МНОГОСВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ВОЗВЕДЕНИЯ НА МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
MULTI-PILE FOUNDATION AND METHOD FOR ERECTION THEREOF ON FROZEN SOILS

Изобретение относится к строительству фундаментов на мерзлых грунтах, в частности к свайным фундаментам и способам их возведения.
Изобретение может найти широкое применение при строительстве несущих конструкций (опорных сооружений) для антенн, мачт, башен, высоковольтных линий электропередач и хозяйственных построек в районах крайнего Севера.
Известен многосвайный фундамент под стойку опоры линии электропередачи /RU 120427, кл. E02D 5/56, 2012/, содержащий железобетонный ростверк с креплением под стойку опоры линии электропередачи, объединяющий верхние торцы по меньшей мере двух металлических свай, каждая из которых выполнена в виде трубы и винтового рабочего органа, закрепленного на ее нижнем торце с помощью стыковочного узла, состоящего из верхней и нижней частей, зафиксированных на нижнем торце трубы и верхнем торце винтового рабочего органа соответственно, при этом на наружную поверхность трубы и на сопрягаемые поверхности частей стыковочного узла нанесено изолирующее композитное покрытие для уменьшения коррозии металлических свай.
Недостатком известного фундамента с железобетонным ростверком является пониженная производительность его возведения, связанная с необходимостью проведения бетонных работ, требующих не менее недельной временной выдержки для затвердевания бетона и набора его прочности. Вместе с тем, затвердевание железобетона приводит к смещению местоположения посадочных мест на ростверке. При этом миллиметровые отклонения центральной оси посадочных мест при затвердевании железобетона приводят, как правило, к необходимости переварки и подгонки местоположения опорных пластин (подошв) соответствующих стоек (ног, башмаков) несущих конструкций, устанавливаемых на железобетонном ростверке. Следствием этого является дополнительное снижение производительности возведения многосвайного фундамента, связанное с центрированием и переваркой посадочных мест или их штифтов под планируемую конструкцию опоры. Кроме того, проведение железобетонных работ в районах крайнего Севера в зимнее время затруднено и требует дополнительных затрат времени на ожидание благоприятной температуры.
Известен способ возведения свайного фундамента на вечномерзлых грунтах /«Расчет оснований и фундаментов при использовании вечномерзлых грунтов по принципу I», СНиП 2.02.04-88/, включающий бурение скважины, помещение сваи в скважину, заполнение пазухи между стенками скважины и сваей грунтовым или известково-песчаным раствором, выдержку до промерзания раствора. Свая для данного фундамента изготавливается в соответствии с предварительным расчетом. Рассчитывают давление на мерзлый грунт под нижним концом сваи и сопротивление мерзлого грунта или раствора сдвигу по боковой поверхности смерзания сваи в пределах i-го слоя грунта, а также - сопротивления зубцов, имеющих нижние и верхние грани.
Недостатком известного способа является также увеличенные затраты времени на возведение многосвайного фундамента, связанные с необходимостью выдержки свай в земле до промерзания залитого вокруг них раствора. Кроме того, из-за сложного рельефа свай и возможности их производства только в заводских условиях, существуют проблемы доставки и увеличенные затраты времени на их перевоз к месту возведения фундаментов.
Известен способ возведения многосвайных фундаментов /RU 2430214, кл. E02D 27/35, 2011/ преимущественно для малоэтажных домов, мачт, рекламных щитов на промерзающих пучинистых грунтах, включающий погружение в грунт коротких стальных свай путем их завинчивания на проектную глубину, устройство обвязочных балок-ростверков, укладку над сваями и под балками-ростверками слоя теплоизолирующего материала. Погружение свай производят в зимний период, после частичного или полного промерзания грунта, причем длину свай принимают не менее расчетной глубины промерзания грунта, затем монтируют балки-ростверки, а к устройству слоя теплоизолирующего материала приступают после оттаивания грунтов до безопасной глубины, определяемой расчетом свай на устойчивость от действия сил морозного пучения, причем надземные конструкции строений (домов, мачт, рекламных щитов) сооружают как до, так и после полного оттаивания грунтов до безопасной глубины.
