СВАЯ ВДАВЛИВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК E02D5/44 

Изобретение относится к строительству, в частности, к способам возведения свайных оснований и фундаментов, преимущественно, в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве как при возведении новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции.

Способ производства сваи вдавливанием включает предварительное продавливание скважины без извлечения грунта путем вдавливания трубы с наголовником, заостренным наконечником и калибровщиком (свайным башмаком) и подачу твердеющего закрепляющего раствора через вдавливаемую трубу. В настоящее время известно несколько способов доставки твердеющего закрепляющего раствора в продавленную скважину.

Известен способ производства сваи вдавливанием по патенту РФ на изобретение №2554368, публ. 20.04.2015г. Способ включает образование скважины без извлечения грунта путем вдавливания трубы с заостренным наконечником и калибровщиком, который выполнен в виде отрезка соосной трубы с диаметром, превышающим диаметр ствола трубы. Калибровщик формирует зазор между стенкой скважины и стволом трубы. Зазор заполняют раствором с замедлителем твердения через гибкий шланг, соединенный со штуцером, который закреплен внутри калибровщика.

К недостаткам способа можно отнести недостаточную надежность сваи на выдергивание.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой свае можно считать сваю вдавливанием по патенту РФ на изобретение № 2595102, публ. 20.08.2016г.

В предложенном в патенте способе использована свая вдавливания в виде трубы с наголовником, заостренным наконечником и калибровщиком в виде отрезка соосной трубы с диаметром, превышающим диаметр ствола трубы. В нижней части трубы выполнены радиальные каналы, выходящие в зазор между стенкой скважины и вдавливаемой трубой для заполнения раствором с замедлителем твердения зазора между стенкой скважины и трубой. Для подачи раствора в наголовнике трубы смонтирован штуцер, соединенный со шлангом внутри трубы. Кроме того, труба выполнена из сборных железобетонных элементов с металлической опалубкой на внутренней поверхности и с фланцевыми стыковыми сварными соединениями. После окончания вдавливания внутрь вдавленной трубы соосно ей может быть установлена дополнительная армирующая труба на всю высоту сваи. Дополнительная армирующая труба может быть выполнена в виде металлического стержня.

К недостаткам способа можно отнести низкую несущую способность сваи на выдергивание вследствие релаксации напряженного состояния на контакте раствора с грунтом по периметру скважины.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение несущей способности сваи по грунту.

Для достижения заявленного технического результата свая вдавливания в виде трубы, снабженной наголовником с наконечником и калибровщиком, диаметр которого превышает диаметр трубы, снабжена дополнительными калибровщиками, при этом каждый калибровщик выполнен в виде усеченного конуса, на уровне каждого калибровщика в трубе выполнены отверстия с возможностью подачи через них цементного раствора с замедлителем твердения в зазор между стенкой скважины и трубой.

Расстояние между калибровщиками составляет величину в пределах от 3-х до 4-х диаметров калибровщика,

Предлагаемая свая может быть выполнена из нескольких элементов, соединенных между собой сваркой по контуру элементов, при этом на конце каждого элемента трубы закреплён калибровщик и выполнены отверстия на уровне калибровщика.

Введение дополнительных калибровщиков позволяет обеспечить эффективное уплотнение грунта по периметру скважины с формированием цементно-грунтовой корки на стенках скважины для обеспечения устойчивости стенок скважины при твердении цементного раствора и сохранению гидростатического давления раствора на стенки скважины.

Выбор формы калибровщика в виде усечённого конуса позволяет производить качественное втирание цементного раствора в грунт за счёт работы наклонной плоскости конуса касательно уплотняемому грунту и втираемому раствору.

Выбор расстояния между калибровщиками определяется зоной пластических деформаций, образующейся при вдавливании наконечника сваи с калибровщиком в грунт, при этом расстояние между калибровщиками не должно выходить за зону пластических деформаций для обеспечения надлежащего эффекта уплотнения без образования грунтовых пробок в зазоре между скважиной и стволом сваи.

Величина зоны пластических деформаций определяется по эмпирической формуле Керизеля: Dc = 0,25 d_k×10^2,7×tgφmax где: dk - диаметр калибровщика,

φmax – максимальный угол внутреннего трения грунта в зоне калибровщика.

Расстояние между калибровщика не должно превосходить эту величину, т.е.

