СВАЙНЫЙ СЕЙСМОСТОЙКИЙ ФУНДАМЕНТ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2024 года по МПК E02D27/34 

Изобретение относится к строительству и предназначено для применения при возведении свайных фундаментов, воспринимающих горизонтальные и сейсмические нагрузки.

Известен фундамент, включающий основание, сваи, ростверк, объединяющий головы основных свай, и дополнительные сваи, расположенные за пределами ростверка, вовлеченные в работу на горизонтальные нагрузки путем соединения их с ростверком горизонтальными связями (SU №669018, МПК E02D 27/12, 1978 г.).

Недостатком такого фундамента является сравнительно невысокая несущая способность его на горизонтальные и сейсмические нагрузки.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является фундамент зданий, сооружений, включающий ростверк с жестко присоединенной к нему кольцевой плитой, сваи, размещенную в грунте соосно ростверку за его пределами цилиндрическую оболочку с верхним горизонтальным буртом, расположенным с наружной стороны оболочки и плитой, расположенной в одном уровне с буртом оболочки между ростверком и оболочкой, причем плита жестко связан с ростверком или оболочкой (SU №922237, МПК E02D 27/12, 1982 г.).

Основными недостатками фундамента - прототипа являются сложность и дороговизна конструкции, а также низкая демпферность при восприятии и гашении сейсмических нагрузок.

Задачей изобретения является упрощение и удешевление конструкции фундамента, а также повышение демпферности при гашении сейсмических нагрузок.

Для решения поставленной задачи в свайном сейсмостойком фундаменте зданий и сооружений, включающем ростверк с жестко присоединенной к нему кольцевой плитой, сваи и размещенную в грунте соосно ростверку за его пределами цилиндрическую оболочку с верхним горизонтальным буртом, связанным с кольцевой плитой, цилиндрическая оболочка имеет нижний бурт, причем оба бурта расположены с внутренней стороны оболочки, выполненной из как минимум двух скрепленных между собой однотипных утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля, причем кольцевая плита по центру своей высоты имеет кольцевой паз для плотного размещения там верхнего бурта цилиндрической оболочки, внутри оболочки имеется ребро или ребра, образованное или образованные смежными боковинами соседних покрышек, при этом верхний бурт образован круговым вырезом верхней боковины верхней утилизированной покрышки диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза кольцевой плиты, а нижний бурт и ребро или ребра образованы круговыми вырезами нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай.

Сущность изобретения заключается в том, что цилиндрическая оболочка имеет нижний бурт, причем оба бурта расположены с внутренней стороны оболочки, выполненной из как минимум двух скрепленных между собой однотипных утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля, причем кольцевая плита по центру своей высоты имеет кольцевой паз для плотного размещения там верхнего бурта цилиндрической оболочки, внутри оболочки имеется ребро или ребра, образованное или образованные смежными боковинами соседних покрышек, при этом верхний бурт образован круговым вырезом верхней боковины верхней утилизированной покрышки диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза кольцевой плиты, а нижний бурт и ребро или ребра образованы круговыми вырезами нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай.

