СВАЙНО-РОСТВЕРКОВЫЙ ФУНДАМЕНТ С РЕГУЛИРУЕМОЙ РАБОТОЙ РОСТВЕРКА НА ГРУНТОВОМ ОСНОВАНИИ

Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании относится к строительству, в частности, к фундаментостроению, и предназначен для применения при проектировании и устройстве свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений. Полезная модель разработана как для кустовых и ленточных свайно-ростверковых фундаментов, так и для свайно-плитных фундаментов.
В настоящее время свайные фундаменты очень широко используются в строительной отрасли. Выполняются кустовые свайные фундаменты, ленточные свайные фундаменты, которые еще называют свайно-ростверковыми, комбинированные свайно-плитные фундаменты. Существующие конструкции свайных фундаментов зачастую предусматривают работу фундамента только за счет несущей способности свай. При этом ростверки или плиты, объединяющие оголовки свай, служат только для распределения усилий в сваях и не учитываются при определении несущей способности фундаментов.
Известен свайный фундамент, включающий сваи и железобетонный ростверк, который объединяет головы свай и обеспечивает перераспределение на них нагрузки от вышерасположенных конструкций (СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85, прил. А). Однако, при проектировании и строительстве данного фундамента работа ростверка по грунту не учитывается, т.е. восприятие нагрузок обеспечивается только за счет несущей способности свай. Как следствие, несущая способность фундамента используется не полностью вследствие неучета передачи нагрузок на основание через подошву ростверка.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели «Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» служит конструкция плитно-свайного фундамента (РФ, С2 №2301303, МПК Е02D 27/12, автор Лушников В.В. и др.), включающая сваи и железобетонную плиту или ростверк, демпфирующие прокладки между головами свай и железобетонной плитой или ростверком из легко деформируемого материала. Демпфирующие прокладки из однородного по сжимаемости материала в известной конструкции предусмотрены из экструдированного пенополистирола. Расчетная толщина демпфирующих прокладок принимается в пределах от 10 мм до 60 мм с увеличением в направлении от центральных и средних рядов свай к крайним рядам свай и угловым сваям с соотношением 1:2:3, или имеют одинаковую толщину в пределах от 10 до 60 мм, причем соотношение модуля деформации материала прокладок над головами средних рядов свай, крайних рядов свай и над угловыми сваями принимается как 3:2:1. Толщину демпфирующей прокладки 6 определяют из соотношения:
св.ф.
пр.max
u
0
δ≥[S+S-L(ΔS/L)]E/p, м,
св
ф
где S. - осадка свайного фундамента без учета сжатия прокладок, м;
пр.max
S - максимальная осадка от сжатия прокладок над сваями, м;
р - среднее давление на грунт по подошве плиты в месте опирания на несжимаемый грунт, МПа;
L - размер железобетонной плиты в плане, м;
u
(ΔS/L) - предельная величина относительной разности осадок.
0
В известной конструкции указано, что применение относительно прочного экструдированного пенополистирола позволяет полностью сохранить заданную начальную высоту прокладок δ при относительно небольших нагрузках, возникающих при бетонировании железобетонной плиты или ростверка. Кроме того, изготовлением прокладок со строго параллельными поверхностями обеспечивается надежное качество контакта голов свай с железобетонной плитой или ростверком после образования полной осадки плиты или ростверка.
К недостаткам известной конструкции следует отнести:
- Отсутствие выравнивающего слоя между головой сваи и демпфирующей прокладкой. Качество стыка сопряжения сваи и ростверка через демпфирующую прокладку должно обеспечиваться не только ровными гранями самой прокладки, поскольку свая в процессе изготовления может иметь различные дефекты и повреждения. Кроме того, в процессе забивки головы свай получают повреждения, что приводит к нарушению площади контакта между демпфирующей прокладкой и сваей.
- Незащищенность прокладки от повреждений в процессе бетонирования. Действительно, пенополистирол при бетонировании способен сохранить изначальную высоту с незначительной деформацией от массы свежеуложенного бетона. Однако, при укладке тяжелого бетона ростверков элементы крупного заполнителя бетонной смеси - куски щебня с необработанными гранями - попадают на незащищенный материал прокладки, бетонная смесь твердеет, и после набора прочности происходят следующие негативные моменты:
- материал прокладки на локальных участках продавливается и получает местные повреждения от камней щебня;
- при твердении бетона ростверка образуется неровная поверхность, которая не позволяет произойти полному «замыканию» прокладки, предусмотренному в известной конструкции.