а ≤Dc

Свая предлагаемой конструкции поясняется рисунками:

фиг.1- конструкция сваи,

фиг.2 -операции вдавливания сваи с несколькими калибровщиками,

Свая вдавливания (фиг.1) представляет собой трубу 1Ø219мм длиной 1420мм с калибровщиком 2 и наконечником 3. На трубе 1 жестко приварены два калибровщика – уширителя (свайные башмаки) 4, каждый из которых выполнен в виде усечённого конуса Ø273мм. Расстояние между калибровщиками 1150мм.На уровне калибровщиков 4 в трубе1, расположены отверстия диаметром 20мм для подачи раствора в зазор между трубой и стенками скважины.

Свая может быть собрана из нескольких элементов. На фиг. 1 показан второй элемент 5, который также представляет собой трубу Ø219мм длиной 1100мм. В верхней части каждого дополнительного элемента закреплён калибровщик 4 Ø273мм и выполнены отверстия для подачи раствора. Соединение элементов вдавливания производится сваркой сплошным непрерывным швом по периметру стыка.

Рядовой элемент вдавливания 6 представляет собой трубу Ø219мм длиной 1100мм. Длина рядового элемента определяется рабочей высотой вдавливающей установки, она меньше длины первого элемента на высоту плиты ростверка Hпл.

Использование свай предлагаемой конструкции показано на фиг.2.

Для погружения сваи в грунт используется вдавливающая установка, которую закрепляют на поверхности ростверка. Установка содержит траверсу 7, смонтированный на траверсе гидроцилиндр 8, тяги 11, скрепленные с траверсой .7 Тяги 11 жестко крепят к ростверку 9 при помощи резьбовых втулок 12, накрученных на анкера 13, заделанные в ростверк. При помощи резьбовых втулок 12 обеспечивается строго горизонтальное положение траверсы и строго вертикальное движение гидроцилиндра, воздействующего на вдавливаемую трубу 1 через наголовник 2.Перед началом вдавливания для того, чтобы задать направление вдавливания и исключить искривление сваи, через отверстия в ростверке бурят лидерную скважину 10 (глубиной около 1 м). Далее начинают вдавливание трубы 1(фиг.1).

В устье лидерной скважины устанавливают первый элемент сваи 1 c 2-мя уширителями – калибровщиками 4. Внутрь трубы первого элемента заливают цементный раствор с замедлителем твердения в объеме, исключающем вытекание цементного раствора на поверхность плиты, а именно V= πd_скв²/4×Н_пл, где Н_пл – толщина плиты,

d_скв – диаметр скважины в ж/б плите.

Затем на голову первого элемента сваи 1 устанавливают наголовник и вдавливают сваю в грунт до отметки верха плиты. Далее производят доливку цементного раствора внутрь трубы 1 до 2-го калибровщика, монтируют 2-ой элемент 5 с калибровщиком 4 и производят вдавливание 2-го элемента на всю длину. На этом этапе производят доливку цементного раствора в тело трубы до третьего уширения калибровщика, монтируют следующий элемент 6 и вдавливают сваю до уровня поверхности плиты. Снова повторяют доливку цементного раствора в тело трубы на высоту рядового элемента в объеме V= πd_скв²/4×L_э , где L_э – длина рядового элемента, и монтируют следующий элемент.

Операции по вдавливанию рядовых элементов продолжают до достижения требуемого лобового сопротивления сваи (по острию), которое определяют по графику нагружения сваи, ведущемуся в процессе погружения буровым мастером. Так как при вдавливании силы трения по боковой поверхности сваи снижаются полностью за счет работы жидкости в виде цементного раствора, то полученное по графику общее сопротивление сваи погружению будет не чем иным, как сопротивлением острию сваи.

При вдавливании сваи в грунт за счет заострённого наконечника и калибровщика происходит радиальное перемещение грунта в стороны от острия сваи с уплотнением и частичным перетеканием в зону ослабления – зазор, формирующийся при вдавливании между стенкой скважины и боковой поверхности трубы. При этом полному заполнению зазора грунтом мешает раствор, который попадает в этот зазор через отверстия, защищенные от засорения калибровщиком, и частично смешивается с грунтом.

Второй калибровщик производит позитивную работу по вдавливанию цементно-грунта в стенки скважины и первичному формированию цементно-грунтовый корки на поверхности скважины.

