СВАЯ Российский патент 2004 года по МПК E02D5/48 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при выполнении свай с уширениями для фундаментов различных сооружений, преимущественно возводимых на многослойных грунтах, слои которых имеют различные механические характеристики.

Известна свая, содержащая ствол, по длине которого равномерно распределены уширения, выполненные в виде одинаковых муфт (см. патент США №3975917, кл. 405-232, оп. 1976). Известные сваи используются при возведении фундаментов, состоящих из расположенных на небольшом расстоянии друг от друга одинаковых свай, причем уширения какой-либо сваи смещены относительно уширения смежной сваи. Каждое уширение выполнено в виде фланца с кольцевой боковой поверхностью в центре фланца.

Известная свая имеет низкую несущую способность, поскольку фланцы смежных свай, расположенные на незначительном расстоянии друг от друга, взаимодействуют через грунт. В результате происходит перераспределение давлений, воздействующих на сваю в направлении вершины столба, и снижается величина общего сопротивления сваи нагрузке, что приводит к соответствующему снижению несущей способности сваи.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной является свая, содержащая ствол, по длине которого распределены уширения, выполненные с расширяющимися к вершине ствола коническими или пирамидальными поверхностями (см. патент РФ №2024681, кл. E 02 D 5/30, 1994). В известной свае уширения выполнены в виде усеченных конусов или пирамид, основания которых обращены к вершине столба. Все уширения практически равномерно распределены по длине ствола, при этом расстояние между смежными уширениями и их размеры не зависят от характеристик грунта, в котором расположено уширение.

Недостатками известной сваи являются ее низкая несущая способность, особенно при работе сваи в многослойном грунте, и высокая материалоемкость. В известной свае не проведена оптимизация размеров уширений и расстояний между смежными уширениями, что снижает полную несущую способность сваи и приводит к повышенной ее материалоемкости.

Задачей изобретения является повышение несущей способности сваи с уширениями при одновременном снижении ее материалоемкости.

Для достижения указанных задач предложена новая свая, содержащая ствол, по длине которого распределены уширения, выполненные с расширяющимися к вершине ствола коническими или пирамидальными поверхностями, при этом расстояние h_i на оси ствола между проекциями концов нижних поверхностей уширений на эту ось определяется соотношением h_i=l_ki·_{tgα +lki+1·ctgα , где lki, lki+1 - вылеты смежных уширений от поверхности ствола, α - угол между скосом нижней поверхности уширения и плоскостью, перпендикулярной оси ствола, площадь проекции какого-либо уширения Si на плоскость, перпендикулярную оси ствола, определяется выражением}

,

где S₁ - площадь проекции нижнего уширения на плоскость, перпендикулярную оси ствола, Е_i - модуль упругости i-го слоя грунта, Е₁ - модуль упругости материала, в котором расположено нижнее уширение, причем величина угла скоса нижней поверхности уширения должна быть не менее угла внутреннего трения грунта. При этом предпочтительно: верхнюю поверхность уширения выполнять со скосом, расположенным под острым углом к оси ствола, направленной к его вершине, и выполнять ее пересекающейся с нижней поверхностью уширения; это уширение дополнительно снабжать фаской, поверхность которой параллельна оси ствола или расположена под острым углом к оси ствола; угол скоса верхней поверхности уширения выбирать в диапазоне 60-85° ; уширения выполнять пустотелыми и при этом выполнять внешнюю форму в виде оболочки; сваю дополнительно снабжать арматурой, которая выполняется в виде металлических стержней, расположенных параллельно оси ствола, и металлических стержней, заведенных из ствола в нижние зоны уширений.

При воздействии на столб сваи вертикальной нагрузки части ствола, расположенные между смежными уширениями, работают только на трение и поэтому не вносят существенного вклада в сопротивление этой нагрузке. В заявленной свае каждое уширение вносит максимальный вклад в общее сопротивление вертикальной нагрузке за счет оптимизации расстояния между смежными уширениями, которое определяется с использованием заявленного соотношения, определяющего расстояние h_i. В этом случае расположение смежных уширений на стволе сваи таково, что усилия соседних слоев грунта в направлении, перпендикулярном поверхностям уширений, не пересекаются и каждое уширение вносит максимальный вклад в создание общей вертикальной силы, направленной к вершине ствола. Это позволяет полностью использовать длину ствола с уширениями, обеспечивая максимальный вертикальный отпор грунта. Одновременно, уменьшение длины ствола за счет оптимизации расстояний между смежными уширениями позволяет снизить материалоемкость сваи. Для получения равномерного давления разных слоев грунта на соответствующие уширения следует учитывать, что площадь опоры уширения зависит от характеристик слоя грунта, в котором расположено уширение, влияющих на сжатие грунта. Эти характеристики слоев грунта определяются посредством лабораторных испытаний образцов различных слоев и одна из них называется модулем упругости - Е. При слабом грунте (например, песок) уширение должно иметь большую площадь наклонной поверхности в сравнении с размещением уширения в жестком грунте. Исходя из общности перемещений всех узлов сваи, установлено, что площадь проекции уширения на плоскость, перпендикулярную оси ствола, определяется заявленным выражением для S_i, причем величина угла скоса нижней поверхности уширения должна быть не менее величины угла внутреннего трения грунта, так как в противном случае будет происходить выскальзывание грунта из-под уширения.