Первый новый признак предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что цилиндрическая оболочка имеет нижний бурт, причем оба бурта расположены с внутренней стороны оболочки, выполненной из как минимум двух скрепленных между собой однотипных утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что в качестве цилиндрической оболочки для свайного фундамента используется отход, размеры, геометрические и механические характеристики которого позволяют наиболее простым образом включить в работу фундамента окружающий сваи грунт в верхней части массива, при этом естественным образом получаются два бурта которые связаны сверху с кольцевой плитой, а снизу со стволами свай, также как минимум образуется ребро внутри оболочки, которое связано со стволами свай, к тому же боковая часть представленного цилиндра играет роль сейсмозащитного экрана, а вместе с буртами и как минимум одним ребром внутри оболочки способствует демпферному гашению сейсмических и ветровых динамических нагрузок. Второй новый признак предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что кольцевая плита по центру своей высоты имеет кольцевой паз для плотного размещения там верхнего бурта цилиндрической оболочки, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что наличие именно такого паза позволяет добиться наиболее простой и эффективной связи между кольцевой плитой и упругой оболочкой, причем эта связь формируется без дополнительных элементов. Третий новый признак предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что внутри оболочки имеется ребро или ребра, образованное или образованные смежными боковинами соседних покрышек, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что образование оболочки из двух (или более двух) скрепленных между собой утилизированных крупных одинаковых покрышек позволяет получить упругое ребро (или упругие ребра) внутри оболочки за счет оригинальных геометрических и механических характеристик покрышек, такая конструкция упругой оболочки позволяет повысить демпфирующие свойства оболочки свайного фундамента. Четвертый новый признак предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что верхний бурт образован круговым вырезом верхней боковины утилизированной покрышки диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза кольцевой плиты, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что именно при указанном параметре выреза в верхней боковине утилизированной покрышки достигается требуемая компоновка и соединение верхнего бурта оболочки с кольцевой плитой фундамента. Пятый новый признак предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что нижний бурт и ребро или ребра образованы круговыми вырезами нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающееся в том, что именно при указанном параметре выреза нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек (при количестве покрышек более двух) достигается естественный контакт между оболочкой и сваями, позволяющий дополнительно включать в работу упругую оболочку и демпферно гасить горизонтальные колебания свайного фундамента. Указанные новые признаки и свойства предлагаемого изобретения отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению проявить эффективность, заключающуюся в упрощении и удешевлении конструкции фундамента, а также в повышении демпфируемости при гашении сейсмических нагрузок.

Все вышеизложенное позволяет утверждать, что предложенное техническое решение полностью соответствует критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 изображен фундамент, продольный разрез; на фиг. 2 показан фундамент вид с верха ростверка.

На фиг. 1 и 2 показаны следующие элементы: 1 - стволы свай; 2 - ростверк; 3 - цилиндрическая оболочка в виде скрепленных между собой утилизированных автопокрышек; 4 - верхний бурт цилиндрической оболочки; 5 - нижний бурт цилиндрической оболочки; 6 - ребро внутри оболочки; 7 - нижняя боковина верхней утилизированной автопокрышки; 8 - верхняя боковина нижней утилизированной автопокрышки; 9 - кольцевая плита; 10 - кольцевой паз кольцевой плиты; 11 - водонасыщенный слабый грунт основания; 12 - прочный грунт; 13 - круговой вырез верхней боковины утилизированной автопокрышки; 14 - круговой вырез нижней боковины верхней утилизированной автопокрышки, верхней боковины нижней утилизированной автопокрышки и нижнего бурта цилиндрической оболочки.

Предлагаемый фундамент зданий и сооружений включает куст вертикальных свай 1, объединяющий их ростверк 2, цилиндрическую оболочку в виде скрепленных между собой утилизированных автопокрышек 3, размещенных в грунте соосно ростверку за его пределами. Цилиндрическая оболочка 3 имеет верхний бурт 4, концевая часть которого плотно размещена в кольцевом пазе 10 кольцевой плиты 9. Цилиндрическая оболочка 3 имеет также нижний бурт 5, который представлен нижней боковиной нижней утилизированной автопокрышки в составе оболочки 3. Внутри упругой оболочки 3 имеется ребро 6, которое представлено скрепленными между собой нижней боковиной верхней утилизированной автопокрышки 7 и верхней боковиной нижней утилизированной автопокрышки 8 в составе упругой цилиндрической оболочки 3. Верхний бурт 4 цилиндрической оболочки 3 образован круговым вырезом 13 верхней боковины утилизированной автопокрышки в составе упругой цилиндрической оболочки 3. Нижний бурт 5 цилиндрической оболочки 3 образован круговым вырезом 14 нижней боковины нижней утилизированной автопокрышки в составе упругой оболочки 3. Ребро 6 цилиндрической упругой оболочки 3 образовано круговыми вырезами 14 нижней боковины верхней утилизированной автопокрышки 7 и верхней боковины верхней утилизированной автопокрышки 8 в составе упругой цилиндрической оболочки 3. Цилиндрическая оболочка 3 и стволы свай 1 размещены в слое водонасыщенного слабого грунта 11, концы свай 1 заглублены в слой прочного грунта 12, подстилающего слабый грунт 11. Круговой вырез 13 верхней боковины цилиндрической оболочки 3 (верхней утилизированной автопокрышки) для образования верхнего бурта 4 выполняется диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза 10 кольцевой плиты 9. Круговой вырез 14 нижней боковины нижней утилизированной автопокрышки цилиндрической оболочки 3 для образования нижнего бурта 5 упругой цилиндрической оболочки, а также круговые вырезы 14 нижней боковины верхней утилизированной автопокрышки 7 и верхней боковины нижней утилизированной автопокрышки 8, образовывающих ребро 6, выполняются диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай 1.