- Незащищенность демпфирующей прокладки от смещения в плане. При производстве работ по бетонированию прокладка может сместиться от начального положения. При этом в зоне смещения образуется боковая бетонная шпонка (наплыв бетона), равная по толщине прокладке. Наличие бетонной шпонки приведет к тому, что демпфирующая прокладка не будет сжиматься либо сожмется неравномерно, что повлечет за собой передачу усилия от ростверка на сваю через боковую бетонную шпонку (помимо прокладки) и не обеспечит предполагаемую работу узла сопряжения свай с ростверком.
- Предусмотренные прокладки в сочетании с плитой на естественном основании существенно усложняют расчет фундамента. В известной конструкции предусмотрено применение прокладок разной толщины для разных свай. Данное решение приводит к возникновению неточностей расчета ввиду увеличения количества связей неодинаковой жесткости между сваями и плитой.
- Плитно-свайным фундаментом является фундамент с большим количеством свай и развитой в плане плитой. Поскольку грунтовая толща, как правило, изменчива по составу и сложению в плане и по высоте инженерно-геологического разреза, стволы свай и подошва фундамента могут оказаться в грунтах с различными характеристиками. Это повлечет за собой необходимость расчета осадки каждой отдельной сваи в составе свайного куста и индивидуальный подбор толщины прокладки, как следствие - необходимость дополнительного расчета плиты и проверки армирования.
- Использование в известной конструкции демпфирующих прокладок из экструдированного пенополистирола, для которых указаны значения деформаций под нагрузкой 80…90%. При данных величинах деформаций прокладок, по нашему мнению, не обеспечивается передача нагрузки на сваю в полном объеме и максимальное включение свай в работу фундамента.
Задачами, стоящими при создании полезной модели являются:
- разработка конструкции свайного фундамента с обеспечением регулируемого включения ростверка в работу фундамента;
- обеспечение надежной гарантированной передачи части вертикальных расчетных усилий на грунт основания через подошву ростверка;
- увеличение несущей способности свайного фундамента за счет работы ростверка как фундамента на естественном основании и более полном включении в работу свай.
Техническим результатом, позволяющим решить указанные задачи является:
- обеспечение регулируемого включения ростверка в работу фундамента;
- обеспечение гарантированной передачи части вертикальных расчетных усилий на грунт через подошву ростверка,
- увеличение несущей способности фундамента.
дп
Для достижения указанного технического результата «Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» как и ближайший аналог, включает сваи, ростверк и демпфирующие прокладки из однородного по сжимаемости материала (пенополистирола). Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании предполагает применение прокладок одинаковой толщины для обеспечения равномерных деформаций фундамента. Толщина демпфирующей прокладки Δ фиксированная и назначается из условия:
,
Р
где [S] - осадка ростверка при давлении, равном расчетному сопротивлению грунта основания;
св
[S] - осадка сваи при нагрузке, равной допускаемой расчетной нагрузке на сваю;
св
A - площадь поперечного сечения сваи;
дп
E - модуль деформации материала демпфирующей прокладки;
св
[N] - допускаемая расчетная нагрузка на сваю;
1
k - коэффициент, учитывающий степень сжатия демпфирующей прокладки;
2
k - коэффициент, учитывающий номенклатуру типовых демпфирующих прокладок.
Для обеспечения гарантированной передачи нагрузки на грунт через подошву ростверка и тем самым, увеличения несущей способности свайного фундамента, между сваей и демпфирующей прокладкой предусмотрены выравнивающий слой и предохранительный кожух для демпфирующей прокладки.
Новые существенные признаки:
выравнивающий слой,
предохранительный кожух.
вс=
Перечисленные новые существенные признаки позволяют получить технический результат во всех случаях, на который распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. За счет выравнивающего слоя обеспечивают параллельность верхней грани сваи, и восстановление поврежденного при забивке сечения головы сваи, а также плотное прилегание демпфирующей прокладки, т.е. равномерный контакт для надежной передачи усилий. Данный слой выполняют из цементно-песчаного раствора марки прочности не менее М100 для обеспечения требуемой прочности узла. Толщина выравнивающего слоя зависит от степени неровности поверхности сваи и составляет Δ20…30 мм. Непосредственно после укладки цементно-песчаного раствора на верхнюю плоскость сваи его выравнивают. Выравнивание можно производить различными способами например, следующим образом: предохранительный кожух можно надеть до уровня верха выравнивающего слоя и произвести небольшое равномерное по площади предохранительного кожуха обжатие, затем снять кожух. Тем самым обеспечивают параллельность верхней плоскости выравнивающего слоя и контактной плоскости ростверка. Предохранительный кожух обеспечивает деформации демпфирующей прокладки, выполненной из пенополистирола, только в вертикальной плоскости, позволяет обеспечить неизменность положения прокладки на сваях в процессе устройства ростверка и предохраняют прокладку от механических повреждений, а также обеспечивает надежную работу демпфирующей прокладки без образования боковых бетонных шпонок (наплывов бетона). Благодаря такой конструкции происходит проектная работа демпфирующих прокладок и надежное включение ростверка в работу фундамента.