Снижению материалоемкости сваи способствует выполнение уширений пустотелыми в виде оболочек, поскольку материал, расположенный внутри сплошного уширения, практически не влияет на создание вертикального отпора грунта. Оптимизации характеристик сваи способствует выполнение уширения таким, в котором верхняя поверхность расположена под острым углом по отношению к оси ствола, направленной к его вершине, и пересекается с нижней поверхностью уширения. Вследствие того, что при сохранении такого же вертикального усилия, как и в случае расположения верхней поверхности уширения перепендикулярно поверхности ствола, удается уменьшить массу уширения. Подобное уширение предпочтительно выполнять с фаской, поверхность которой параллельна оси ствола или расположена под острым углом к этой оси, направленной к вершине ствола, что способствует дальнейшему снижению массы уширения и повышению несущей способности сваи за счет дополнительного вклада фаски уширения. Угол скоса верхней поверхности уширения должен превышать угол скоса нижней поверхности уширения по отношению к оси ствола, направленной к его вершине, при этом оптимальная величина угла наклона верхнего скоса составляет 60-85° . При углах скоса, превышающих 85° , снижение материалоемкости практически не сказывается на общей материалоемкости сваи, в то время как технология изготовления уширений существенно усложняется. При углах скоса менее 60° резко снижается механическая прочность уширения, что может привести к его разрушению. Для обеспечения минимального объема уширения предпочтительно снабжать сваю арматурой в виде металлических стержней, расположенных параллельно оси ствола, и заводить часть стержней, размещенных в стволе, в нижнюю зону уширения. В этом случае угол скоса верхней поверхности уширения можно выбирать близким к 60° , что существенно снижает материалоемкость сваи.

Приложенные чертежи изображают: фиг.1 - общий вид сваи с уширениями, которые расположены друг от друга на оптимальном расстоянии, фиг.2 - часть сваи, в которой верхняя поверхность уширения выполнена со скосом, фиг.3 - часть сваи, в которой верхняя поверхность уширения выполнена со скосом и концевая часть уширения снабжена фаской, фиг.4 - часть сваи, в которой уширения выполнены пустотелыми, фиг.5 - часть сваи, снабженной арматурой в виде металлических стержней, размещенных параллельно оси ствола, и металлических стержней, которые из ствола заведены в нижнюю зону уширения. На фиг.1, кроме того, указаны направления различных усилий, воздействующих на элементы сваи: Р_в - вертикальная нагрузка на сваю, Р_г - горизонтальное усилие слоя грунта, воздействующее на нижнее уширение, которое можно разложить на две составляющие Р₁ - составляющая, направленная перпендикулярно нижней поверхности уширения, Р₂ – составляющая, направленная параллельно оси ствола.

