способ усиления фундаментов

Формула изобретения

Способ усиления фундаментов, включающий бурение через фундамент скважины, погружение в нее гидромонитора и образование им уширений, установку арматурного каркаса, нагнетание в нее бетона, отличающийся тем, что сваи жестко защемляют в цилиндрических уширениях, расположенных под подошвой фундамента и нижней части сваи, и по длине скважины, а высота цилиндрических уширений равна диаметру уширения, который определяют по следующей зависимости:



где _K - коэффициент надежности;

N - нагрузка на сваю, кН;

d - диаметр сваи, м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа;

h - толщина i-слоя грунта соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

_CR - коэффициент условий работы под нижним концом буроинъекционой сваи с уширением;

_cf - коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности буроинъекционной сваи;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к усилению фундаментов зданий буроинъекционными сваями и может быть использовано в пылевато-глинистых грунтах, находящихся в любой консистенции.

К буроинъинекционным сваям относят сваи диаметром 0,15-0,25 м, устраиваемые в пробуренных скважинах путем нагнетания (инъекции) в них мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора, или буроинъинекционные с уплотнением окружающего грунта путем обработки скважины по разрядно-импульсной технологии (сваи РИТ).

При забивке свай в грунт в результате его вытеснения из-под острия сваи уплотняется окружающая ее область. В буроинъекционных сваях эта область отсутствует. Поэтому для усиления буроинъекционных свай проводят дополнительные мероприятия с целью повышения их несущей способности так, чтобы соблюдалось равенство сопротивлений под нижним и верхним концами сваи. Чтобы исключить потерю устойчивости сваи от продольного изгиба в окружающих грунтах, деформируемую сваю рассматривают как гибкий стержень, расположенный в упругой среде, деформация которого зависит от критической нагрузки, вызывающей продольный изгиб.

Величина критической нагрузки на сваю наряду с другими факторами (прочности материала, несущей способности грунта и др.) зависит от способа закрепления ее концов.

Критическую силу для упругого стержня определяют по обобщенной формуле (15.7)

,

где µ - коэффициент приведенной длины;

Е - модуль деформации материала сваи, кПа;

J - момент инерции сечения стержня, м⁴;

l - длина стержня, м.

(Смирнов А.Ф., Александров А.В., Монахов Н.И., Парфенов Д.Ф., Срябин А.И. и др. Сопротивление материалов. Высшая школа, М., 1969). Из этой зависимости видно, чем меньше значение µ, тем больше значение критической силы.

Как видно из рис.392, для шарнирно опертого по концам µ=2, а для стержня, заделанного двумя концами, µ=0.5.

Для слабых грунтов критическую нагрузку на буроинъекционную сваю рекомендуется определять по формуле (71). (Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Издательство Бумажная Галерея, 2000, с.228.)

,

где k - коэффициент постели основания в горизонтальном направлении, определяемый по результатам прессиометрических испытаний слабого слоя;

d - диаметр сваи, м;

Е - модуль общей деформации материала сваи, кПа;

I - приведенный момент инерции сечения сваи, м ⁴.

В этой формуле не отражена зависимость критической силы от способа закрепления концов сваи.

Заделку сваи в ростверк возможно выполнить путем создания пирамидального отверстия в усиливаемом фундаменте (Штоль Т.М., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1990, стр.180, рис.7.42) и выпуска арматуры в отверстие и ее заполнение бетонной смесью.

При усилении оснований существующих фундаментов с помощью буроинъекционных свай длина заделки сваи в фундамент должна приниматься по расчету или назначаться конструктивно равной пяти диаметрам сваи; при невозможности выполнения этого условия следует предусмотреть создание уширения ствола сваи в месте ее примыкания к ростверку (СП 50-102-2003 п.8.9).

Недостатками рассмотренных способов являются:

- необходимость откопки усиливаемого фундамента;

- невозможность выполнить условие, чтобы критическая сила в заделке сваи в ростверк была равна расчетному сопротивлению грунта под нижним концом сваи;

- невозможность выполнить эти условия при малой толщине фундамента, что снижает сопротивление продольному перемещению верхнего конца сваи;

- не учитывается расчетная нагрузка на сваю;

- недостаточный момент сопротивления изгибу.

Известные способы усиления несущей способности свай во многом зависят от несущей способности грунта под нижним концом сваи. В некоторых случаях на дно скважин засыпается щебень или жесткий бетон толщиной 15-20 см, который уплотняется с помощью долота или виброштампа (Метелюк Н.С., Шишко Г.В., Соловьева А.Б., Грузинцев В.В. Сваи и свайные фундаменты. Киев, «Будiвельник», 1977, с.204-205, рис.4-4).

Известен способ возведения набивной сваи с уплотнением основания (а.с. № 165243 5 Е02В 5/38), который представляет собой образование скважины, отсыпку в ней отдельными слоями грунтового материала и втрамбовывание его в дно скважины с заполнением скважины бетоном.

Известны способы усиления несущей способности сваи за счет увеличения зоны уплотнения по всей длине сваи направленным взрывом, патент РФ № 2081240, МПК⁶ E21D 1/00, а также использование разрядно-импульсной технологии для уплотнения грунтов, вмещающих сваю (Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Бумажная Галерея, 2000, с.233-235, рис.85).