Предлагаемый фундамент изготовляется следующим образом. Согласно проектным расчетам выбираются однотипные утилизированные металлокордные покрышки от большегрузного автомобиля БелАЗ, например, с внешним диаметром 3 м, шириной протекторной части 90 см и диаметром отверстия 80 см. В данном примере мы рассматриваем конструкцию свайного фундамента с цилиндрической оболочкой выполненной из двух однотипных утилизированных автопокрышек. По проектному заданию диаметр ростверка принимается 2,2 м, а диаметр кольцевой плиты 2,5 м. Диаметр внутренней стенки паза 10 кольцевой плиты 9 выбирается 2,3 м. В связи с этим на верхней боковине верхней утилизированной автопокрышки производят вырез 13 диаметром 2,3 м, образуя таким образом верхний бурт 4 цилиндрической оболочки 3. На нижней боковине 7 верхней утилизированной автопокрышки производят круговой вырез 14 диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай 1 (в нашем примере их четыре). Внешний контур группы свай 1 квадратного поперечного сечения (например, 0,3×0,3 м) образуется окружностью, объединяющей внешние углы равномерно расположенных по краям ростверка 2 и кольцевой плиты 9 свай 1. В нашем примере диаметр указанного контура принимается 2,0 м. На верхней боковине 8 нижней утилизированной автопокрышки производят круговой вырез 14 диаметром, равным диаметру внешнего контура групп свай 1. На нижней боковине нижней утилизированной автопокрышки производят круговой вырез 14 диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай 1. Таким образом образуется нижний бурт 5 упругой цилиндрической оболочки 3. Образуют котлован глубиной 1,9 м, устанавливают на дно этого котлована приготовленную нижнюю утилизированную автопоккрышку. Заполняют полость нижней утилизированной автопокрышки местным водонасыщенным глинистым грунтом. На верхнюю боковину 8 нижней утилизированной автопокрышки своей нижней боковиной устанавливается верхняя утилизированная автопокрышка. Обе утилизированные автопокрышки зоне контакта смежных соседних боковин скрепляются между собой, например, резиновым клеем. Таким образом полностью формируется упругая цилиндрическая оболочка 3 с верхним 4 и нижним 5 буртами, скрепленные между собой соседние смежные боковины 7 и 8 нижней и верхней утилизированных автопокрышек формируют ребро 6 внутри оболочки 3. Заполняют полость верхней утилизированной автопокрышки в составе оболочки 3 до 2/3 ее высоты (т. е. 0,6 м) местным водонасыщенным глинистым грунтом и с помощью, например, вибропогружателя по шаблону погружают четыре сваи 1 через слабый слой 11 до внедрения их на проектную глубину в прочный подстилающий грунт 12. При погружении свай 1 грунт внутри оболочки 3, а также слабый водонасыщенный глинистый грунт основания 11 в пределах фундамента уплотняются повышая свои прочностные характеристики. После этого грунт внутри оболочки 3 вокруг свай 1 выравнивается до глубины, например 0,2 м (при необходимости грунт добавляется). Полученная поверхность покрывается непроницаемой полимерной пленкой (например, полиэтиленовой). Пазухи под верхним буртом 4 до границ проектируемой кольцевой плиты 9 заполняются грунтом и в этой зоне устанавливается несъемная тонкая непроницаемая полимерная опалубка нижней части кольцевой плиты 9. Конструируется арматурный каркас кольцевой плиты 6 и ростверка 2, которая соединяется с арматурными выпусками свай 1. Устанавливается съемная опалубка верхней части кольцевой плиты 6 и ростверка 2, после чего производится заливка жидкого бетонного раствора. После набора бетоном проектной прочности опалубка верхней части кольцевой плиты 6 и ростверка 2 демонтируется и фундамент готов для монтажа на нем верхней части здания или сооружения. Как видно при такой технологии изготовления фундамента кольцевой паз 10 кольцевой плиты 9 с плотным размещением в его полости части верхнего бурта 4 оболочки 3 получается естественным образом.

