КОМБИНИРОВАННАЯ СВАЯ Российский патент 2024 года по МПК E02D5/50 

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкции свайных фундаментов с применением комбинированных свай.

К комбинированным сваям относятся конструкции, при устройстве которых используют как минимум две технологии.

К известным составляющим комбинированных свай относятся забивные сваи, буронабивные сваи, сваи - столбы, выполненные из бетона или цементного раствора, или цементогрунта и т.д., устраиваемые в различных комбинациях по различным технологиям.

К известным комбинированным сваям относятся буронабивные сваи повышенной несущей способности с арматурным каркасом и сердечником из забивной сваи, погружаемым после бетонирования ствола сваи (RU 176157 U1, МПК E02D 5/30, опубл. 10.01.2018, Бюл. № 1). Очевидным достоинством таких свай является повышение несущей способности по грунту за счет создания распора в бетоне и в грунте через стенки скважины при погружении сердечника. Основным недостатком таких свай является то, что площадь поперечного сечения сердечника из готовых забивных свай, который должен пройти внутри арматурного каркаса, в 5 и более раз меньше поперечного сечения ствола буронабивной сваи. Так, например, для сваи диаметром 800 мм, площадью 0,5 кв.м, сердечником может быть железобетонная свая сечением 0,3×0,3 кв.м, площадью 0,09 кв.м, что в 5 раз меньше площади буронабивной сваи. Однако, как показал опыт применения таких комбинированных свай при строительстве высотных объектов в разных грунтовых условиях, повышение несущей способности по результатам испытаний составляет от 20 до 30 процентов. Кроме того, рациональной областью применения самих буронабивных свай диаметром 800 - 1200 мм из-за их высокой стоимости преимущественно является высотное строительство, где нагрузки на сваю должны составлять 800 - 2400 тс. Такие комбинированные буронабивные сваи можно рассматривать как аналоги.

Также к известным комбинированным сваям относятся буровые сваи без арматурных каркасов, в которые после изготовления бетонного ствола погружена забивная свая - сердечник (RU 118649 U1, МПК E02D 5/30, опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21). Такие сваи также обеспечивают повышение несущей способности по грунту и имеют обратное соотношение площадей ствола и сердечника, когда площадь поперечного сечения ствола меньше поперечного сечения забивной сваи-сердечника. Такие сваи по принципу своей работы близки к забивным сваям вытеснения, которые за счет распора при погружении создают уплотнение окружающего грунта. Особенно эффективно применение таких свай в песчанистых, гравелистых, просадочных грунтах, где погружение забивных свай длиной более 1,5 -4м крайне затруднительно или невозможно. Данный тип комбинированных свай принят за прототип.

Основными недостатками известных комбинированных свай, принятых за прототип, являются:

- ограничение диаметра и площади поперечного сечения ствола размерами поперечного сечения забивной сваи-сердечника, что препятствует заметному расширению общего сечения комбинированной сваи и повышению ее несущей способности. Кроме того, прохождение сердечника через ствол, площадь поперечного сечения которого меньше площади поперечного сечения квадратного сердечника приводит к срезу части грунта в бетон ствола и неравномерному перемешиванию с ним, что отрицательно отражается на качестве сваи и ее несущей способности;

- жесткая взаимосвязь длины ствола и сердечника, который должен быть не менее чем на 1 м больше ствола, что не позволяет оптимизировать их соотношение в разных грунтовых условиях и конкретных случаях;

- применение ствола одного диаметра по всей длине, что не является оптимальным в ряде конкретных грунтовых условий и при устройстве свай с поверхности или со дна пионерного котлована;

- выполнение ствола только из бетона.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков с целью существенного увеличения несущей способности комбинированной сваи, облегчения погружения забивной сваи в песчанистые, гравелистые и просадочные грунты, а также снижения материальных затрат на её устройство.

Поставленная задача решается следующим образом.

В комбинированной свае, включающей скважину в грунте, буровую бетонную сваю и забивную сваю, погруженную в грунт сквозь тело бетонной сваи, согласно полезной модели, забивная свая погружена в образованный в грунте ствол буровой сваи, выполненный из бетона или цементного раствора, или цементогрунта, диаметром равным или больше диагонали квадратного сечения или больше на 10 см и более диаметра круглого сечения забивной сваи, при этом острие забивной сваи расположено независимо от положения пяты ствола буровой сваи.

Кроме того, ствол буровой сваи, выполненный из бетона или цементного раствора, имеет по своей высоте не менее двух участков разного диаметра, уменьшающихся в направлении пяты ствола.

Довольно часто, сваи устраивают с поверхности площадки строительства или из пионерного котлована. При этом образуется участок холостого хода в составе ствола, который затем в процессе разработки котлована до проектной отметки срубают. Поэтому при устройстве сваи с поверхности грунта или поверхности дна пионерного котлована на участке до проектной отметки дна котлована, то есть холостого хода, ствол может быть выполнен из бетона или цементного раствора меньшей прочности.

