Свая кваша и способ заглубления ее в грунт

 

Цель изобретения: упрощение технологии погружения и повышение несущей способности по грунту. В конструкции сваи новым является то, что раскрывающиеся элементы размещены в нижней части полой железобетонной сваи, выполнены с переменным сечением и объединены между переменными по толщине и разрушаемыми бетонными перемычками, при этом сечение элементов и толщина перемычек к низу конструкции уменьшаются, а диаметр полости между элементами увеличивается, причем армирование раскрывающихся элементов выполнено из продольной, предварительно напряженной арматуры, установленной в радиальной плоскости симметрии каждого элемента с изменением эксцентриситета силы обжатия бетона по длине элемента, и стягивающего арматурного кольца, при этом арматура в верхнем сечении элементов расположена с эксцентриситетом от центра сечения элемента в сторону полости, а в нижнем сечении в наружную сторону. В способе по первому варианту новым является то, что используют полую железобетонную сваю с раскрывающимися элементами, расположенными в нижней части конструкции и объединенными разрушаемыми бетонными перемычками, погружают сваю в грунт и одновременно с уплотнением в полости сваи засыпаемого материала разрушают бетонные перемычки, изгибают элементы, сжимают боковые слои грунта и раскрывают сваю. По второму варианту способа новым является то, что перед погружением в грунте образуют скважину определенной глубины, устанавливают или погружают сваю и одновременно погружают ее, разрушают бетонные перемычки, изгибают элементы и раскрывают сваю.3 с. п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к строительству, в частности к фундаментам зданий и сооружений с козловым (веерным) расположением свай в грунтовом пространстве и технологии их устройства.

Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, а также практика, для строительства на слабых грунтах зданий и сооружений наиболее перспективными являются свайные фундаменты с козловым (веерным) расположением свай в грунте основания [1-3] По сравнению с фундаментами из свай с вертикальным их расположением в основании они имеют повышенную несущую способность на сложное нагружение и более рациональную конструкцию фундамента.

Козловым расположением свай в этом случае обеспечивают увеличение площади опирания фундамента на вдавливание и объем выпора грунта при его выдергивании, повышение жесткости фундамента по направлению действия горизонтальной силы и момента и амортизации фундамента на динамическое воздействие от машин при взаимодействии свай с увеличенным объемом межсвайного грунта и их работе на сжатие с изгибом.

Рациональность конструкции фундамента заключается в минимизации габаритов ростверка или его заменой на сборный железобетонный элемент с полостью. Это приводит к уменьшению себестоимости, снижает трудоемкость процесса устройства, дает возможность вести дальнейшие работы с планировочной отметки и т. д.

Наибольший интерес представляют следующие аналоги: самораскрывающиеся козловые сваи [2] и комбинированный свайный фундамент [3] Приведенные фундаменты в основном базируются на сборности и многоэлементности конструкции. При таком подходе усложняется процесс погружения свай и увеличивается его продолжительность. Кроме того, в обоих случаях дальнейшее увеличение несущей способности фундамента, связанное с дополнительным уплотнением межсвайного грунта, ограничивают их конструктивными и технологическими решениями.

Наиболее близким техническим решением является свайный фундамент, возводящийся по способу, описанному в [4] Этот способ по своему содержанию является комбинированным, поскольку он включает забивку сборной конструкции, трамбовку грунта и набивку сыпучего материала с одновременным раскрытием элементов, т. е. он включает совокупность существенных признаков известных технологических решений забивных, набивных и раскрывающихся свай.

Очевидно, что сборка в пакет и шарнирное соединение вертикальных элементов не упрощает технологию погружения. Кроме того, достижение повышенной плотности трамбовки и набивки соответственно грунта и сыпучего материала в межсвайном пространстве, а следовательно дальнейшее увеличение несущей способности фундамента по основанию методами рациональной технологии в данном случае затруднено, поскольку шарнирно соединенные вертикальные элементы образуют между собой пространство.

Цель изобретений упрощение технологии погружения и увеличение несущей способности фундамента по основанию.

Достижение поставленной цели обеспечивают применением полой, железобетонной сваи, раскрывающиеся элементы которой размещены в нижней ее части и объединены между собой разрушающимися бетонными перемычками, при этом, армирование элементов выполняют из продольной, предварительно напряженной арматуры, установленной в радиальной плоскости симметрии каждого элемента.