Предлагаемый фундамент работает следующим образом. Приложенная к ростверку 2 вертикальная нагрузка через боковые поверхности стволов свай 1 передается преимущественно слою водонасыщенного слабого грунта 11, а через острия свай 1 слою прочного грунта 12.

При этом стволы свай 1 вместе с ростверком 2 и кольцевой плитой 9 перемещаются вертикально вниз, благодаря чему проявляются силы трения водонасыщенного грунта 11 по боковым поверхностям свай 1. В процессе вертикального перемещения ростверка 2 с кольцевой плитой 9 верхние бурт 4 цилиндрической упругой оболочки, связанный с кольцевой плитой 9, упруго деформируется и передает часть нагрузки на упругую цилиндрическую оболочку 3, а через нее на грунт внутри оболочки 3, при этом также начинают проявляться силы трения водонасыщенного грунта по боковой поверхности цилиндрической упругой оболочки.

Во время эксплуатации здания или сооружения возможна загрузка некоторой площади вокруг ростверка, включая площадь верхнего бурта 4. При этом в результате уплотнения водонасыщенного грунта 11 цилиндрическая упругая оболочка 3 вместе с буртами 4 и 5 упруго деформируется перемещается вниз передавая часть нагрузки через верхний бурт 4 на кольцевую плиту 9, которая также начинает перемещаться вниз передавая нагрузку на сваи 1.

Приложенная к ростверку 2 горизонтальная нагрузка вызывает обжатие материала и через верхний бурт 4 передается как внутренней так внешней поверхности упругой цилиндрической оболочки 3. В меньшей степени передаче горизонтальной нагрузки на поверхности цилиндрической оболочки 3 дополнительно способствуют внутреннее ребро 6 и нижний бурт 5 цилиндрической оболочки.

Упругая цилиндрическая оболочка 3 обладает значительным сопротивлением горизонтальному сдвигу в водонасыщенном грунте 11. Здесь это сопротивление увеличивается также за счет трения, создаваемых внутренним ребром 6 и нижней поверхностью нижнего бурта 5 оболочки. Благодаря этому сваи 1 практически минимально участвуют в работе на горизонтальную нагрузку.

Размещение по периметру ростверка 2 кольцевой плиты 9, соединенной с упругим верхним буртом 4 цилиндрической оболочки, а также выполнение кольцевой плиты 9 с возможностью вертикального перемещения относительно боковой поверхности цилиндрической оболочки 3 (протекторная поверхности утилизированных автопокрышек) дает возможность, даже при существенной величине ожидаемого вертикального перемещения ростверка 2 относительно цилиндрической оболочки 3 при сравнительно короткой кольцевой плите 9 принять габариты оболочки 3 минимально необходимыми из условии требуемого сопротивления сдвигу в грунте.

