СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВИСЯЧИХ СВАЙ Российский патент 2006 года по МПК E02D27/34 E02D3/12 

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.

Использование: строительство, а именно создание свайных фундаментов сооружений на висячих сваях. Технический результат - повышение несущей способности висячих свай путем усиления сил их бокового трения и лобового сопротивления. Сущность изобретения: в грунт, находящийся в межсвайном пространстве и основании свай, подают через расположенные с шагом 1,5-2,0 м инъекторы на глубину, превышающую 1-2.5 м, погружения свай, твердеющий раствор под постепенно возрастающим давлением до образования полостей гидроразрыва радиусом 1.5-2.0 м вокруг каждого инъектора, после чего ведут инъектирование под постоянным давлением 2-10 атм, что приводит к уплотнению и армированию грунта, обжатию свай и повышению их несущей способности в 1,5-2,0 раза. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

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.