Повышение несущей способности сваи достигают путем образования камуфлетного уширения под нижним концом сваи с помощью механического уширителя, применение которого возможно только в грунтах тугопластичной консистенции (Костерин Э.М. Основания и фундаменты. М.: Высшая школа, 1978, с.164-169, рис.7.22; 7.25), а также использование для расширения скважин гидромониторов при их извлечении с вращением и размывом стенок скважины (SU 1209769, кл. E02D 5/30, 10.04.84), создание камуфлетного уширения с помощью взрыва заряда ВВ (Штоль Т.М., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1990, с.172-176, рис.7.63а), включающий бурение скважины, размещение на дне скважины сосредоточенного заряда ВВ. После взрыва на дне скважины образуется шарообразное камуфлетное уширение.

Недостатками рассмотренных способов являются:

- невозможность контроля качества выполненной работы;

- применение сложного оборудования;

- сейсмическое воздействие при применении взрывчатых веществ и разрядно-импульсной технологии;

- при наличии слабых грунтов с нарушенной структурой до начала заполнения скважин бетоном их стенки будут обрушаться;

- при высоком уровне подземных вод необходимо организовывать водопонижение;

- в скважинах малого диаметра невозможно применение механических уширителей;

- если центр заряда не совпадает с осью скважины, то шарообразное камуфлетное уширение смещается от оси скважины, что снижает несущую способность сваи;

- недостаточная жесткость закрепления нижнего конца сваи.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ повышения несущей способности буронабивной сваи с использованием продуктов взрыва для создания по длине скважины нескольких кольцевых полостей из уплотненного грунта (патент РФ № 2241098, МПК 7 E02D 27/08), включающий бурение скважины, установку в ней металлического цилиндра, имеющего кольцевые выемки с наклонными гранями, между которыми размещают заряд взрывчатого вещества для направления продуктов взрыва в сторону стенок скважины, и создание необходимого количества камуфлетных полостей.

Недостатками данного способа являются:

- невозможность рассчитать объем полостей;

- невозможность создания полости непосредственно под подошвой усиливаемого фундамента;

- не уплотняется дно скважины, что снижает жесткость закрепления нижнего конца сваи;

- сейсмические воздействия на фундамент усиливаемого здания;

- сложность выполнения в условиях городской застройки;

- не учитываются расчетное сопротивление грунта и величина передаваемой нагрузки.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение несущей способности буроинъекционной сваи при усилении фундаментов за счет жесткого защемления ее концов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе усиления фундаментов, включающем бурение скважины через фундамент усиливаемого здания и погружение в нее гидромонитора, образование уширений сваи, установку арматурного каркаса, нагнетание мелкозернистого бетона, согласно изобретению непосредственно под подошвой и на ее дне выполняются цилиндрические уширения высотой, равной диаметру уширения, который определяют по следующей зависимости:

,

где _K - коэффициент надежности;

N - нагрузка на сваю, кН;

d - диаметр сваи, м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа;

h - толщина i-слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

_CR - коэффициент условий работы под нижним концом буроинъекционой сваи с уширением;

_cf - коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности буроинъекционной сваи;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа.

Для повышения жесткости сваи продольному изгибу по ее длине выполняют требуемое количество промежуточных уширений. Цилиндрические уширения выполняют с учетом физико-механических характеристик грунтов и величины передаваемой нагрузки на сваю.

Сущность способа повышения несущей способности буроинъекционной сваи поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 изображен продольный разрез скважины с уширениями и погруженным в нее гидромонитором;

- на фиг.2 показан продольный разрез с установленной арматурой буроинъекционной скважины после инъекции одновременно с уширениями мелкозернистым бетоном.

В усиливаемом фундаменте 1 пробурена скважина 2 с погруженным в нее гидромонитором 3 для образования в грунте 4 высоконапорной водяной струей 5 уширений цилиндрической формы 6, 7, 8, которые после установки арматуры 9 совместно со скважиной 2 инъекцируются мелкозернистым бетоном 10. Уширения 6, 7, 8 выполняются высотой не менее диаметра уширения, который определяется по следующей зависимости:

где _K - коэффициент надежности;

N - нагрузка на сваю, кН;

d - диаметр сваи, м;

f_i - расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа;

h - толщина i-слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

_CR - коэффициент условий работы под нижним концом буроинъекционной сваи с уширением;

_cf - коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности буроинъекционной сваи;

R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа.

Пример

Необходимо определить размеры цилиндрического уширения буроинъекционной сваи для передачи на основание нагрузки N=150 кН при условии, что свая диаметром d=0.25 м, длиной 6 м размещается в пылевато-глинистых грунтах с показателем текучести I_L=0.3. Для проведения расчетов используем СП 50-102-2003:

где _K=1.4 по п.7.1.11, _cf=0.8 по табл.7.5, _CR=1.3 по п.7.2.6, R=700 кПа по табл.7.7, по табл.7.2 при показателе текучести I_L=0.3, f₁ =23 кПа, f₂=35 кПа, f₃=40 кПа. Подставляем эти значения в формулу и определяем диаметр уширения

Эффективность возведения буроинъекционной сваи с уширениями достигается сокращением количества свай, в результате снижаются расходы на буровые работы, сокращается расход бетона, позволяет увеличить нагрузку на фундамент и повысить устойчивость зданий и сооружений.