При горизонтальных колебаниях ростверка 2, вызванных сейсмикой, оболочка 3, упруго скрепленная с кольцевой плитой 9, подключается сама и подключает грунт, находящийся внутри нее и грунт вокруг нее к упругому сопротивлению горизонтальным перемещениям, значительно уменьшая их величины. Сама металлоармированная оболочка 3 демпферно воспринимает горизонтальные сейсмические волны, значительно уменьшая их негативное воздействие на ростверк 2, кольцевую плиту 9 и верхнюю часть свай 1. Внутреннее ребро 6 и нижний бурт 5 оболочки демпферно взаимодействует со всеми сваями в местах контактов с ними, дополнительно гася сейсмические усилия и перемещения. При вертикальных колебаниях ростверка 2 верхний бурт 4 оболочки 3, соединенный с кольцевой плитой 6 в ее кольцевом пазу 10 включается в работу фундамента всю оболочку вместе с массой грунта, находящегося внутри оболочки 3. При этом внутреннее ребро 6 и нижний бурт 5 оболочки способствует участию внутреннего грунта в сопротивлении вертикальным колебаниям и предотвращению вхождения конструкции фундамента в резонанс. Силы трения, возникающие между окружающим грунтом и боковой поверхностью оболочки также способствует уменьшению и гашению вертикальных сейсмических колебаний фундамента.

Технико-экономическая эффективность предложенного изобретения, по сравнению с фундаментом - прототипом, заключается в том, что значительно упрощается и удешевляется конструкция фундамента, а также повышается демпфируемость при гашении сейсмических нагрузок за счет специфических геометрических и механических характеристик утилизированной металлокордной автопокрышки.

Изобретение относится к строительству и предназначено для применения при возведении свайных фундаментов, воспринимающих горизонтальные и сейсмические нагрузки. Свайный сейсмостойкий фундамент зданий и сооружений включает ростверк с жестко присоединенной к нему кольцевой плитой, сваи и размещенную в грунте соосно ростверку за его пределами цилиндрическую оболочку с верхним горизонтальным буртом, связанным с кольцевой плитой. Цилиндрическая оболочка имеет нижний бурт, причем оба бурта расположены с внутренней стороны оболочки, выполненной из как минимум двух скрепленных между собой однотипных утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля. Кольцевая плита по центру своей высоты имеет кольцевой паз для плотного размещения там верхнего бурта цилиндрической оболочки. Внутри оболочки имеется ребро или ребра, образованное или образованные смежными боковинами соседних покрышек. Верхний бурт образован круговым вырезом верхней боковины верхней утилизированной покрышки диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза кольцевой плиты. Нижний бурт и ребро или ребра образованы круговыми вырезами нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай. Технический результат состоит в упрощении и удешевлении конструкции фундамента, а также повышении демпфируемости при гашении сейсмических нагрузок. 2 ил.

Свайный сейсмостойкий фундамент зданий и сооружений, включающий ростверк с жестко присоединенной к нему кольцевой плитой, сваи и размещенную в грунте соосно ростверку за его пределами цилиндрическую оболочку с верхним горизонтальным буртом, связанным с кольцевой плитой, отличающийся тем, что цилиндрическая оболочка имеет нижний бурт, причем оба бурта расположены с внутренней стороны оболочки, выполненной из как минимум двух скрепленных между собой однотипных утилизированных металлокордных покрышек от большегрузного автомобиля, причем кольцевая плита по центру своей высоты имеет кольцевой паз для плотного размещения там верхнего бурта цилиндрической оболочки, внутри оболочки имеется ребро или ребра, образованное или образованные смежными боковинами соседних покрышек, при этом верхний бурт образован круговым вырезом верхней боковины верхней утилизированной покрышки диаметром, равным диаметру внутренней стенки паза кольцевой плиты, а нижний бурт и ребро или ребра образованы круговыми вырезами нижней боковины верхней и обеих боковин нижней утилизированной покрышки или обеих боковин нижних утилизированных покрышек диаметром, равным диаметру внешнего контура группы свай.