Недостатком известного способа возведения многосвайных фундаментов является то, что при использовании теплоизоляционных материалов между балками-ростверками и землей может происходить локальное оттаивание грунта, а следовательно, может произойти осадка фундамента и разрушение установленной на ней конструкции. Кроме того, сезонность (только зимой) применения данного способа возведения многосвайного фундамента не позволяет оперативно возводить такие фундаменты в районах крайнего Севера. Это дополнительно снижает производительность работ по производству фундаментов в указанных районах.
Задачей изобретения является разработка конструкции многосвайного фундамента и способа его возведения, пригодных для оперативного строительства несущих конструкций для антенн, рекламных щитов, высоковольтных линий электропередач и хозяйственных построек на мерзлых грунтах, преимущественно в районах крайнего Севера.
Техническим результатом изобретения, обеспечивающим решение поставленной задачи, является повышение производительности возведения свайного фундамента и одновременно повышение его несущей способности и устойчивости на мерзлых грунтах в условиях сезонного замерзания и оттаивания верхних слоев почвы.
Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечиваются тем, что многосвайный фундамент содержит металлический ростверк, объединяющий верхние торцы винтовых свай, каждая из которых включает металлическую трубу и винтовой рабочий орган с лопастями, закрепленными на нижнем торце трубы, при этом труба и винтовой рабочий орган покрыт антикоррозийным композиционным покрытием.
Согласно изобретению на верхних концах труб винтовых свай многосвайного фундамента дополнительно приварены оголовки на высоте от поверхности земли, обеспечивающей проветривание пространства под ростверком и предотвращающей изменение структуры вечной мерзлоты под ростверком. Трубы с внешней стороны дополнительно содержат незамерзающее покрытие, а внутренняя полость труб заполнена сухой пескоцементной смесью. Лопасти винтового рабочего органа выполнены опорными с поперечным размером, составляющим от двух до трех диаметров ствола сваи. Ростверк выполнен из металлических балок, смонтированных в форме прямоугольной двухрядной рамы, двухрядного креста и/или двухрядной линейной опоры, причем между балками в местах крепления ростверка на оголовках свай, а также в местах крепления стоек опорных конструкций установлены опорно-распорные соединительные элементы (ОРСЭ), снабженные распорками балок, а также посадочными местами для стоек опорных конструкций на балках ростверка с возможностью их продольного перемещения на поверхности балок ростверка.
T
T
c
c
л
При этом опорные поверхности оголовков свай установлены на одном горизонтальном уровне в диапазоне высот от 0.5 до 1 м над поверхностью земли. Опорно-распорный соединительный элемент (ОРСЭ) выполнен в форме табурета и содержит посадочную металлическую пластину прямоугольной формы с возможностью опоры ее нижней поверхностью на верхнюю поверхность двух соседних балок ростверка и не менее одной вертикальной распорной пластины, приваренной с нижней стороны посадочной пластины с возможностью фиксации ею параллельного расположения соседних балок ростверка. На периферии посадочной пластины ОРСЭ выполнены отверстия для болтового крепления с помощью ОРСЭ балок ростверка на оголовках винтовых свай, а также - для болтового крепления самих ОРСЭ на поверхности балок в местах установки стоек (ног, башмаков) несущих конструкций на ростверке. Для крепления стоек на каждой посадочной пластине ОРСЭ в ее центре выполнены отверстия, соосные отверстиям опорных пластин (подошв) стоек. При этом опорный ОРСЭ дополнительно оснащен ответной съемной пластиной с периферийными отверстиями, соосными с аналогичными отверстиями на его посадочной пластине. ОРСЭ выполнен высотой L=15÷30 см и стороной прямоугольного основания d=20÷80 см. Балки ростверка выполнены в виде швеллеров или двутавровых балок. Винтовые сваи выполнены длиной L=3÷15 метров, диаметром d=10÷40 см, а их винтовой рабочий орган содержит 2÷4 витка опорных лопастей диаметром d=225÷850 мм и шагом 120÷240 мм. Незамерзающее покрытие, нанесенное с внешней стороны трубы, выполнено типа Thermal Coat Ceramic НВ, содержащее композицию керамических и силиконовых шариков размером от 1 до 2 мкм, синтетического каучука, акриловых полимеров и неорганических пигментов.
