Свая с оболочкой Российский патент 2022 года по МПК E02D5/38 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении свайных фундаментов, предназначенных для восприятия высоких горизонтальных нагрузок.

Известна конструкция сваи-оболочки с грунтовым наполнителем (см. а.с. СССР № 542790, МПК E02D5/24, дата публикации 28.02.1977). В полости конструкции расположены вертикальные перегородки для повышения несущей способности ствола сваи.

Недостаток аналога заключается в том, что такое решение повышает несущую способность сваи по материалу, но не по грунту, поскольку не позволяет вовлечь в работу больший объем окружающего грунта.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принята свая с оболочкой, содержащая внешнюю оболочку, внутри которой соосно, с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин (см. а.с. СССР № 1596019, МПК E02D 5/24, дата публикации 30.09.1990).

К недостаткам прототипа можно отнести:

- зависимость высоты внешней оболочки от диаметра ствола сваи;

- верхняя часть сваи, которая является наиболее нагруженным элементом системы при действии высоких горизонтальных нагрузок, остается полой, что снижает геометрические характеристики сечения сваи и приводит к повышению деформативности элемента;

- предполагает возможность устройства только «низкого» ростверка, в котором его подошва находится ниже уровня спланированной поверхности земли или совпадает с ним.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка конструкции сваи с повышенной несущей способностью при действии высоких горизонтальных нагрузок.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:

1. перераспределение напряжений в околосвайном грунте вблизи верхней, наиболее деформируемой части сваи и, как следствие, увеличение несущей способности конструкции и уменьшение перемещения головы сваи за счет следующих факторов:

- высота внешней оболочки, в пределах которой располагают ребра жесткости и значение которой не зависит от диаметра ствола сваи, позволяет повысить несущую способность сваи по грунту за счет более эффективного вовлечения в работу околосвайного грунта в области внешней оболочки, и как следствие более равномерного распределения напряжений в грунте;

- более рациональное радиальное расположение ребер жесткости с возможностью их точечной установки на разной высоте приводит к повышению несущей способности сваи по материалу за счет увеличения жесткости всей конструкции;

2. расширение области применения за счет следующих факторов:

- возможность устройства ростверка на различной высоте относительно уровня спланированной поверхности земли;

- возможность устройства ростверка не только под колонны, но и в виде балок, плит и других конструктивных элементов;

- возможность применения стволов и оболочек с различными формами поперечных сечений.

Поставленная задача решается тем, что свая с оболочкой, содержащая внешнюю оболочку, внутри которой соосно, с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин, отличается тем, что ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки, причем кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки, кроме того, верхние части ствола и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка.

Кроме того, поперечное сечение ствола сваи и/или внешней оболочки выполнено округлой формы.

Кроме того, поперечное сечение ствола сваи и/или внешней оболочки выполнено в форме многоугольника.

Сопоставительный анализ существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки» позволяют более рационально, с учетом преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки, расположить ребра жесткости в зазоре между стволом сваи и оболочкой, тем самым повышая несущую способность сваи по материалу за счет увеличения жесткости всей конструкции при уменьшении материалоемкости.

Признак «кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки» позволяет повысить несущую способность сваи по грунту за счет более эффективного вовлечения в работу околосвайного грунта в области внешней оболочки.

Признаки «верхние части ствола и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка» повышают жесткость верхней, наиболее деформируемой части сваи, уменьшают ее перемещение и тем самым снижают напряжения в околосвайном грунте, обеспечивая более равномерную передачу нагрузки от сооружения основанию.

Признаки зависимых пунктов формулы изобретения позволяют использовать стволы и оболочки различных форм, которые назначаются в зависимости от преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки и определяются из условия равномерного распределения напряжений в околосвайном грунте.

На фиг.1 показаны варианты поперечных сечений свай.

На фиг.2 изображено продольное сечение сваи.

На фиг.3 показана расчетная схема с верхним слабым и нижним прочным слоями грунта при соотношении их мощностей h₁/h₂.

На фиг.4 показаны сваи для сравнительного анализа:

а – цилиндрическая, без внешней оболочки;

б – цилиндрическая, с внешней оболочкой идентичной высоты.

На фиг.5 показаны перемещения голов цилиндрических свай от действия горизонтальной нагрузки при различных соотношениях мощностей верхнего слабого и нижнего прочного слоев грунта h₁/h₂.

На чертежах показаны внешняя оболочка 1, ствол 2, зазор 3 между внешней оболочкой 1 и стволом 2 сваи, ребра жесткости 4, общий ростверк 5.

Также на чертежах обозначены мощности верхнего слабого h₁ и нижнего прочного h₂ слоев грунта и высоты ствола сваи l и внешней оболочки l_о соответственно.

Свая состоит из внешней оболочки 1, выполненной из стали или железобетона, внутри которой соосно, с образованием зазора 3 расположен ствол 2 сваи.

Соотношение высот ствола 2 сваи l и внешней 1 оболочки l_о определяется в зависимости от мощности h₁ верхнего, как правило более слабого слоя грунта, прорезаемого внешней оболочкой 1, а максимальная высота внешней 1 оболочки l_о соответствует высоте l ствола 2 сваи.

