образования больших термических напряжений при взаимодействии плазмы с породой. Генератор плазменного бурения устанавливается в 3 см от разбуриваемой поверхности. Продукты разрушения грунта удаляются из скважины обычным способом.

   Электрогидравлический способ. При этом способе бурения используется эффект кавитационного удара, получающегося в результате глубокого вакуума.

   Область применения бурового оборудования. Использование того или иного типа бурового оборудования зависит, прежде всего, от технологии производства свайных работ и от грунтов. При неустойчивых грунтах и наличии большого содержания гальки и гравия используются обсадные трубы. Ударно-канатный способ бурения рекомендуется в грунтах любого вида. Применение термомеханического способа ограничено в грунтах с большим содержанием льда и крупных валунов. Использование вращательного способа затруднено в глинистых грунтах с температурой выше -1°С, содержащих много льда, так как глина налипает и намерзает на лопастях шнека. Керн глинистого грунта, образованный лидерным оборудованием, может смерзаться со стенками трубчатых буров. Паровибролидерный способ позволяет применять не только буроопускные, но и бурозабивные сваи в твердомерзлых грунтах...

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ.

 

Глава 1. Условия индустриализации свайных работ.

• Мероприятия по организационно-технологической подготовке.
• Учет влияния неблагоприятных климатических воздействий на технологию работ нулевого цикла.
• Особенности эксплуатации строительных машин и оборудования.

Глава 2. Индустриализация и механизация свайных работ.

• Выбор метода производства свайных работ.
• Индустриализация свайных работ в суровых природно-климатических условиях.
• Рекомендации по подбору комплектов машин для выполнения свайных работ.
• Применение средств механизации при индустриальной технологии устройства свайных фундаментов в зимних условиях.
• Выбор способа разработки мерзлых грунтов при устройстве свайных фундаментов.
• Пути повышения качества свайных работ в зимнее время.

Глава 3. Машины и оборудование для производства свайных работ.

• Копровое оборудование.
• Системы наведения копрового оборудования.

Глава 4. Механизация буровых работ.

• Машины и оборудование для бурения скважин под сваи.
• Характеристика буровых установок и оборудования.
• Машины и механизмы для устройства буронабивных свай.
• Технология бурения скважин.

Глава 5. Свайные молоты и погружатели. Особенности их эксплуатации в зимнее время.

• Дизельные молоты.
• Выбор свайных молотов.
• Многоимпульсных молоты.
• Электромагнитные и гидравлические молоты.
• Оборудование для завинчивания и вдавливания свай.

Глава 6. Технология и механизация процессов устройства свайных фундаментов.

• Способы устройства свайных фундаментов в сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтах.
• Эффективные способы и средства подготовки мерзлого грунта при погружении свай.
• Буроопускной способ погружения свай.
• Бурозабивной и забивной способы погружения свай.
• Технология изготовления буронабивных свай.

Глава 7. Интенсификация свайных работ в зимнее время.

• Технология и механизация зимнего бетонирования свайных набивных фундаментов и ростверков.
• Приготовление, транспортировка и укладка бетонных смесей в зимнее время.
• Повышение качества и эффективности устройства свайных фундаментов в результате охлаждения грунтов основания.

Глава 8. Повышение качества выполнения свайных работ.

• Мероприятия обеспечения качества погружения свай.
• Производственный контроль выполнения работ.

Глава 9. Технологическая оснастка, приборы и контрольно-измерительная аппаратура.

• Условия обеспечения технологичности и точности погружения свай. Технические средства контроля.
• Кондукторы и наголовники.
• Машины для срезки свай.
• Оборудование для статических и динамических испытаний.
• Приборы и отказомеры для производственного контроля погружения свай.
• Автоматизация процессов управления и контроля при производстве свайных работ.
• Примеры расчета отказа сваи.

Глава 10. Техника безопасности при производстве свайных работ.