Исходя из того, что в верхней части сваи действуют изгибающие моменты ствол в ее верхней части, при необходимости, дополняют арматурным каркасом, который погружают в ствол непосредственно после его изготовления преимущественно совместно С погружением забивной сваи.

Ствол буровой сваи в ряде случаев выполняют из цементогрунта способом струйной цементации, который по длине имеет участки разного диаметра и прочности, а в песчаных грунтах и прослоях, в которых прочность цементогрунта выше, имеет наибольшие диаметр и прочность. А при устройстве сваи с поверхности грунта или поверхности дна пионерного котлована на участке холостого хода до дна котлована имеет наименьшие диаметр и прочность.

Во всех случаях забивную сваю погружают в ствол, выполненный из бетона или цементного раствора, или цементогрунта, непосредственно после его изготовления.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана комбинированная свая, включающая ствол постоянного сечения, выполненный из бетона или цементного раствора, или цементогрунта способом струйной цементации, и забивную сваю; на фиг 2 - комбинированная свая, включающая ствол переменного сечения, выполненный из бетона или цементного раствора разной прочности, и забивную сваю; на фиг. 3 - комбинированная свая, включающая ствол переменного сечения, выполненный способом струйной цементации из цементогрунта разной прочности, и забивную сваю.

Комбинированная свая включает скважину 1, ствол 2 буровой сваи, выполненный из бетона или цементного раствора, или цеменогрунта, и забивную сваю 3, при этом, ствол 2, выполненный из бетона или цементного раствора, или цементогрунта может быть с постоянным сечением (фиг. 1), или, при заполнении скважины бетоном или цементным раствором, иметь по своей высоте не менее двух участков большего диаметра, уменьшающихся в направлении пяты ствола, при этом в верхней уширенной части 4 ствол дополнительно оборудован армокаркасом 5 и имеет участок 6 холостого хода до проектной отметки дна котлована 9, выполненный из бетона или цементного раствора меньшей прочности (фиг. 2). При выполнении ствола из цементогрунта способом струйной цементации ствол может иметь переменное поперечное сечение с уширением 7 в песчаных грунтах и прослоях. А при устройстве сваи с поверхности грунта или поверхности дна пионерного котлована, на участке 8 холостого хода до проектной отметки дна котлована 9, ствол 2 имеет наименьшие диаметр и прочность (фиг. 3). При этом положение острия забивной сваи 3, погружаемой в ствол 2 буровой сваи, выполненной из бетона или цементного раствора, или цементогрунта, не зависит от положения пяты ствола.

Для примера геологический разрез ниже проектной отметки дна котлована 9 представлен песчанистыми 10 и глинистыми 11 грунтами, грунты в зоне холостого хода на чертежах не показаны.

Устройство комбинированной сваи осуществляют следующим образом.

Буровой ствол 2 из бетона или цементного раствора комбинированной сваи образуют выбуриванием скважины 1 преимущественно полым шнеком с заполнением ее бетоном или цементным раствором (фиг. 1-2). Ствол 2 может быть выполнен как одного диаметра, так и разными диаметрами, уменьшающимися в направлении пяты ствола, за счет применения звеньев составного шнека разного диаметра. Исходя из того, что в верхней части сваи действуют изгибающие моменты, ствол в верхней преимущественно уширенной части 4 при необходимости дополняют арматурным каркасом 5, который погружают в ствол непосредственно после его изготовления перед погружением или одновременно с погружением забивной сваи 3.

Ствол из цементогрунта (фиг.3) образуют перемешиванием водного раствора цемента с грунтом по струйной Jet-технологии, и он может быть выполнен как одного, так и разного диаметра, с уширением 7 и/или зауженной частью 8, на участках по длине ствола изменением давления водоцементной струи и расхода цемента. Прочность цементогрунта зависит от расхода цемента и может регулироваться. В глинистых грунтах она, как правило, составляет 2-4 МПа, а в песчанистых - 12-15 МПа.

В настоящее время во многих случаях сваи устраивают с поверхности площадки строительства или из пионерного котлована, что создает участки холостого хода 6, 8 в составе ствола, который в процессе разработки котлована до проектной отметки срубают. Снизить затраты на устройство ствола в зоне холостого хода возможно выполнив его бетоном или раствором малой прочности, а для цементогрунта уменьшив диаметр ствола и расход цемента.

В зависимости от грунтовых и технологических условий непосредственно после изготовления ствола в него или через него погружают забивную сваю, которая может быть короче, равна или длиннее ствола.

Результаты опытных работ и реализации комбинированных свай по полезной модели.

Выполненные опытные работы и статические испытания комбинированных свай в песчанистых грунтах на нескольких объектах показали следующие результаты.

Объект высотой в 30 этажей. Забивные сваи сечением 35×35 кв.см из бетона В40, длиной в 12-15 м, погруженные в ствол диаметром 500 мм, длиной 10-13 м, из бетона В30 и раствора М300 показали несущую способность в 300-320 тс, что значительно выше несущей способности только забивной сваи по материалу и практически в два раза выше, несущей способности по грунту для таких свай при погружении в пустые лидерные скважины или заполненные бентонитом.