Поперечные сечения внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи имеют округлую форму или форму многоугольника.

При этом форма поперечного сечения внешней оболочки 1 назначается в зависимости от преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки и в связи с этим может быть несимметричной.

Размеры поперечных сечений внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи определяют расчетным путем из условия недопущения пластических деформаций в околосвайном грунте, а также с учетом требуемой площади опирания надфундаментной конструкции на голову сваи.

Внешняя оболочка 1 и ствол 2 сваи жестко соединены друг с другом с помощью ребер жесткости 4, выполненных в виде продольных пластин, которые установлены радиально в зазоре 3 в верхней и нижней частях внешней оболочки 1, причем их кромки не выступают за торцы внешней оболочки 1.

Размеры ребер жесткости 4, включая их высоту, а также их расположение по высоте внешней оболочки 1 и в поперечном сечении определяют расчетным путем из условия недопущения пластических деформаций в околосвайном грунте, а также с учетом требуемой площади опирания надфундаментной конструкции на голову сваи.

При этом количество, размеры и расположение верхних и нижних ребер жесткости 4 могут различаться.

Верхние части внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка 5.

Заявляемые сваи погружают в грунт следующим образом.

В случае, если максимальные размеры поперечных сечений внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи соразмерны, изготавливают сваю, содержащую жестко соединенные внешнюю оболочку 1, ствол 2 сваи и ребра жесткости 4, далее готовую к установке в проектное положение сваю доставляют к месту установки.

На месте монтажа сваю погружают в грунт вибропогружателями, по мере ее заглубления все полости (при их наличии) заполняют грунтом.

Для обеспечения совместной работы внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи и возможности равномерной передачи нагрузки от сооружения основанию верхние части внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи жестко соединяют друг с другом, устраивая общий ростверк 5.

В случае, если максимальный размер поперечного сечения внешней оболочки 1 превышает максимальный размер поперечного сечения ствола 2 сваи в шесть и более раз, а установка ребер жесткости 4 в связи с их крупными размерами является нецелесообразной, элементы могут быть погружены в грунт последовательно, вначале внешняя оболочка 1, затем ствол 2 сваи.

Для обеспечения совместной работы внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи и возможности равномерной передачи нагрузки от сооружения основанию верхние части внешней оболочки 1 и ствола 2 сваи жестко соединяют друг с другом, устраивая общий ростверк 5.

Авторы провели сравнительный анализ конструкций свай без внешней оболочки и с внешней оболочкой, для чего были сформированы их численные модели (фиг.4) в программно-вычислительном комплексе Plaxis 3D, предназначенном для конечно-элементного расчета напряженно-деформированного состояния сооружений, фундаментов и оснований.

При формировании численной модели для конечно-элементного расчета задействуют внешнюю оболочку и ствол сваи без ребер жесткости, при этом в условиях можно задать наличие общего ростверка, жестко соединяющего верхние части указанных элементов, объединив перемещения узлов верхней грани конструкции.

Анализ результатов конечно-элементного расчета сформированной численной модели позволяет варьировать количество, размеры и расположение ребер жесткости как по высоте внешней оболочки, так и в поперечном сечении из условия наиболее равномерного распределения напряжений в околосвайном грунте.

Расчет провели для цилиндрических свай без внешней оболочки (фиг 4а) и с внешней оболочкой (фиг 4б) при прочих равных расчетных условиях (характеристики грунта, нагрузка, параметры контакта поверхностей с грунтом). В качестве дополнительного параметра расчета приняли различные соотношения мощностей верхнего слабого и нижнего прочного слоев грунта h₁/h₂ (фиг.3).

В результате серии сравнительных расчетов установлено, что перемещения головы цилиндрической сваи от действия горизонтальной нагрузки при использовании внешней оболочки снижаются на 25-40% в зависимости от грунтовых условий (фиг.5).

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет в зависимости от преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки определять высоту и форму поперечного сечения внешней оболочки из условия равномерного распределения напряжений в околосвайном грунте.

Кроме того, снижение деформативности верхней части сваи приводит к более равномерному и контролируемому распределению напряжений в околосвайном грунте, а наличие внешней оболочки над спланированной поверхностью земли позволяет повысить жесткость системы при действии горизонтальных нагрузок на ростверк, и тем самым снизить напряжения в околосвайном грунте в области спланированной поверхности.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении свайных фундаментов, предназначенных для восприятия высоких горизонтальных нагрузок. Свая с оболочкой содержит внешнюю оболочку, внутри которой соосно, с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин. Ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки, причем кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки, кроме того, верхние части ствола и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка. Технический результат состоит в обеспечении перераспределения напряжений в околосвайном грунте вблизи верхней, наиболее деформируемой части сваи и, как следствие, увеличении несущей способности конструкции и уменьшения перемещения головы сваи, а также расширение области применения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Свая с оболочкой, содержащая внешнюю оболочку, внутри которой соосно, с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин, отличающаяся тем, что ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки, причем кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки, кроме того, верхние части ствола и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка.

2. Свая с оболочкой по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение ствола сваи и/или внешней оболочки выполнено округлой формы.

3. Свая с оболочкой по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение ствола сваи и/или внешней оболочки выполнено в форме многоугольника.