В частных случаях применения конструкция сваи имеет следующее выполнение: раскрывающиеся элементы выполнены с переменным сечением и объединены переменными по толщине бетонными перемычками, при этом сечение элементов и толщину перемычек к низу конструкции уменьшают, а диаметр полости между элементами увеличивают. Армирование элементов выполняют из арматуры, установленной с изменением эксцентриситета силы обжатия бетона по длине элемента, и стягивающего кольца, размещенного в сечении образования элементов, причем в верхнем сечении элементов арматуру располагают с эксцентриситетом от центра сечения элемента в сторону полости конструкции, а в нижнем сечении в наружную сторону.

В зависимости от способов заглубления конструкция сваи имеет несколько вариантов исполнения, отличающихся друг от друга заострением низа раскрывающихся элементов или его отсутствием, а также совокупностью частных отличительных существенных признаков. В некоторых случаях конструкцию могут выполнять в виде раскрывающейся железобетонной сваи-оболочки и без предварительного напряжения продольной арматуры.

Заглубление сваи в грунт осуществляют двумя основными способами или их комбинацией. В первом способе сваю погружают в грунт на проектную отметку и одновременно с уплотнением в ее полости засыпаемого материала разрушают бетонные перемычки, изгибают элементы и сжимают боковые слои грунта. Этот способ условно можно именовать, как набивной. Во втором способе перед погружением в грунте образуют скважину определенной глубины, погружают в нее сваю и одновременно погружают ее, разрушают бетонные перемычки и изгибают элементы. Второй способ условно можно именовать, как погружение с раскрытием. Комбинированный способ представляет собой совокупность определенных существенных признаков обоих способов.

Бетонными перемычками и предварительным напряжением обеспечивают целостность конструкции при ее кантовании, хранении и транспортировке, а в процессе заглубления начальное разрушение бетонных перемычек, равномерную и радиальную раздвижку элементов (раскрытие с изгибом), а также требуемую гибкость и максимальную трещиностойкость раскрывающихся элементов.

Применение готовой раскрывающейся сваи исключает из технологии заглубления сборку и соединение раскрывающихся элементов, что в известной степени является упрощением.

Повышение несущей способности фундамента по основанию по сравнению с прототипом реализуется в набивном способе, т. е. при набивке сыпучего материала в условно замкнутой полости погруженной сваи. Замкнутость полости обусловлена тем, что раскрывающиеся элементы существенно ограничивают выпор набиваемого материала и обеспечивают его объемное обжатие. При таком подходе можно получить максимальную плотность набивки. Кроме того, при раскрытии сваи осуществляют сжатие боковых слоев грунта. Таким образом, раскрытая свая с повышенной плотностью набивки полости и с уплотненным околосвайным грунтом работает под нагрузкой как единый грунтосвайный массив.

На фиг. 1 схематично показан разрез набивной раскрывающейся сваи, заглубляемой набивным способом (первым способом); на фиг. 2 сечение набивной раскрывающейся сваи А-А с разрезом по основному виду, фиг. 1; на фиг. 3 сечение набивной раскрывающейся сваи Б-Б с разрезом по основному виду (фиг. 1); на фиг. 4 сечение набивной раскрывающейся сваи В-В с разрезом по основному виду (фиг. 1); на фиг. 5 разрез забивной раскрывающейся сваи, заглубляемой способом погружения с раскрытием (вторым способом); на фиг. 6 сечение забивной раскрывающейся сваи Б-Б с разрезом по основному виду (фиг. 5); на фиг. 7 сечение забивной раскрывающейся сваи В-В с разрезом по основному виду (фиг. 5); на фиг. 8 схема погружения набивной раскрывающейся сваи до проектной отметки; на фиг. 9 схема уплотнения грунта под пятой набивной раскрывающейся сваи; на фиг. 10 схема набивки сердечником сыпучего материала в условно замкнутой полости набивной раскрывающейся сваи и ее раскрытие; на фиг. 11-схема установки забивной раскрывающейся сваи в заранее выполненную скважину; на фиг. 12 схема погружения забивной раскрывающейся сваи с одновременным ее раскрытием; на фиг. 13 сечение пяты раскрывающейся сваи с трещинами в бетонных перемычках от набивки (уплотнения) перед раскрытием и силы взаимодействия оболочки с грунтом в плоскости сечения; на фиг. 14 сечение пяты раскрывшейся сваи и силы взаимодействия оболочки с грунтом в плоскости сечения; на фиг. 15 схема односвайного фундамента, возведенного набивным способом (фиг. 8-10) и его нагружение; на фиг. 16 схема односвайного фундамента, возведенного способом погружения с раскрытием (фиг. 11-12) и его нагружение.