Два объекта в аналогичных грунтовых условиях, высотой 24 и 30 этажей. Забивные сваи сечением 40×40 см, длиной в 12 м, из бетона В40, погруженные в ствол диаметром 600 мм, длиной 10 м, из бетона В30, показали несущую способность в 400 тс и после изменения порядка испытаний - 500 тс, что значительно выше несущей способности забивной сваи по материалу и практически в два раза выше, чем несущая способность по грунту для таких свай при погружении в пустые лидерные скважины или заполненные бентонитом. Для сравнения, ранее на первой очереди объекта в 30 этажей в обводненных песках были выполнены буронабивные сваи диаметром 800 мм, длиной 22 м, несущая способность которых также составила 500 тс.

Цементогрунтовые стволы со стальными трубчатыми забивными сваями были испытаны на двух объектах усиления фундаментных плит. Все работы велись из подвалов. В плитах выбуривали отверстия, через которые выполняли струйную цементацию по Jet-технологии, а затем погружали сердечники из стальных составных труб на всю глубину ствола.

На объекте реконструкции и объекте усиления цементогрунтовые стволы с забивными сваями испытывались в непосредственной близости от объектов, имели диаметр 800 мм и устраивались в песчано-глинистых и в глинистых грунтах. Длина цементотрунтовых стволов составляла 12 и 8 м. Стальные трубчатые сердечники имели диаметры 169 и 127 мм. По результатам статических испытаний несущая способность цементогрунтовых свай составила 200 и 147 тс соответственно.

Просадочные лессовые макропористые глинистые грунты в сухом состоянии прочные, трудные для погружения забивных свай. Поэтому в просадочных грунтах забивные сваи часто заменяют буронабивными сваями. При замачивании в процессе эксплуатации такие грунты дают просадки от собственного веса, которые могут превышать допустимые осадки и создают дополнительную нагрузку на сваи (негативное трение). Устройство комбинированной сваи со стволом из бетона или цементного раствора, или цементогрунта в таких грунтах позволяет облегчить погружение забивной сваи и дополнительно уплотнить ствол и грунт при её погружении, что снижает или устраняет дополнительные нагрузки от негативного трения.

Полученные результаты показывают, что комбинированные сваи по изобретению не только обладают повышенной несущей способностью по сравнению с забивными сваями, но и решают проблему погружения забивных свай в песчанистые, гравелистые и просадочные грунты. Эти характеристики позволяют комбинированным сваям по полезной модели во многих случаях заменить значительно более дорогие буронабивные сваи, а в диапазоне нагрузок до 500-700 тс занять нишу строительства зданий в 30-40 этажей, где сегодня доминируют буронабивные сваи.

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкции свайных фундаментов с применением комбинированных свай. Комбинированная свая включает скважину в грунте, буровую бетонную сваю и забивную сваю, погруженную в грунт сквозь тело бетонной сваи. Забивная свая погружена в образованный в грунте ствол буровой сваи, выполненный из бетона, или цементного раствора, или цементогрунта, диаметром, равным или больше диагонали квадратного сечения или больше на 10 см и более диаметра круглого сечения забивной сваи, при этом острие забивной сваи расположено независимо от положения пяты ствола. Технический результат состоит в увеличении несущей способности комбинированной сваи и облегчении погружения забивной сваи в песчанистые, гравелистые и просадочные грунты, а также в снижении материальных затрат на ее устройство. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированная свая, включающая скважину в грунте, буровую бетонную сваю и забивную сваю, погруженную в грунт сквозь тело бетонной сваи, отличающаяся тем, что забивная свая погружена в образованный в грунте ствол буровой сваи, выполненный из бетона, или цементного раствора, или цементогрунта, диаметром, равным или больше диагонали квадратного сечения или больше на 10 см и более диаметра круглого сечения забивной сваи, при этом острие забивной сваи расположено независимо от положения пяты ствола.

2. Комбинированная свая по п. 1, отличающаяся тем, что ствол буровой сваи, выполненный из бетона или цементного раствора, имеет по своей высоте не менее двух участков разного диаметра, уменьшающихся в направлении пяты ствола.

3. Комбинированная свая по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что ствол, выполненный из бетона или цементного раствора, при устройстве сваи с поверхности грунта или поверхности дна пионерного котлована на участке до дна котлована, имеет меньшую прочность.

4. Комбинированная свая по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что ствол, выполненный из бетона или цементного раствора, имеет в верхней части арматурный каркас, который погружают в ствол непосредственно после его изготовления преимущественно совместно с погружением забивной сваи.

5. Комбинированная свая по п. 1, отличающаяся тем, что ствол, выполненный из цементогрунта способом струйной цементации, в песчаных грунтах и прослоях имеет наибольшие диаметр и прочность.

6. Комбинированная свая по п. 5, отличающаяся тем, что ствол при устройстве сваи с поверхности грунта или поверхности дна пионерного котлована на участке до дна котлована имеет меньшие диаметр и прочность.

7. Комбинированная свая по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что забивная свая погружена в ствол, выполненный из бетона, или цементного раствора, или цементогрунта, непосредственно после его изготовления.