Способ возведения многосвайного фундамента на мерзлых грунтах, обеспечивающий достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи, включает погружение в грунт полых стальных свай с внешними опорными лопастями путем их завинчивания на проектную глубину, обвязку погруженных свай металлическими балками ростверка и установку на собранный ростверк опорных муфт для крепления несущих конструкций. Согласно изобретению перед погружением свай на их поверхность наносят незамерзающее покрытие Termal Coat Ceramie НВ методом электро- и/или трибостатического напыления. После этого сваи завинчивают до упора их лопастей на твердый грунт ниже уровня его сезонного оттаивания. Затем полость свай заполняют сухой пескоцементной смесью. Далее верхние концы свай обрезают на одном горизонтальном уровне (от 0,5 до 1,0 м) над поверхностью земли, обеспечивающем проветривание пространства под балками ростверка. После этого на обрезанные концы свай приваривают оголовки. Затем на оголовки соседних свай параллельно укладывают не менее двух ростверочных балок. Далее балки по краям на оголовках свай связывают между собой опорно-распорным соединительным элементом (ОРСЭ) путем установки его вертикальной пластины - распорки между связываемыми балками перпендикулярно их боковой поверхности и с опорой нижней поверхности посадочной пластины ОРСЭ на верхнюю поверхность соседних балок. Затем балки закрепляют на оголовках свай путем стяжки болтами горизонтальных пластин оголовка и посадочной пластины ОРСЭ с внешней боковой стороны балок. Одновременно с креплением балок на оголовках свай на балках, в месте расположения стоек несущей конструкции, устанавливают опорные ОРСЭ и фиксируют их местоположение с помощью ответной пластины путем стяжки ее шпильками с посадочной пластиной ОРСЭ. После установки всех опорных ОРСЭ на балках ростверка подвешивают над ними с помощью подъемного крана несущую конструкцию. Далее вручную разворачивают вокруг оси подвешенную конструкцию и центрируют ее до совмещения отверстий на подошве (опорной пластине) ее ног (стоек) с отверстиями на посадочной пластине ОРСЭ. В случае несовпадения отверстий ослабляют шпильки крепления опорного ОРСЭ и сдвигают его до совмещения указанных отверстий между собой. После совмещения отверстий опорных и посадочных пластин стоек и ОРСЭ соответственно опускают подвешенную конструкцию на ростверк и стягивают указанные пластины между собой соответствующими болтами с гайками. Далее ослабленные шпильки ОРСЭ затягивают соответствующими гайками и несущая конструкция прочно закрепляется на металлическом ростверке многосвайного фундамента.
Перед завинчиванием свай трубы с внешней стороны покрывают незамерзающим покрытием, которое наносят методом электро- и/или трибостатического напыления.
Введение указанных технических отличий в конструкцию многосвайного фундамента и в способ его возведения позволяет повысить производительность возведения свайного фундамента и одновременно повысить его несущую способность и устойчивость на мерзлых грунтах в условиях сезонного замерзания и оттаивания верхних слоев почвы.
Действительно, использование вместо железобетонного ростверка металлического, выполненного из параллельных рядов балок, связывающих оголовки свай, и применение ОРСЭ универсальной конструкции, разработанной заявителем для соединения балок ростверка и обвязки свай, позволяет сократить (за счет исключения бетонных работ и применения ускоренной технологии ОРСЭ) время на строительство ростверков под конкретную опорную конструкцию в форме прямоугольной двухрядной рамы, двухрядного креста и/или двухрядной линейной опоры, крепление их на оголовках свай и центрирование несущих конструкций на выбранных ростверках.