Полую готовую сваю сечением Г-Г условно разделяют на верхнюю и нижнюю части. Верхняя часть имеет форму и армирование стандартной (по ГОСТ) полой сваи. Нижняя часть выполнена из раскрывающихся элементов 1, объединенных бетонными перемычками 2. Боковые грани элементов 1 образуют между собой угол α который увеличивается от величины α_в в их верхнем сечении до величины α_н в нижнем сечении. По мере увеличения указанного угла толщина бетонных перемычек 2 уменьшается. Диаметр полости d в первом варианте исполнения (набивная раскрывающаяся свая) между элементами 1 по их длине не меняется. Диаметр полости d_в во втором варианте исполнения (забивная раскрывающаяся свая) между элементами 1 в верхнем сечении меньше, чем тот же диаметр d_н в пяте сваи.

Общее рабочее армирование частей сваи выполнено из продольной предварительно напряженной арматуры 3 в каждом элементе 1 и стягивающего кольца 4, размещенного в сечении образования раскрывающихся элементов 1, т. е. в сечении Г-Г. Арматуру 3 устанавливают в радиальной плоскости симметрии элементов 1, при этом стягивающим кольцом 4 обеспечивают проектное смещение арматуры от величины r_в с эксцентриситетом силы обжатия бетона элементов 1 от центра сечения в сторону полости, до величины r_н с эксцентриситетом от центра сечения в наружную сторону.

Заглубление первым способом набивной раскрывающейся сваи 5 реализуют следующим образом. Прежде всего сваю 5 с внецентренным заострением низа раскрывающихся элементов 1 в сторону полости погружают в грунт на проектную отметку. В процессе погружения первоначальное расположение элементов 1 обеспечивают за счет силового взаимодействия скоса с грунтом, при этом в оболочке пяты возникают сжимающие усилия. Погружение можно осуществлять совместно с сердечником 6. В буроопускном способе погружения используют сваю 5 без заострения низа элементов 1.

Образование уширенной пяты и набивку полости осуществляют следующим образом. В начале сердечником 6 вытесняют грунт из полости сваи и набивают засыпаемый материал ниже пяты. Таким образом, образуют ядро уплотненного грунта вне полости сваи 5. В процессе погружения и набивки от динамических нагрузок, уплотнения и внецентренного обжатия бетона напряженной арматурой низа элементов 1 в бетонных перемычках 2 пяты сваи возникают и развиваются трещины. Появление трещин и их развитие на начальном этапе набивки обуславливают минимальное равномерное и радиальное раскрытие элементов 1. При набивке под пятой используют сердечник 6 без заострения.

Далее набивают засыпаемый материал в уровне пяты сваи 5, при этом используют сердечник 6 с заострением. В дальнейшем через определенные интервалы по высоте набивают полость сваи 5 до проектной отметки верха набивки. В процессе набивки трещины развивают по бетонным перемычкам 2 до сечения Г-Г и элементы 1 раскрывают, при этом преодолевают сопротивление сжатию боковых слоев грунта и изгиба элементов 1.

Процесс образования уширенной пяты и плотной набивки характеризуется следующими особенностями. При набивке в уровне пяты сваи 5 засыпаемый материал давит на внутреннюю поверхность элементов 1 единичной силой g_i. В результате этого давления, а также влияния внецентренного обжатия бетона низа элементов 1 преодолевают сопротивление бокового сжатия околосвайного грунта R_бсм и элементы 1 равномерно и радиально раскрывают, при этом происходит дальнейшее развитие трещин по бетонным перемычкам 2. Равномерность и радиальность раскрытия элементов 1 обеспечивают за счет сил трения в трещинах бетонных перемычек 2 в месте условного защемления элементов 1. В дальнейшем при набивке засыпаемого материала в полости сваи 5 и по мере раскрытия элементов 1, длину участка условного защемления постепенно уменьшают и перемещают от пяты к сечению Г-Г.