Каждый последующий калибровщик втирает цементный раствор в стенки скважины, калибруя скважину заданного размера. При этом по всей длине скважины формируется цементно-грунтовая корка, которая удерживается гидростатическим давлением столба цементного раствора. На контакте со стенкой скважины гидростатическим давлением уравновешивается давление грунта на раствор. Поэтому при расчете несущей способности сваи по грунту при расчете сил трения по боковой поверхности нормальное давление следует считать равным гидростатическому при соответствующей плотности раствора, т.е. р=ρ×Н

В предельном состоянии после твердения цементного раствора сдвиг по боковой поверхности сваи будет происходить на контакте затвердевшей корки цементо-грунта с уплотненным при вдавливании сваи грунтом до значений коэффициента пористости, близкого к минимально-возможному при известном показателе текучести. В результате несущая способность сваи на выдергивание по боковой поверхности составит:

F_du=uƩ(p_i×t_gφ_i+c_i)l_i , где

u=πd_скв

p_i = ρ×Н – нормальное к поверхности сваи давление грунта, равное гидростатическому давлению раствора на стенки скважины на глубине H_i для i – ого слоя грунта (тс/м²)

φ_i – максимальные значение угла внутреннего трения грунта i – ого слоя при минимальном значении коэффициента пористости i – ого слоя грунта,

c_i– максимальное значение удельного сцепления грунта при минимальном значении коэффициента пористости грунта (тс/м²),

l_i– мощность i – ого слоя грунта (м),

а несущая способность сваи предлагаемой конструкции составит:

F_{d факт. =} F_{вд. кон +} F_du, где

F_{вд. кон} – сопротивление сваи вдавливанию на расчетной глубине, равное лобовому сопротивлению сваи при достижении расчетной глубины.

Таким образом за счет улучшения физико-механических характеристик грунта на контакте с поверхностью ствола сваи вследствие работы наконечника и калибровщиков по уплотнению грунта и удержанию гидростатического давления на стенки скважины твердеющим раствором возрастает несущая способность сваи по грунту и повышается коррозийная стойкость ствола сваи.

С целью подтверждения факта повышения несущей способности сваи вдавливания по грунту на выдергивание была испытана на выдергивание свая с тремя калибровщиками, представляющая собой металлическую трубу диаметром 219мм, толщиной стенки от 8мм с наконечником длиной 300мм и углом при вершине 37°.

На конце трубы был расположен первый стальной калибровщик от Ø 219 до 273мм, следующий, второй, на расстоянии 980мм от первого, третий на расстоянии 980мм от второго (см.фиг. 1). Расстояние между калибровщиками было принято исходя из расчёта зоны пластической деформации по формуле Керизеля а≤ Dc = 0,25 dk×10^2,7×tgφmax, т.е. а ≤ 4dk =1120мм

В зоне каждого калибровщика на расстоянии 100мм от торца в стволе трубы расположены 4 отверстия диаметром 20мм для выхода цементного раствора из трубы в затрубное пространство между трубой и стенками скважины. Максимальная вдавливающая нагрузка составила 100 тс

Максимальная выдергивающая нагрузка при испытании достигла 75тс

При расчёте по нормам СП 24.13330.2011 – «Свайные фундаменты», несущая способность на выдергивание получается 50тс, т.е меньше на 50%. Таким образом несущая способность на выдергивание вместо 50тс. составила 75тс, т.е на 50% больше.

При этом несущая способность сваи на вдавливание составила:

F_{d факт.}=F_{вд. кон} +F_{du (факт.)}F_{d факт.}= 100 + 75=175тс

Изобретение относится к строительству, в частности к способам возведения свайных оснований и фундаментов, преимущественно, в слабых грунтах, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве как при возведении новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции при расчетных выдергивающих нагрузках, например при анкеровке плиты от всплытия. Свая вдавливания в виде трубы снабжена наголовником, наконечником и калибровщиком, диаметр которого превышает диаметр трубы. Свая снабжена дополнительными калибровщиками, при этом каждый калибровщик выполнен в виде усеченного конуса. На уровне каждого калибровщика в трубе выполнены отверстия с возможностью подачи через них цементного раствора с замедлителем твердения в зазор между стенкой скважины и трубой. Технический результат состоит в повышении несущей способности сваи по грунту на выдергивание. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Свая вдавливания в виде трубы, снабженной наголовником, наконечником и калибровщиком, диаметр которого превышает диаметр трубы, отличающаяся тем, что свая снабжена дополнительными калибровщиками, при этом каждый калибровщик выполнен в виде усеченного конуса, на уровне каждого калибровщика в трубе выполнены отверстия с возможностью подачи через них цементного раствора с замедлителем твердения в зазор между стенкой скважины и трубой.

2. Свая по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние между калибровщиками составляет от 3 до 4 диаметров калибровщика.

3. Свая по п. 1, отличающаяся тем, что труба выполнена из нескольких элементов, соединенных между собой сваркой по контуру элементов, при этом на конце каждого элемента трубы закреплён калибровщик и выполнены отверстия в трубе на уровне калибровщика.