Выполнение стальных полых свай с опорными лопастями увеличенных размеров и завинчивание до упора их лопастей на твердый грунт ниже уровня его сезонного оттаивания, а также заполнение полостей свай сухой пескоцементной смесью, обрезка верхних концов свай на одном горизонтальном уровне над поверхностью земли на высоте от 0.5 до 1 м, а также снабжение верхних концов свай оголовками с опорной площадкой, соответствующей по форме и исполнению посадочной пластине ОРСЭ, позволяют сократить время на возведение опор ростверка, одновременно с увеличением их прочности и стойкости к сезонным изменениям климата.
Однократное вкручивание свай в грунт ниже уровня его сезонного промерзания и заполнение полостей свай сухой пескоцементной смесью позволяет сократить время на установку свай с одновременным увеличением прочности и стойкости свайных конструкции. Покрытие при этом внешней гладкой поверхности труб свай выше его опорных лопастей незамерзающим покрытием типа Thermal Coat Ceramic НВ, стойким к температурам до минус 60°С, позволяет исключить примерзание грунта к поверхности свай и выталкивание их силой пучения мерзлого грунта после периодического сезонного его оттаивания. Это техническое преимущество дополнительно позволяет обеспечить стойкость многосвайного фундамента к сезонным изменениям климата и использовать его в районах крайнего Севера.
Обрезка свай на высоте от 0.5 до 1 м от поверхности земли позволяет не только обеспечить защиту вечной мерзлоты под ростверком за счет свободного проветривания атмосферным воздухом грунта под ним, но и сократить время обвязки свай и центрирование опорных конструкции за счет удобства проведения этих работ на указанной высоте.
Кроме того, создание и применение заявителем универсального ОРСЭ позволяет существенно ускорить обвязку свай, связку балок в ростверке, установку опорных конструкций на ростверке. Указанные преимущества дополнительно позволяют более чем на порядок снизить общее время возведения многосвайного фундамента по сравнению с известными способами возведения фундаментов на мерзлых грунтах.
На фиг. 1 представлены рисунок, поясняющий конструкцию металлического ростверка смешанного типа для антенных мачтовых опор фазированных антенных решеток (ФАР) метрового диапазона электромагнитных волн; на фиг. 2, фиг. 3 - вид сверху и сбоку пятисвайного металлического фундамента соответственно; на фиг. 4 - конструкция сваи с оголовком и опорными винтовыми лопастями; на фиг. 5 - конструкция универсального ОРСЭ с одной распорной пластиной и фиг. 6 - схема крепления ОРСЭ на двух швеллерных балках ростверка и крепления стоек несущих конструкций на посадочной пластине ОРСЭ.