На последнем этапе заглубления сваи 5 поверх набивки образуют монолитную бетонную заделку 8, закрывая при этом нормальные трещины от изгиба элементов 1. После этого осуществляют подготовку к возведению здания или сооружения. При возведении анкерного фундамента монолитную бетонную заделку 8 армируют, чтобы воспринять выдергивающие усилия.

Заглубление вторым способом забивной раскрывающейся сваи реализуют следующим образом. Сваю 5 с внецентренным заострением низа элементов 1 в наружную сторону устанавливают или погружают в заранее выполненную скважину определенной глубины. Затем ее погружают в грунт. На начальном этапе погружения от динамических нагрузок сваепогружающего оборудования, силового взаимодействия скосов элементов 1 с грунтом и внецентренного обжатия бетона низа элементов 1, в бетонных перемычках 2 появляются и развиваются трещины. В дальнейшем по мере погружения сваи 5, основным силовым фактором раскрытия элементов 1 становится взаимодействие уплотняемого грунта с поверхностью полости, при этом усиливается влияние параметров полости α и d. В процессе погружения трещины по бетонным перемычкам 2 развивают от пяты сваи 5 до сечения Г-Г и элементы 1 с изгибом раскрывают.

Уплотнение грунта осуществляют в полости путем погружения сваи 5 в грунт. Вследствие этого плотность набивки условно замкнутой полости значительно ниже, чем в первом способе.

Глубиной заранее выполненной скважины в этом способе регулируют величину раскрытия элементов 1, исключая в сравнительно плотных грунтах их чрезмерное раскрытие, а также проходят мерзлые грунты и насыпи с непробиваемыми включениями.

Процесс образования уширенной пяты фундамента проходит так же, как и в первом способе, т. е. он характеризуется равномерным и радиальным раскрытием элементов 1.

На заключительном этапе заглубления в полости сваи 5 образуют монолитную бетонную заделку 8, закрывая при этом нормальные трещины от изгиба элементов 1.

В целом, если исходить из существенных признаков устройства и способа заглубления, фундаменты из раскрывающихся свай можно рассматривать как безростверковые, односвайные фундаменты из раскрывающихся свай, возводящиеся комбинированным способом.

Как показали модельные исследования, фундамент из набивной раскрывающейся сваи, возводящийся по первому способу, имеет повышенную несущую способность по основанию на сложное нагружение, особенно на вдавливание и выдергивание. Фундамент из забивной раскрывающейся сваи, возводящийся по второму способу заглубления, имеет ярко выраженное свойство демпфера.

Формула изобретения

1, Свая, включающая раскрывающиеся элементы, соединенные между собой, отличающаяся тем, что раскрывающиеся элементы размещены в нижней части полой железобетонной сваи, выполнены с переменным сечением и объединены между собой переменными по толщине и разрушаемыми бетонными перемычками, при этом сечение элементов и толщина перемычек к низу конструкции уменьшаются, а диаметр полости между элементами увеличивается, причем армирование раскрывающихся элементов выполнено из продольной, предварительно напряженной арматуры, установленной в радиальной плоскости симметрии каждого элемента с изменением эксцентриситета силы обжатия бетона по длине элемента, и стягивающего арматурного кольца, размещенного в сечении образования раскрывающихся элементов, при этом арматура в верхнем сечении элементов расположена с эксцентриситетом от центра сечения элемента в сторону полости, а в нижнем сечении- в наружную сторону.

2. Способ заглубления сваи в грунт, включающий забивку сваи с раскрывающимися элементами, соединенными между собой, в грунт, засыпку материала между элементами и раскрытие элементов при уплотнении засыпаемого материала, отличающийся тем, что используют полую железобетонную сваю с раскрывающимися элементами, расположенными в нижней части конструкции и объединенными разрушаемыми бетонными перемычками, погружают сваю в грунт и одновременно с уплотнением в полости сваи засыпаемого материала разрушают бетонные перемычки, изгибают элементы, сжимают боковые слои грунта и раскрывают сваю.

3. Способ заглубления сваи в грунт, включающий забивку сваи с раскрывающимися элементами, соединенными между собой, в грунт, отличающийся тем, что используют полую железобетонную сваю с раскрывающимися элементами, расположенными в нижней части конструкции и объединенными разрушаемыми бетонными перемычками, перед погружением в грунте образуют скважину определенной глубины, устанавливают или погружают в нее сваю и одновременно погружают ее, разрушают бетонные перемычки, изгибают элементы и раскрывают сваю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16