СВАЯ Российский патент 2024 года по МПК E02D5/44 

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям свай, используемых при возведении фундаментов в промышленном и гражданском строительстве как новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов реконструируемых зданий, в том числе в районах старой исторической застройки.

Известна свая по авторскому свидетельству на изобретение РФ
№ 1609861, опубл. 30.11.1990 г., которая выполнена по высоте составной и содержит сжимаемую часть, расположенную между несжимаемыми верхней и нижней частями, при этом несжимаемые части выполнены из бетона с прочностью на сжатие до В-40, а сжимаемая на связующем растворе от В-3,5 до В-7,5 с крупным заполнителем.

Недостатком данной конструкции является непрогнозируемость поведения сваи в зоне сжимаемой части, возможные искривления смещения от вертикали, перекосы, вследствие чего теряется эксплуатационная надежность сваи с неизвестной несущей способностью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции является свая по авторскому свидетельству на изобретение РФ №1806246, опубл. 30.03.1993 г. Свая также содержит сжимаемый элемент, размещенный между верхним и нижним несжимаемыми элементами, причем нижний элемент сваи выполнен с сердечником, а верхний с полостью, в кот. заведен сердечник. Высота полости рассчитана таким образом, что при внедрении в нее сердечника до отказа образуется расширение сжимаемой части сваи на требуемую высоту.

Данная конструкция обеспечивает более высокую прочность погружения свай, исключая ее перекос. Не умаляя достоинства данного технического решения, следует отметить его недостаток, которым является невозможность прогнозирования несущей способности сваи по причине неизвестности величины расширения, т.к. нет связи объема сжимаемой части с диаметром расширения после внедрения сердечника в полость сваи на полную глубину. Это объясняется тем, что разрушение сжимаемой части может происходить по разным формам, таким, например, как языки бетона по четырем плоскостям скольжения нижней несжимаемой части, выполненной в форме усеченного конуса или усеченной пирамиды. Кинематически правильная форма расширения, показанная в прототипе, практически невозможна.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение надежности работы сваи, за счет гарантированного достижения требуемой несущей способности при заданных конструктивных параметрах.

Для достижения заявленного технического результата свая, выполненная в виде трубы с наконечником, в полости которой закреплен стержень, а часть трубы содержит участок поверхности с ослаблением прочности, внесены изменения в конструкцию трубы в зоне участка поверхности с ослаблением прочности. Участок поверхности трубы с ослаблением прочности снабжен сквозными вертикальными прорезями, расположенными по образующей трубы, стержень снабжен ограничителем хода, а на внутренней поверхности трубы смонтирована заглушка с отверстием для стержня и с возможностью контактирования с ограничителем хода стержня.

Длина каждой прорези не менее удвоенной длины диаметра трубы, а на внутренней поверхности трубы между вертикальными прорезями закреплены армирующие стержни.

Поверхность трубы в зоне прорезей изолирована клеящейся пленкой, а внутреннее пространство части трубы с ослаблением прочности заполнено сухой расширяющейся смесью.

Выполнение части трубы со сквозными вертикальными отверстиями, а стержня внутри трубы с ограничителем хода позволило достичь гарантированных параметров сжимания трубы, размеров и формы расширения, без перекосов и смещения от вертикали, что обеспечивает надежность трубы и достижение требуемой несущей способности.

Свая предлагаемой конструкции поясняется рисунками:

фиг.1 - конструкция сваи перед вдавливанием,

фиг.2 - разрез А-А сваи фиг.1,

фиг.3 - свая после вдавливания и раскрытия расширителя,

фиг.4 - разрез В-В сваи фиг.3.

Свая (фиг. 1) представляет собой полую трубу 1 с наконечником 2 и участком с ослабленной прочностью сечения 3 (сжимаемой части).

Соосно трубе к наконечнику 1 внутри трубы жестко приварен стержень 4 с ограничителем хода 5. Внутри трубы выше стержня приварена заглушка 6 с отверстием для прохождения стержня 4. Величина рабочего хода стержня расчетная, для образования расчетного уширения.

Сжимаемость участка трубы 1 обеспечивается ослаблением ее сечения на этом участке за счет вертикальных прорезей 7, расположенных по образующим по периметру трубы, так что они формируют пластины высотой «а» и шириной «b». Внутреннее пространство сжимаемой части трубы 1 между наконечником 2 и заглушкой 6 заполнено сухой расширяющейся смесью 8 с коэффициентом объемного расширения К_v расчетной величины. Количество вертикальных прорезей предпочтительно не менее 8.