c
п
c
c
л
c
c
Многосвайный фундамент содержит ростверк 1, объединяющий верхние торцы винтовых свай 2. Каждая свая 2 содержит металлическую трубу (ствол) 3 и винтовой рабочий орган 4 с лопастями 5, закрепленными на нижнем торце трубы 3. Поверхность трубы 3 и винтового рабочего органа снабжены антикоррозийным композиционным покрытием. Для исключения возможности примерзания грунта к внешней поверхности труб 3 и исключения возможности вертикального движения свай 2 под действием тангенциальных сил выталкивания мерзлых грунтов поверхность труб 3 сваи 2 дополнительно покрыта незамерзающим покрытием Termal Coat Ceramie НВ, содержащим композицию керамических и силиконовых шариков размером от 1 до 2 мкм, синтетического каучука, акриловых полимеров и неорганических пигментов. Указанное покрытие обеспечивает исключение сезонного вертикального смещения свай 2 в грунтах с температурой замерзания до минус 60°С. Для увеличения прочности свай 2 внутренняя полость их труб 3 заполнена сухой пескоцементной смесью. Для прочного крепления свай 2 в грунте ее длина L выбрана из условия возможности погружения винтового рабочего органа 3 ниже уровня 6 сезонного промерзания грунта. Для грунтов с сезонным промерзанием L от 2 до 13 м длина L сваи 2 составляет от 3 до 15 метров, а диаметр d от 10÷40 см. Винтовой рабочий орган 4 предназначен для ввертывания сваи 2 в грунт и выполнения функции опоры сваи 2 ниже уровня 6 сезонного промерзания грунта. Для этого он содержит 2÷4 витка опорных лопастей 5 с шагом 120÷240 мм и с поперечным диаметром d=225÷850 мм, составляющим от двух до трех диаметров d трубы 3 сваи 2, где d=10÷40 см. Для проветривания пространства под ростверком 1 и предотвращения изменения структуры вечной мерзлоты под ним верхние концы труб 3 винтовых свай 2 обрезаны на одном горизонтальном уровне на высоте от 0,5 до 1 м от поверхности земли. На обрезанные концы свай 2 надеты и приварены оголовки 7. На оголовках 7 свай 2 установлен металлический ростверк 1 - платформа с подвижными посадочными местами для установки и болтового крепления на них стоек (ног, башмаков, муфт) несущих конструкций типа антенн, мачт, башен, высоковольтных линий электропередач или других типов хозяйственных построек. Для обеспечения этих возможностей ростверк 1 выполнен из металлических балок 8, смонтированных в форме прямоугольной двухрядной рамы 9 (фиг. 2), двухрядного креста 10 и/или двухрядной линейной 11 опоры. Балки 8 каждого ряда выполнены из швеллеров или двутавровых балок и попарно связаны между собой и с оголовками 7 свай 2 с помощью универсальных опорно-распорных соединительных элементов (ОРСЭ) 12. Универсальный ОРСЭ 12 (фиг. 5) выполнен в форме табурета и содержит горизонтально расположенную металлическую посадочную пластину 13 прямоугольной формы и не менее одной вертикальной распорной пластины 14, приваренной с нижней стороны пластины 13. Посадочная пластина 13 ОРСЭ 12 выполнена с размерами, превышающими поперечное расстояние между внешними боковыми сторонами связываемых балок 8. Это необходимо для обеспечения возможности посадки пластины 13 нижней поверхностью на верхнюю поверхность двух соседних балок 8 ростверка 1 и обвязки балок 8 с внешней стороны болтовым соединением. Для такой обвязки на периферии посадочной пластины 13 выполнены отверстия, соосные с отверстиями на опорной пластине оголовка 7 сваи 2. При использовании универсального ОРСЭ 12 в качестве посадочных мест для стоек несущих конструкций он дополнительно оснащен ответной съемной пластиной 15 (фиг. 6) с периферийными отверстиями, соосными с аналогичными периферийными отверстиями посадочной пластины 13 под стяжные шпильки 16. На посадочной пластине 13 ОРСЭ 12 в ее центральной части дополнительно выполнены отверстия для болтового крепления основания стоек 17 несущих конструкций 18.
Возведение многосвайного фундамента по предлагаемому способу производится следующим образом.
h
h
h
Перед началом возведения многосвайного фундамента для несущих конструкций 18, например антенной опоры ФАР, в месте ее установки определяют вектор «П» значений параметров многосвайного фундамента из условий (1, 2) обеспечения требуемых значений дальности «D» видимости ФАР, парусности «S» и несущей способности «G» многосвайного фундамента при статистических и ветровых нагрузках
где
б
б
б
m, h, d - масса, высота и ширина ФАР соответственно;
рлс
m - масса антенно-фидерных устройств ФАР, устанавливаемых на фундаменте;
в
V, ρ - средняя скорость ветра и плотность грунта в районе расположения антенных конструкций;
c
c
r
d, L, d - диаметр, длина опорных свай 2 и расстояние между ними в ростверке 1.
