Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах Российский патент 2024 года по МПК E02D27/35 

Изобретение предназначено для устройства свайных фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения.

Наиболее распространенным способом устройства свайных фундаментов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов является буроопускной способ (см. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах / Таргулян Ю.О. – Ленинград: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978 – С. 80-101), по которому в предварительно пробуренную скважину, диаметр которой должен быть не менее чем на 5 см больше максимального размера поперечного сечения сваи, заливают грунтовый раствор, а затем в скважину опускают сваю, вытесняя залитый раствор, при достижении сваей дна скважины раствор полностью заполняет пространство между стенками скважины и сваей и выходит на дневную поверхность. Несущая способность таких свай обеспечивается за счет смерзания по боковой поверхности с многолетнемерзлым грунтом и сопротивления многолетнемерзлого грунта под ее торцом.

Недостатками буроопускного способа являются: высокая стоимость сваи, большой объем буровых работ, возможность выпучивания сваи в пучинистых грунтах, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины раствором и др.

Известен буронабивной способ устройства свайных фундаментов (см. Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах / Растегаев И.К., Каменский Р.М. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1991 - с. 34), который применяется в многолетнемерзлых грунтах, имеющих на уровне нулевых годовых амплитуд температуру до -5 °С, что обеспечивает твердение бетона в контакте с грунтом методом термоса. Последовательность работ по устройству свай буронабивным способом включает: проходку скважины, установку арматурного каркаса, укладку бетонной смеси в скважину (с содержанием химических добавок или без них) методом восходящего потока или сбрасыванием бетона. Установка арматурного каркаса в скважину производится непосредственно перед началом укладки бетонной смеси. Бетонную смесь укладывают в скважину, в зависимости от ее глубины, следующими способами: до 15 м - сбрасыванием с устья методом "кома" или с помощью хоботов; более 15 м - комбинированным методом, включающим сбрасывание бетонной смеси с устья скважины методом "кома" и послойное по 2-3 м уплотнение ее с помощью сваи или долота трамбующего; методом восходящего потока с использованием вертикально перемещающихся труб при любой глубине скважины.

Недостатками данного способа являются: большой объем буровых работ, повышенная материалоемкость, отсутствие надежных методов контроля качества ствола сваи, особенно в деятельном слое, где происходят фазовые переходы вода-лед, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины бетоном, понижение несущей способности сваи при применении бетонов с химическими добавками, необходимость электропрогрева верхней части сваи при производстве работ в зимнее время и др.

Известен комбинированный способ устройства свайных фундаментов (см. Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах / Растегаев И.К., Каменский Р.М. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1991 - с. 34), при устройстве которых выполняют следующие операции: бурение скважины, укладка бетона монолитной части сваи, трех-пятикратное сбрасывание и подъем сборной сваи в бетон с целью перемешивания и уплотнения бетонной смеси, закрепление сборной сваи деревянными клиньями в устье скважины для обеспечения проектного защемления ее в бетоне, залив в скважину известково-песчаного раствора с целью заполнения пазух между телом верхней сборной части сваи, и стенкой скважины. Для устройства верхней части комбинированных свай используют железобетонные сборные сваи длиной 6 и 8 м заводского изготовления, применяемые при устройстве буроопускных свай. При этом диаметр скважин для устройства комбинированных свай назначается равным: для свай размером 30×30 см - не менее 55 см; для свай размером 40×40 см - не менее 60 см. Длина защемленной части сборной сваи в монолитном бетоне должна составлять от одного до двух диаметров скважины. Верхняя поверхность монолитного бетона в скважине должна находиться на глубине, равной не менее 4-х диаметров скважины от нижней границы слоя сезонного оттаивания вечномерзлого грунта.

Недостатками данного способа являются: высокая стоимость сборной части сваи, большой объем буровых работ, повышенная материалоемкость, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины бетоном, возможность выпучивания сваи из-за недостаточного защемления сборной части сваи с монолитной, а также понижение несущей способности сваи при применении бетонов с химическими добавками.

Наиболее близким к предлагаемому является комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах (см. патент RU 2712976 C1 «Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах»), при устройстве которых выполняют следующие операции: в предварительно пробуренную скважину укладывается слой щебня или гравия для предотвращения теплового контакта свежеуложенного бетона в монолитной части сваи с мерзлыми грунтами основания, установки изготовленной в заводских условиях и прошедшей всех стадий контроля качества сборной железобетонной части сваи с завышенными требованиями к бетону по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости для сезоннооттаивающего слоя только в деятельном слое, что приводит к значительной экономии на транспортных расходах и стоимости материалов, при этом в сборную часть сваи вмонтирована металлическая труба с заглушенной нижней частью на всю длину сваи, в которую при бетонировании монолитной части сваи устанавливается нагревательный элемент для создания нормальных условий твердения бетона и в верхнюю часть которой после схватывания бетона приваривается заглушка с ниппелем для закачки хладагента, что приводит не только к интенсивному восстановлению расчетных температур примыкающего грунтового массива и сокращению технологического перерыва на вмораживание сваи, но и последующему снижению температуры грунтов основания и значительному повышению ее несущей способности.

Недостатками данного способа являются: охлаждение примыкающего грунтового массива только в период низких отрицательных температур наружного воздуха, нет возможности подключать к холодильным агрегатам, вмонтированная металлическая труба снижает прочность сборной железобетонной части сваи, вероятность загиба трубы при подъеме краном во время установки свай.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и создание такой технологии устройства свайных фундаментов, которая обеспечивала бы возможность их возведения в любое время года, особенно в зимнее время при низких отрицательных температурах наружного воздуха. Кроме того, ставятся задачи интенсивного восстановления температурного режима грунтов основания и повышения ее несущей способности независимо от времени года, значительного увеличения сопротивляемости свай воздействию касательным силам морозного пучения, а также сокращения сроков строительства.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в предварительно пробуренную скважину укладывается слой щебня или гравия для предотвращения контакта теплого свежеуложенного бетона в монолитной части сваи с мерзлыми грунтами основания, установки U-образной металлической трубы охлаждения на всю длину сваи, по которой при схватывании бетона в монолитной части сваи циркулирует теплоноситель или устанавливается нагревательный элемент для создания нормальных условий твердения бетона, в верхнюю часть которой после затвердевания бетона приваривается конденсаторный блок с ниппелем для закачки хладагента с возможностью подключения к холодильным агрегатам, что приводит не только к интенсивному восстановлению расчетных отрицательных температур примыкающего грунтового массива и сокращению технологического перерыва на вмораживание сваи, но и последующему снижению температуры грунтов основания и значительному повышению ее несущей способности, установки изготовленной в заводских условиях и прошедшей всех стадий контроля качества сборной железобетонной части сваи с завышенными требованиями к бетону по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости для сезоннооттаивающего слоя только в деятельном слое, причем выпуски арматуры из неё необходимы исключительно для надежного закрепления с нижней центрально сжатой монолитной частью сваи в слое многолетнемерзлых грунтов, тем самым отпадает необходимость армирования нижней монолитной части сваи на всю длину, что приводит к значительной экономии материальных ресурсов и транспортных расходов.

Поставленные задачи также решаются за счет того, что свая надежно анкеруется в слое многолетнемерзлых грунтов, так как нижняя монолитная часть сваи значительно объемнее верхней сборной части сваи, ствол скважины в слое сезонного оттаивания – замораживания заполняется непучинистым грунтом, тем самым увеличивается сопротивляемость свай воздействию касательным силам морозного пучения.

Техническими результатами изобретения являются интенсификация восстановления температурного режима грунтов основания и повышение ее несущей способности, возможность подключения к холодильным агрегатам с принудительной циркуляцией хладоносителя, значительное увеличение сопротивляемости комбинированных свай воздействию касательным силам морозного пучения, уменьшение материалоемкости и объема буровых работ, а также сокращение сроков строительства.

Сущность изобретения заключается в том, что в деятельном слое, где происходят наибольшие разрушения фундаментных конструкций вследствие попеременного оттаивания и замораживания грунтов, устанавливается заводского изготовления (100 % контроль качества до погружения) сборная часть железобетонной сваи с арматурными выпусками для надежного закрепления с нижней монолитной частью сваи, установки U-образной металлической трубы охлаждения на всю длину сваи, в которую:

1. При бетонировании монолитной части сваи устанавливают нагревательный элемент или обеспечивают циркуляцию теплоносителя по ней для создания нормальных условий твердения бетона и возможности бетонирования сваи в период низких отрицательных температур наружного воздуха.

2. После набора прочности бетона в верхнюю часть присоединяют конденсаторный блок с ниппелем для закачки хладагента с возможностью подключения к холодильным агрегатам, вследствие чего свая будет представлять собой «холодную сваю» с охлаждающим устройством с естественной или принудительной циркуляцией хладоносителя, что приведет не только к интенсивному восстановлению температурного поля вокруг сваи и сокращению сроков строительства, но и повышению несущей способности грунтов основания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема комбинированной сваи; на фиг. 2 – схема установки нагревательного элемента или циркуляции теплоносителя по U-образной металлической трубе; на фиг. 3 - комбинированная свая с охлаждающим устройством с возможностью подключения к холодильным агрегатам.

Устройство состоит из сборной железобетонной сваи 1 с арматурными выпусками 2, которые необходимы для надежного закрепления с нижней монолитной частью сваи 4 (см. фиг. 1). U-образная металлическая труба 3 необходима для установки нагревательного элемента или циркуляции по ней теплоносителя для создания нормальных условий твердения бетона в нижней монолитной части сваи 4 и, после схватывания бетона, для закачки хладагента в целях восстановления температурного режима и охлаждения грунтового массива вокруг сваи.

Перед установкой сборной части железобетонной сваи 1 на дно предварительно пробуренной скважины укладывают слой из щебня или гравия 5 для предотвращения контакта свежеуложенного бетона монолитной части сваи 4 с многолетнемерзлым грунтом под нижним концом сваи. Далее устанавливают U-образную металлическую трубу 3 и сборную железобетонную часть сваи 1 в проектное положение, закрепляют на кондукторах и бетонируют нижнюю часть сваи 4 в слое многолетнемерзлых грунтов, ствол скважины в деятельном слое заполняют непучинистым грунтом 6. После в металлическую трубу 3 погружают нагревательный элемент 8 и подключают к источнику тока, при этом на границе между сборной 1 и монолитной 4 частью сваи, то есть на уровне верхней границы многолетнемерзлых грунтов 7, устанавливают термоизоляционную пробку 9 для создания теплового контура в нижней монолитной части сваи 4 (см. фиг. 2) или обеспечивают циркуляцию теплоносителя по U-образной металлической трубе 3.

После схватывания бетона нагревательный элемент 8 и термоизоляционную пробку 9 удаляют из U-образной металлической трубы 3, в верхней ее части присоединяют конденсаторный блок 10 с ниппелем для закачки хладагента с возможностью подключения к холодильным агрегатам через трехходовый кран 11 и, после закачки хладагента, свая будет представлять собой «холодную сваю» с охлаждающим устройством, что приведет к более интенсивному охлаждению примыкающего грунтового массива, уменьшению технологического перерыва на восстановление расчетных значений температуры грунтов основания и сокращению сроков строительства, а также последующему понижению температуры данных грунтов и значительному повышению ее несущей способности (см. фиг. 3).

Несущая способность таких свай определяется как сумма несущих способностей за счет сил смерзания по боковой поверхности сваи и по торцу. Повышение несущей способности свай по сравнению с традиционными буроопускными сваями достигается за счет увеличения площади бокового смерзания и площади торца в нижней монолитной части сваи, а также понижения температуры и значительного увеличения несущей способности грунтов основания в результате работы охлаждающего устройства.

Так как нижняя монолитная часть сваи работает на центральное сжатие, арматура необходима только для надежного закрепления верхней сборной части сваи с нижней монолитной, тем самым отпадает необходимость армирования нижней монолитной части сваи на всю длину, что приведет к значительному снижению металлоемкости.

При проектировании свайных фундаментов необходимо рассчитать не только ее несущую способность, но и сопротивление воздействию касательным силам морозного пучения. Для малоэтажных зданий нагрузка на сваю незначительная и по несущей способности требуются менее заглубленные сваи, но из-за того, что данные сваи не выдерживают воздействие касательных сил морозного пучения, длину сваи увеличивают, что приводит к существенному удорожанию стоимости устройства фундаментов. Нижняя монолитная часть придает комбинированной свае форму перевернутого болта и тем самым надежно закрепляет сваю в слое многолетнемерзлых грунтов и значительно увеличивает сопротивление воздействию касательным силам морозного пучения.

Изобретение предназначено для устройства свайных фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения. Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах включает бурение скважины в многолетнемерзлых грунтах с извлечением в процессе бурения разрыхленных мерзлых грунтов, установку сваи и последующее ее бетонирование в скважине. Используют свайную конструкцию, включающую верхнюю сборную часть с арматурными выпусками, длина которой соответствует глубине деятельного слоя грунта, и нижнюю монолитную часть, причем выпуски арматуры необходимы только для надежного закрепления верхней сборной части сваи с нижней монолитной, тем самым отпадает необходимость армирования нижней монолитной части сваи на всю ее длину, вмонтированную на всю длину сваи U-образную металлическую трубу, для чего в целях предотвращения контакта сваи с многолетнемерзлыми грунтами основания на дно пробуренной скважины предварительно укладывают слой из неорганического сыпучего материала. Устанавливают U-образную металлическую трубу и сборную часть сваи, закрепляют при помощи кондукторов и производят бетонирование нижней монолитной части в слое многолетнемерзлых грунтов и последующую засыпку ствола скважины в деятельном слое непучинистым грунтом. Технический результат состоит в обеспечении возможности возведения свайного фундамента в любое время года, особенно в зимнее время при низких отрицательных температурах наружного воздуха, интенсивного восстановления температурного режима грунтов основания и повышения ее несущей способности независимо от времени года, увеличения сопротивляемости свай воздействию касательным силам морозного пучения, сокращения сроков строительства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах, включающий бурение скважины в многолетнемерзлых грунтах с извлечением в процессе бурения разрыхленных мерзлых грунтов, установку сваи и последующее ее бетонирование в скважине, отличающийся тем, что используют свайную конструкцию, включающую верхнюю сборную часть с арматурными выпусками, длина которой соответствует глубине деятельного слоя грунта, и нижнюю монолитную часть, причем выпуски арматуры необходимы только для надежного закрепления верхней сборной части сваи с нижней монолитной, тем самым отпадает необходимость армирования нижней монолитной части сваи на всю ее длину, вмонтированную на всю длину сваи U-образную металлическую трубу, для чего в целях предотвращения контакта сваи с многолетнемерзлыми грунтами основания на дно пробуренной скважины предварительно укладывают слой из неорганического сыпучего материала, после чего устанавливают U-образную металлическую трубу и сборную часть сваи, закрепляют при помощи кондукторов и производят бетонирование нижней монолитной части в слое многолетнемерзлых грунтов и последующую засыпку ствола скважины в деятельном слое непучинистым грунтом.

2. Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах по п. 1, отличающийся тем, что при бетонировании нижней монолитной части сваи создают нормальные температурные условия для твердения бетона путем обогрева посредством помещения нагревательного элемента и установки термоизоляционной пробки на границе между верхней сборной и нижней монолитной частями во внутренней полости вмонтированной U-образной металлической трубы сваи, которые впоследствии удаляют после схватывания бетона, либо обеспечивают циркуляцию теплоносителя по ней, после чего в верхней части трубы приваривают конденсаторный блок с ниппелем с возможностью подключения к холодильным агрегатам через трехходовый кран.

3. Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что для интенсификации восстановления температурного режима грунтов основания и повышения ее несущей способности внутреннюю полость вмонтированной U-образной металлической трубы с конденсаторным блоком с возможностью подключения к холодильным агрегатам заполняют хладагентом.

4. Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах по любому из пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что для охлаждения примыкающего к сваям грунтового массива и повышения ее несущей способности в период положительных температур окружающего наружного воздуха подключают к холодильным агрегатам.