В совокупности все признаки позволили создать новое техническое решение, превосходящее ближайший аналог по техническому результату. Показателем технического результата является технический эффект, заключающийся в гарантированном улучшении передачи части расчетной нагрузки на грунт через подошву ростверка, увеличение несущей способности свайного фундамента.
Материалы, поясняющие сущность «Свайно-ростверкового фундамента с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании»:
На Фиг.1 представлен «Плитно-свайный фундамент» - аналог.
На Фиг.2 представлен «Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании»,
На Фиг.3 на фото представлен момент испытания демпфирующих прокладок в лаборатории,
На Фиг.4 на фото представлен момент испытания демпфирующей прокладки при максимальной нагрузке.
На фиг.5 представлены результаты испытания образцов пенополистирола в интервале нагрузки 0…100кН.
На фиг.6 представлены результаты испытания образцов пенополистирола в интервале нагрузки 100…700кН.
Позиции на Фиг.1 обозначают:
1. Свая,
2. демпфирующая прокладка из экструдированного пенополистирола
3. плита (либо ростверк).
Позиции на Фиг.2 обозначают:
1. Свая,
2. демпфирующая прокладка из пенополистирола,
3. ростверк,
4. выравнивающий слой,
5. предохранительный кожух.
«Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» состоит из сваи 1, демпфирующей прокладки из пенополистирола 2, ростверка 3, выравнивающего слоя 4, предохранительного кожуха 5.
«Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» осуществляют в следующей последовательности.
вс
В самом начале работ производят забивку свай 1 в соответствии с разработанной проектной документацией. Сваи погружают до проектной отметки по глубине. После забивки по верхним плоскостям свай устраивают выравнивающий слой 4. Данный слой может быть выполнен из цементно-песчаного раствора марки прочности не менее М100 для обеспечения требуемой прочности узла. Толщина выравнивающего слоя зависит от степени повреждений и неровности поверхности сваи и составляет Δ=20…30 мм. Непосредственно после укладки раствора на верхнюю плоскость сваи производят его выравнивание, тем самым обеспечивают параллельность верхней плоскости выравнивающего слоя. Далее укладывают демпфирующую прокладку из пенополистирола 2, а затем предохранительный кожух 5. Предохранительный кожух выполняют из листовой жести. Предохранительный кожух обеспечивает деформации демпфирующей прокладки, выполненной из пенополистирола, только в вертикальной плоскости, позволяет обеспечить неизменность положения прокладки на сваях в процессе устройства ростверка и предохраняют прокладку от механических повреждений, а также обеспечивает надежную работу демпфирующей прокладки без образования боковых бетонных шпонок (наплывов бетона). После окончательной установки предохранительного кожуха производят бетонирование ростверка 3.
Авторами полезной модели для оценки характеристик демпфирующих прокладок проведены испытания пенополистирола различных марок по плотности. В результате испытаний и анализа было установлено, что наилучшими характеристиками для применения в конструкции фундамента обладает пенополистирол марки М40.
к
к
дп
вс
дп
вс
Высота стенок предохранительного кожуха h назначают из условия: h=Δ+Δ+20 мм, где Δ - толщина демпфирующей прокладки, Δ - толщина выравнивающего слоя. Размеры предохранительного кожуха в плане должны быть больше поперечного сечения сваи на 2 мм. После формования выравнивающего слоя предохранительный кожух снимают. Затем выжидают несколько часов для набора первоначальной прочности выравнивающего слоя. После того, как выравнивающий слой
набрал первоначальную прочность, на верхнюю плоскость выравнивающего слоя укладывают демпфирующую прокладку из пенополистирола. Грани демпфирующей прокладки должны быть строго параллельными плоскости выравнивающего слоя. Размеры демпфирующей прокладки в плане принимаются равными размерам поперечного сечения сваи.
При осуществлении полезной модели был достигнут требуемый технический результат:
- обеспечение регулируемого включения ростверка в работу фундамента;
- обеспечение гарантированной передачи расчетной нагрузки на грунт через подошву ростверка,
- увеличение несущей способности свайного фундамента.
Положительным моментом является то, что появилась возможность регулировать работу ростверка и свай на грунтовом основании, а также устранить негативные факторы, влияющие на работу демпфирующих прокладок при бетонировании фундамента, тем самым, обеспечить проектную работу демпфирующих прокладок и гарантированное включение ростверка в работу фундамента.
«Свайно-ростверковый фундамент с регулируемой работой ростверка на грунтовом основании» соответствует условию «промышленная применимость», т.к. относится к широко используемым в строительстве устройствам для применения при проектировании и устройстве свайных фундаментов промышленных и гражданских зданий.