Далее по найденным значениям параметров вектора «П» производят заготовку труб 3, балок 8 и изготовление составных сборочных элементов антенной опоры на заводах строительных материалов по чертежам заказчика. В частности, производят резку труб 3 для свай 2, приварку к ним опорных винтовых лопастей 5, нанесение антикоррозийных 19 и незамерзающих 20 покрытий Thermal Coat Ceramic НВ. Изготовляют ОРСЭ (табуреты) 12, фланцевые и болтовые соединения, а также другие сборочные элементы многосвайного фундамента с массогабаритными параметрами, обеспечивающими их быструю доставку на место сборки на трейлерах или автомобилях типа КАМАЗ.
После доставки сборочных элементов ввертывают винтовые сваи 2 на глубину установки опорных лопастей 5 ниже уровня 6 сезонного оттаивания мерзлого грунта. После ввертывания свай 2 их верхние концы отпиливают на одном горизонтальном уровне на высоте 0.5÷1 м над поверхностью Земли. Далее для увеличения массы и прочности свай 2 полость их труб 3 заполняют сухой пескоцементной смесью 21 (ГОСТ 28013-98). После заполнения полости на обрезанные концы свай 2 надевают оголовки 7 и приваривают их на одном горизонтальном уровне. На приваренные оголовки 7 соседних свай 2 попарно устанавливают балки 8 ростверка 1 требуемой конструкции. Далее балки 8 связывают между собой и с оголовками 7 универсальным ОРСЭ 12 с помощью стягивающих шпилек 16. После сборки ростверка 1 на его балки 8 в местах установки на него стоек 17 несущих конструкций 18 крепят универсальные ОРСЭ 12. При этом распорные пластины 14 ОРСЭ 12 упирают в бока соседних балок 8, фиксируя их параллельность и упрочняя место установки стоек 17 несущих конструкций 18. После установки ОРСЭ 12 на балки 8 с нижней стороны этих балок 8 устанавливают ответную пластину 15 с отверстиями, соосными с периферийными отверстиями на посадочной пластине 13. Далее пластины 13 и 15 стягивают между собой шпильками 16 (фиг. 6), образуя прочное посадочное место для стоек 17 несущих конструкций 18. Установку несущих конструкций 18 на образованные посадочные места ростверка 1 осуществляют с помощью подъемного крана. После подвески конструкции 18 над ростверком 1 вручную разворачивают, центрируют и крепят основания стоек 17 на посадочных пластинах 13 ОРСЭ 12. В случае несовпадения центральных отверстий на пластине 13 с отверстиями в основании стоек 17 несущих конструкций 18 ослабляют крепление шпилек 16 на соответствующем ОРСЭ 12. Далее передвигают ослабленный ОРСЭ 12 на балках 8 до совмещения центральных отверстий на пластине 13 с отверстиями в стойке 17. Далее опускают конструкцию 18 на ростверк 1 и связывают стойки 17 конструкции 18 с пластиной 13 шпильками 16 (фиг. 6). После этого производят повторную стяжку шпилек 16 на ослабленных ОРСЭ 12 и сдают работу по возведению фундамента приемо-сдаточной комиссии.
Данное изобретение не ограничивается представленным примером его осуществления. В его рамках возможны и другие варианты использования, не выходящие за пределы описания заявки. В частности, изобретение может найти широкое применение при возведении фундаментов не только для антенных опор, но и для мачт различного назначения, башен, высоковольтных линий электропередач и других хозяйственных построек в районах крайнего Севера путем подбора соответствующей конструкции ростверка 1 из приведенных примеров его осуществления.
Изобретение разработано на уровне опытного образца многосвайного фундамента с установкой на нем антенно-фидерных устройств РЛС метрового диапазона электромагнитных волн, обладающих большими размерами и высокой парусностью. Испытания опытного образца подтвердили достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи.