способ повышения несущей способности висячих свай

Формула изобретения

1. Способ повышения несущей способности висячих свай для создания свайных фундаментов на слабых дисперсных грунтах путем подачи твердеющего раствора, отличающийся тем, что подачу раствора осуществляют через расположенные с шагом 1,5-2,0 м инъекторы в грунт, находящийся в межсвайном пространстве и основании свай под возрастающим давлением до образования в грунте полостей гидроразрыва радиусом 1,5-2,5 м вокруг каждого инъектора, а дальнейшую подачу осуществляют под постоянным давлением 2-10 атм, причем инъекторы погружают на глубину, превышающую на 1-2,5 м глубину погружения свай.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при создании плитного фундамента на сваях инъекторы погружаются по всему свайному полю по сетке 1,5×1,5; 2×2; 2×3 м через металлические патрубки, вмонтированные в фундаментную плиту при ее создании.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при усилении несущей способности свай построенных сооружений установку инъекторов производят из подвала сооружения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, в частности к созданию свайных фундаментов зданий и сооружений на висячих сваях в слабых дисперсных грунтах большой мощности.

Наиболее близкими являются способы повышения несущей способности висячих свай путем: а) увеличения длины и диаметра свай, б) уменьшения расстояния между сваями и увеличения общего количества свай на единицу площади фундамента, в) расширение нижнего окончания (пяты) сваи, г) увеличения диаметра сваи с применением разрядно-импульсной технологии (1).

Недостатком известных способов является то, что повышение несущей способности висячих свай достигается за счет увеличения площади их трущихся поверхностей (боковой и лобовой), а не за счет повышения трения грунта на контакте со сваей. Это приводит к необходимости увеличения размеров свай и их количества на единицу площади фундамента, что связано с повышением трудовых затрат и материалоемкости строительства и в конечном итоге приводит к существенному удорожанию свайных фундаментов.

Задача изобретения - повышение несущей способности висячих свай за счет повышения сил трения и сопротивления на контакте грунта со сваями.

Сущность способа заключается в следующем.

Повышение несущей способности висячих свай для создания свайных фундаментов на слабых дисперсных грунтах осуществляется путем подачи твердеющего раствора через расположенные с шагом 1,5-2,0 м инъекторы в грунт, находящийся в межсвайном пространстве и основании свай, под возрастающим давлением до образования в грунте полостей гидроразрыва радиусом 1,5-2,5 м вокруг каждого инъектора, а дальнейшую подачу осуществляют под постоянным давлением 2-10 атм, причем инъекторы погружают на глубину, превышающую на 1-2,5 м глубину погружения свай. Нагнетание раствора возможно проводить в противоположных направлениях, например, посредством трехнаправленных щелевых инъекторов, располагаемых вдоль внешнего и внутреннего контуров фундамента на расстоянии 0,5-1,0 м от него. При создании плитного фундамента на сваях инъекторы погружаются по всему свайному полю по сетке 1,5×1,5, 2×2, 2×3 м через металлические патрубки, вмонтированные в фундаментную плиту при ее создании.

Для усиления несущей способности свай построенных сооружений установку инъекторов производят из подвала сооружения.

После завершения нагнетания раствора инъектор погружается на новую глубину с тем расчетом, чтобы зоны укрепленного грунта в двух соседних точках инъектирования примыкали друг к другу. В результате этой процедуры происходит уплотнение грунта раствором, заполняющим полости, что вызывает повышение физико-механических свойств грунта и усиливает контактное взаимодействие грунт-свая. Кроме того, при затвердевании раствора происходит образование в грунте твердых цементных включений, армирующих грунт, что усиливает эффект уплотнения грунта и его взаимодействие со сваей.

Таким образом, высокая эффективность способа достигается за счет использования в качестве уплотняющего и армирующего материала твердеющего раствора, который подается под давлением в межсвайное пространство и основание свай, что приводит к уплотнению грунта и его армированию (после затвердевания цементной смеси), а также обжатию свай и в конечном итоге - повышению их несущей способности в 1,5-2,0 раза за счет роста сил трения по боковой поверхности сваи и их лобового сопротивления.

Дополнительным положительным техническим результатом данного способа является возможность достигать повышение несущей способности висячих свай под ранее построенными в том числе аварийными зданиями при их ремонте, реконструкции или надстройке, что чрезвычайно сложно осуществлять известными способами в виду необходимости введения под построенное здание дополнительного количества свай.

На чертеже изображен в аксонометрической проекции фрагмент свайного фундамента в виде висячих свай и соединяющего их ростверка.

Способ осуществляется следующим образом.

На участке строительства здания или сооружения вдоль внутреннего и внешнего контура ленточного свайного фундамента (ростверка 1, соединяющего висячие сваи 2) на расстоянии 0,5-1,0 м по обе стороны фундамента погружаются трехнаправленные щелевые инъекторы 3 с шагом в 1,5-2,0 м на глубину, превышающую на 1-2,5 м глубину погружения сваи (h). В случае повышения несущей способности свайного фундамента уже построенного здания или сооружения внутренний ряд инъекторов погружается из подвала или с внешней стороны фундамента вводятся наклонные инъекторы. Величина шага обусловлена состоянием массива грунта и задаваемой величиной повышения несущей способности сваи. При уменьшении шага достигается наибольший эффект в применении предлагаемого способа.