Для герметизации внутреннего пространства на период вдавливания сваи наружная поверхность трубы в зоне прорезей изолирована клеящейся пленкой 9.

Сжимаемая часть сваи формируется в следующей последовательности:

- отрезается труба 1 длиной l₁;

- по длине трубы 1 в центральной части, параллельно образующей пропиливаются сквозные прорези 7 длиной «а», по концам сквозных прорезей 7 с торцов выполняются прорези 10 на половину толщины трубы шириной b/2, где b - расстояние между прорезями, а на уровне середины сквозных прорезей 7, на наружной поверхности трубы выполняются поперечные прорези 11 шириной b/4 на половину толщины стенки трубы для формирования направления изгиба трубы в момент сжатия.

- прорези 10 и 11 выполняются для обеспечения направления изгиба одновременно по всему поперечному сечению трубы при сжимании трубы и формировании расширения;

- с внутренней стороны трубы 1 между вертикальными прорезями 7 для дополнительного армирования уширения могут привариваться отдельные стержни 12 длиной l_тр.раб - Δl на расстоянии Δl от обреза трубы;

- далее к наконечнику 2 соосно трубе приваривается стержень 4 с ограничителем хода 5, после чего наконечник 2 со стержнем 4 монтируются к торцу трубы 1 соосно трубе 1 и обваривается по периметру сплошным швом;

- поверхность трубы 1 в зоне прорезей 7 герметизируется клеящейся пленкой 9;

- внутрь рабочей трубы засыпается сухой порошок 8 расширяющегося материала с уплотнением на высоту рабочей части l_тр.раб и герметизируется заглушкой 6 , которая одевается на стержень 4 и обваривается по внешнему периметру к трубе 1 с внутренний стороны трубы.

В результате сжимаемая часть сваи готова к погружению в грунт вдавливающей установкой до достижения предельной нагрузки и раскрытию лопастей (пластин) на расчетную величину, обеспеченную рабочим ходом Δl при внедрении в несущий слой грунта. При этом расширяющийся материал заполняет образующуюся полость за счет его расширения при заданном коэффициенте объемного расширения при взаимодействии его с водой.

Достижение требуемой несущей способности при заданных конструктивных параметрах сваи поясняется конкретным примером.

Задача: обеспечить разработанным расширением увеличение несущей способности сваи по грунту более чем в 2 раза.

Исходные данные:

- диаметр трубы d = 273 мм;

- толщина стенки трубы h = 6,0 мм

- модуль упругости стали E = 2,1×10⁶ кгс/см²

- коэффициент Пуассона ν = 0,26

- несущий слой грунта суглинок полутвердый J_L = 0,09 расположен на глубине 10 м, расчетное сопротивление под нижним концом сваи по острию F_d = R×A = 760×3,14×0,273²/4 = 45,6 тс (45 тс).

Расчет ослабления сечения трубы в зоне расширения:

При количестве прорезей n = 8, длине прорезей l_прn = 2d = 2×273 = 550 мм, ширине пластины b = π×d/8 = 3,14×273/8 = 10,7 см, коэффициент устойчивости одиночной пластины:

K = (2b/a)² = (2×10,7/55)² = 0,1536;

Цилиндрическая жесткость пластины:

D = E×h³/12(1-ν²) = 2,1×10⁶×0,6³/12(1-0,26²) = 0,4×10⁵ кгс⋅см;

Критическая сила потери устойчивости пластины: Р_кр = K×π²D/b = 0,1536×3,14²×0,4×10⁵/10,7 = 5607 кг;

Величина нагрузки при вдавливании сваи, при которой произойдет потеря устойчивости ствола в сжимаемой части и сформируется требуемое расширение:

P_вд ≥ Р_кр×n = 5607×8 = 44856 кг (44,9 тс).

Данной нагрузки свая достигнет при ее вдавливании при достижении несущего слоя грунта с сопротивлением по острию F_d = 45 тс. Сопротивление погружению свай будет возрастать по мере раскрытия расширения, так при образовании расширения Dy = 2d, несущая способность сваи по острию достигает:

F_d(y) = R×D_y = 760×3,14×0,55²/4 = 180 тс.

При образовании расширения D_y = 1,5d несущая способность сваи по острию достигает:

F_dy = R×A_y = 760×3,14×0,41²/4 = 100 тс.

Таким образом, варьируя диаметром расширения, можно достичь гарантированной несущей способности сваи по грунту.

Величина раскрытия требуемого расширения обеспечивается свободным ходом стержня Δl, который при заданных исходных данных составит 76 мм для получения расширения D_y = 2d, и 25 мм для получения расширения D_y = 1,5d.