Заявленная свая содержит: ствол 1 с нижним уширением 2, выполненным в виде опрокинутого усеченного конуса, 3, 4, 5 - уширения, выполненные с коническими или пирамидальными поверхностями, которые расширяются к вершине ствола, 6 - нижняя поверхность произвольно выбранного уширения, 7 - верхняя поверхность произвольно выбранного уширения, 8 - верхняя поверхность нижнего уширения, 9 - верхняя поверхность уширения, в которой верхняя поверхность выполнена со скосом, который расположен под острым углом к оси ствола, 10 - фаска уширения, имеющего верхнюю поверхность, выполненную со скосом, 11 - внутренняя полость пустотелого уширения, 12 - оболочка пустотелого уширения, 13 - металлический стержень арматуры, расположенный параллельно оси ствола, 14 - металлический стержнь арматуры, заведенный из ствола в нижнюю зону уширения, 15 - окончание скошенной поверхности нижнего основания (проекция этого окончания на ось ствола - А), 16 - окончание скошенной поверхности уширения, смежного с нижним уширением (В - проекция этого окончания на ось ствола О-О₁). На фиг.1 показана свая с уширениями, размещенная в двухслойном грунте, где - слой плотного (малосжимаемого) грунта, - слой слабого (например, песчаного) грунта. Заявленная свая (ствол 1 и уширения 2, 3, 4 и 5) может быть выполнена из бетона (марка не ниже 200), железобетонной или из других материалов. Форма поперечного сечения ствола 1 может быть различной - круг, кольцо, квадрат, прямоугольник и др. Разные формы уширений показаны на фиг.1-4. Предпочтительно нижнюю поверхность каждого уширения располагать под углом 45° по отношению к оси столба. Свая, как правило, изготавливается монолитной, однако, может выполняться и из отдельных секций, которые надежно соединяются между собой. Диаметр столба 1 обычно бывает в пределах 0,4-2 м, а диаметр уширений 2, 3, 4 и 5 выбирается в пределах 0,7-3,5 м и более. При изготовлении заявленной сваи могут быть использованы различные способы. Рассмотрим один из них. Бурят скважину до проектной отметки и проводят исследование характеристик материалов слоев, которые встречаются по глубине скважины, в том числе модули упругости Е_i этих материалов. Используя заявленное соотношение, определяют расстояния h_i между окончаниями смежных уширений и наносят соответствующие отметки на стенках скважины. Далее, начиная с дна скважины, изготавливают уширения в зонах отметок путем разбуривания полостей с помощью уширителя (см. Под ред. Смородинова М.И. “Справочник по общестроительным работам (основания и фундаменты)”, М., Стройиздат, 1974, с.218). При этом учитывается площадь большого основания каждого уширения S_i (при выполнении уширения L в виде усеченного конуса), которая вычисляется с помощью заявленного выражения. При этом во всех углублениях под уширения выбирают угол нижнего скоса не менее угла внутреннего трения слоя грунта, в котором будет располагаться уширение. По окончании проведенных работ в случае необходимости может устанавливаться арматурный каркас. Затем проводят бетонирование, которое предпочтительно выполнять с использованием вертикально перемещающейся трубы. Бетон подают в трубу из автобетоносмесителя или приемного бункера. По мере бетонирования нижних зон скважины труба постепенно извлекается из скважины.

Заявленная скважина работает следующим образом. После установки сваи в грунте и размещения на ней необходимых сооружений на сваю воздействует вертикальная нагрузка Р_в. На конусообразные уширения 2, 3, 4 и 5, имеющие расширяющие к вершине столба 1 конические поверхности 6, воздействует горизонтальное давление слоев грунта Р_г, которое обеспечивает создание вертикальных составляющих Р₂. Нижние конические поверхности 6 за счет сцепления со слоями грунта способствуют увеличению несущей способности сваи. Вертикальные составляющие на нижних поверхностях 6 уширений 2, 3, 4 и 5 в сумме образуют значительную силу сопротивления, направленную против вертикальной нагрузки Р_в на сваю. Нижнее основание 2 использует также большую сопротивляемость слоя грунта , внося дополнительный вклад в силу сопротивления, направленную против вертикальной нагрузки, воздействующей на сваю. В результате изложенного удается повысить несущую способность сваи с уширениями.

Поскольку размер площадей всех уширений оптимизируют с использованием заявленного соотношения, удается сократить количество материала, затрачиваемого на изготовление уширений. Этому же способствует и опимальный выбор участков столба между смежными уширениями, используя заявленное соотношение, за счет чего удается уменьшить длину сваи.

Испытания, проведенные на опытных образцах заявленной сваи, показали, что несущая способность сваи увеличилась более чем на 30%, а материалоемкость сваи снизилась более чем на 20%. Дополнительным преимуществом заявленной сваи является возможность использования ее при возведении различных фундаментов на многослойных грунтах.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в сваях с рсширениями, применяемых преимущественно при возведении фундаментов на многослойных грунтах. Свая содержит ствол, по длине которого распределены уширения, выполненные с расширяющимися к вершине ствола коническими или пирамидальными поверхностями, при этом расстояние h_i на оси ствола между проекциями концов нижних поверхностей уширений на эту ось определяется приведенными соотношениями, причем величина угла скоса нижней поверхности уширения должна быть не менее величины угла внутреннего трения грунта. Технический результат изобретения состоит в повышении несущей способности сваи при одновременном снижении ее материалоемкости. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Свая, содержащая ствол, по длине которого распределены уширения, выполненные с расширяющимися к вершине ствола коническими или пирамидальными поверхностями, отличающаяся тем, что расстояние h_i на оси ствола между проекциями концов нижних поверхностей уширений на эту ось определяется соотношением

h_i=l_ki·_{tgα +lki+1·ctgα ,}

где l_ki, l_ki+1 - вылеты смежных уширений от поверхности ствола;

α - угол между скосом нижней поверхности уширения и плоскостью, перпендикулярной оси ствола,

площадь проекции какого-либо уширения S_i на плоскость, перпендикулярную оси ствола, определяется выражением

,

где S₁ - площадь проекции поверхности нижнего уширения на плоскость, перпендикулярную оси ствола;

Е_i - модуль упругости материала i-го слоя грунта;

Е₁ - модуль упругости материала, в котором расположено нижнее уширение,

причем величина угла скоса нижней поверхности уширения должна быть не менее величины угла внутреннего трения грунта.