Через инъекторы 3 с вертикальным шагом 1,5-2,0 м производится нагнетание твердеющего раствора (например, песчано-цементного, марки М-200), служащего для уплотнения грунта вокруг свай и в их основании. Нагнетание осуществляется вначале с возрастающим давлением до образования полостей гидроразрыва, а затем под давлением 2-10 атм. С повышением плотности грунта давление уплотнение грунта повышается. Верхняя граница давления лимитируется началом выхода смеси на поверхность вдоль инъектора. Скорость подачи смеси составляет 2-5 л/мин. Общая продолжительность инъектирования в одной точке в среднем составляет 0,5-2 часа.

Объем закачиваемого твердеющего раствора рассчитывается по величине плотности и пористости данного грунта, которые необходимо достичь для получения планируемого повышения несущей способности сваи. Например, для повышения несущей способности стандартной сваи в 2 раза в суглинке с пористостью 48% необходимо уменьшить его пористость до 42%, следовательно, объем песчано-цементной смеси, необходимый для уплотнения 1 м³ грунта, составляет 0,06 м³.

После твердения раствора в уплотненном массиве образуются жесткие включения, армирующие весь массив. Уплотненный и армированный природно-техногенный массив обжимает сваи, повышая их боковое трение и лобовое сопротивление.

Таким образом, увеличение несущей способности висячих свай происходит за счет уплотнения и армирования грунта в межсвайном пространстве и в основании свай, приводящее к увеличению бокового трения свай при их обжатии и лобового сопротивления - при упрочнении грунта под нижними концами свай.

В случае повышения несущей способности плитного фундамента на сваях инъекторы размещаются по сетке 1,5×1,5, 2×2, 2×3 м по всему свайному полю. Инъектирование цементной смеси осуществляется после создания фундаментной плиты. В ходе устройства плиты в ней вертикально устанавливаются по заданной сетке металлические патрубки с внутренним диаметром 5-6 см, необходимые для проведения инъектирования твердеющего раствора с поверхности плиты. Инъектирование по внешнему контуру плиты осуществляется с помощью трехщелевого инъектора, а внутри свайного поля плиты - через четырехщелевой инъектор.

При усилении плитных свайных фундаментов построенных зданий и сооружений установку инъекторов производят из подвала здания.

Пример. 14-этажное блочное здание, состоящее из двух блоков-секций размером 14,1×26,4 м, построено на свайных ленточных фундаментах. Сваи опираются на глинистые грунты с модулем деформации 11 МПа и пылеватые пески с модулем деформации 13-20 МПа. Длина свай 6-7 м. Ростверки являются фундаментами поперечных несущих стен. Сваи забиты в шахматном порядке вдоль ростверка с шагом около 1,5 м.

В основании здания с поверхности до глубины 4,0-5,0 м залегают неуплотненные насыпные грунты, отсыпанные за месяц до начала строительства, влажные, водонасыщенные (за счет верховодки). Ниже до глубины 6,0-8,0 м расположена пачка переслаивающихся верхнечетвертичных аллювиальных глин и суглинков, мягкопластичных до полутвердых консистенций с прослоями песка, супесей и органических остатков. Модуль деформации пород пачки составляет 5-15 МПа. Еще ниже расположены верхнечетвертичные аллювиальные отложения, представленные песками разной крупности от пылеватых до крупных с модулем деформации от 13 до 40 МПа. Грунтовые воды вскрыты на глубине 6,5-7,0 м.

Недостаточная несущая способность свай обусловила неравномерную осадку здания и его значительный крен. По результатам статических испытаний трех свай до усиления основания несущая способность свай составила 36 и 42 т. При этом расчетная несущая способность свай была взята 60 т., т.е. дефицит несущей способности свай составил 18-24 т. В результате здание получило крен в фасадную сторону. К моменту начала работ средняя неравномерная осадка достигла около 160 мм, среднее отклонение верхней части здания - 475 мм.

С целью повышения несущей способности существующего свайного основания и предотвращения дальнейших осадок была выполнена работа по повышению несущей способности сваи с помощью предлагаемого способа. Проект предусматривал на первом этапе усиление грунтов на глубину 2,0-2,5 м под острием свай и на 0,5-1,0 м вдоль боковой поверхности свай. На втором этапе было проведено усиление насыпных грунтов, что позволило устранить отрицательное трение этих грунтов из-за продолжающегося их гравитационного уплотнения, а во-вторых, увеличить их трение по боковой поверхности свай.

Объем нагнетаемого твердеющего раствора был рассчитан таким образом, чтобы снизить пористость пылеватых песков в основании свай на 5%. Согласно расчетам это могло привести к повышению модуля деформации этих песков с 11 до 18 МПа. Поскольку дополнительный эффект от армирования грунтов было оценить сложно, то было решено после завершения работ провести испытание несущей способности свай путем их погружения с помощью домкратов. Всего было испытано три сваи с фасадной части здания (при этом две из них испытывались до начала работ по укреплению) и две - с дворовой части здания. Значения предельного сопротивления для испытанных свай составили от 64 до 78 т. Нормативное значение предельного сопротивления было взято 64 т. Таким образом, в результате проведенных работ средняя несущая способность свай увеличилась с 36 до 64 т, т.е. почти в 2 раза и превысила на 4 т необходимую расчетную величину несущей способности сваи (60 т).

Источники информации

Л.Е.Линович. Расчет и конструирование частей гражданских зданий. Киев: Будивельник, 1972, с.293-294.