При этом формирование тела расширения происходит при заполнении сжимаемой части:

- сухой расширяющейся смесью с коэффициентом объемного расширения K_y = 1,5 для формирования тела расширения диаметром D_y = 1,5d, или

- жидким расширяющим раствором с коэффициентом объемного расширения 1,05 с замедлителем схватывания и заполнением ствола сваи этим раствором на высоту не менее 4d, при наличии в заглушке 6 сквозных отверстий.

Расширяющийся раствор начнет работать, как только герметизирующая клеящая пленка разорвется при формировании расширения за счет потери устойчивости пластин и попадания воды между стыков пластин в зону сухой расширяющейся смеси, и заполнять образующееся при механическом расширении пространство.

Сжимаемая часть сваи выполняется из той же трубы, что и несжимаемая с ослаблением прочности за счет сквозных прорезей, располагаемых по образующей трубы. Причем длина прорезей l_пр выбрана из условия образования уширения сваи от 1,5 d до 2-х d, при применении расширяющихся растворов в пределах коэффициента объемного расширения от K_v = 1,5 до K_v = 2.0.

Количество прорезей «n» равно количеству пластин, образуемых прорезями, и определяется величиной P_кр - критической силы потери устойчивости пластины.

Критическая сила потери устойчивости пластины рассчитываются по методике, предложенной Е.И. Орешко, В.С. Ерасовым и др. в работе «Исследование устойчивости стержней и пластин при сжатии с защемленными поперечными кромками» и изложенной в Научно-техническом журнале: «Труды ВИАМ» № 9, 2018 г.

P_кр = К×π²×D/b,

где:

К = (2b/а)² - усредненный коэффициент устойчивости;

D = E×h³/12(l-v²) - цилиндрическая жесткость пластины;

a - длина пластины;

b - ширина пластины;

h - толщина пластины;

E - модуль упругости стали;

v - коэффициент Пуассона стали.

Имея значения критической силы потери устойчивости одиночной пластины P_кр и зная количество платин, «n» можно установить нагрузку вдавливания сваи, при который произойдет потеря устойчивости ствола в сжимаемой части и сформируется требуемого размера уширения:

P_вд ≥ P_кр×n,

При этом величина усилия вдавливания будет возрастать до значения предельного сопротивления сваи по острию за счет увеличения площади поперечного сечения сваи в зоне уширения, а обеспечивать заданное уширение будет регламентированная длина сердечника и полости образованной трубой, так длина сердечника и трубы составит 1,92 d при уширении 1.5d, и 1,72 d при уширении 2,0 d.

Таким образом, предлагаемая конструкция сваи обеспечивает получение требуемой несущей способности при заданных конструктивных параметрах сваи, что повышает эксплуатационную надежность сваи.

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям свай, используемых при возведении фундаментов в промышленном и гражданском строительстве как новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов реконструируемых зданий, в том числе при анкеровке фундаментных плит заглубленных сооружений от всплытия. Свая в форме трубы с наконечником, в полости которой закреплён стержень, а часть трубы содержит участок поверхности с ослаблением прочности. Участок поверхности с ослаблением прочности снабжён сквозными вертикальными прорезями, расположенными по образующей трубы. Стержень снабжен ограничителем хода с возможностью взаимодействия с заглушкой, закреплённой на внутренней поверхности трубы и снабжённой отверстием для стержня. Технический результат состоит в повышении надежности работы сваи, за счет гарантированного достижения требуемой несущей способности при заданных конструктивных параметрах сваи. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Свая в форме трубы с наконечником, в полости которой закреплён стержень, а часть трубы содержит участок поверхности с ослаблением прочности, отличающаяся тем, что участок поверхности с ослаблением прочности снабжён сквозными вертикальными прорезями, расположенными по образующей трубы, а стержень снабжен ограничителем хода с возможностью взаимодействия с заглушкой, закреплённой на внутренней поверхности трубы и снабжённой отверстием для стержня.

2. Свая по п.1, отличающаяся тем, что длина каждой прорези не менее удвоенной длины диаметра трубы.

3. Свая по п.1, отличающаяся тем, что количество прорезей не менее восьми.

4. Свая по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности трубы между вертикальными прорезями закреплены армирующие стержни.

5. Свая по п.1, отличающаяся тем, что поверхность трубы в зоне прорезей изолирована клеящейся пленкой.

6. Свая по п.1, отличающаяся тем, что внутреннее пространство части трубы с ослаблением прочности заполнено сухой расширяющейся смесью.