ФУНДАМЕНТ
FOUNDATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области строительства, а именно к малозаглубленным фундаментам, и может быть использовано в конструкциях сборно-монолитных фундаментов под комплекс антенн, возводимых на естественном основании.
Уровень техники
Известен первый металлический фундамент мелкого заложения по патенту на полезную модель Российской Федерации №56905, МПК E02D 27/01 (2006.01). Известный первый фундамент содержит металлические элементы и детали, горизонтальный опорный элемент и закрепленные на нем сверху вертикальные ребра жесткости, несущие установленные выше опорные детали для конструкций надземной части здания. Фундамент снабжен распределительными элементами для объединения его в совместную работу со смежными металлическими фундаментами мелкого заложения. Полости, образованные его элементами и деталями, забетонированы.
Известный первый фундамент обладает следующими недостатками:
- основание фундамента требует производства котлована, выполненного в виде горизонтальной уплотненной площадки;
- требуется сложная арматурная конструкция, состоящая из металлических элементов и деталей с горизонтальными и вертикальными ребрами жесткости;
- требуются дополнительные распределительные элементы для объединения его в совместную работу со сменными металлическими фундаментами мелкого заложения;
- требуется сложная опалубочную конструкция;
- фундамент имеет сложную, насыщенную металлом и бетоном конструкцию.
Известен второй металлический фундамент мелкого заложения по патенту на полезную модель Российской Федерации №2385993, МПК E02D 27/01 (2006.01) по заявке: 2008141042/03, 15.10.2008.
Известный второй фундамент представляет собой монолитный фундамент под колонну, возведенный на естественном или искусственном основании, например вытрамбованном в виде усеченного конуса, содержит опорную часть с металлическим каркасом и подколонную часть, размещенную на металлическом каркасе и снабженную элементами присоединения конструкции колонны. Опорная часть снабжена нижней и верхней арматурными сетками, а металлический каркас выполнен в виде жестких вставок, которые симметрично размещены относительно вертикальной оси фундамента и установлены между нижней и верхней арматурными сетками. Элементы присоединения конструкции колонны к опорной части выполнены в виде арматурных выводов.
Известный второй фундамент обладает следующими недостатками:
- требуется сложное вытрамбованное основание в виде усеченного конуса;
- требуется громоздкая опорная часть с металлическим каркасом и подколонная часть;
- требуются дополнительные элементы присоединениями конструкции колонны;
- требуется установка нижней и верхней арматурных сеток, выполненных в виде жестких вставок;
- требуется сложная опалубочная конструкция при сооружении фундамента;
- фундамент имеет сложную насыщенную металлом и бетоном конструкцию.
Известны другие технические решения, представленные в авторских свидетельствах СССР на изобретения и патентах РФ на изобретение:
Патент RU №2556588 С1, МПК E02D 27/42 (2006.01), «Свайный фундамент для обустройства опор воздушной линии передачи», по заявке 2014110679/03, 20.03.2014, патентообладатель ОАО "АК"Транснефть" (RU).
Патент RU №2555983 С1, МПК E02D 27/42 (2006.01), «Вдавливаемый микросвайный фундамент с частью ростверка», по заявке 2014118058/03, 05.05.2014, патентообладатель ФГБОУ ВПО "ТюмГАСУ" (RU).
Патент RU №2550169 С1, МПК E02D 27/35 (2006.01), «Фундамент на пучинистых грунтах», по заявке 20141100830/03, 10.01.2014, патентообладатель "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) (RU).
Патент RU №2547196 С1, МПК E02D 27/35 (2006.01), «Фундамент», по заявке 2013157231/03, 23.12.2013, патентообладатель "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) (RU).
Патент RU №2541963 С2, МПК E02D 27/35 (2006.01), "Сборный фундамент" по заявке 2013157231/03, 23.12.2013, патентообладатель Ланчкин Сергей Викторович (RU).
Патент RU№2516037 С2, МПК E02D 27/35 (2006.01), "Способ усиления фундаментов и сооружений, подверженных действию сил морозного пучения грунтов", по заявке 2010133554/03, 10.08.2010, патентообладатели: Ковалевский Алексей Алексеевич (RU), Цимбельман Никита Яковлевич (RU).
Патент RU №2496944 С1, МПК E02D 27/12 (2006.01), "Способ устройства основания фундаментов сооружений", по заявке 2012121305/03, 24.05.2012, патентообладатель: Саурин Анатолий Никифорович (RU).
Патент RU №2482246 С2, МПК E02D 27/08 (2006.01), "Устройство для усиления фундаментов с обжатием грунта", по заявке 2011111972/03, 29.03.2011, патентообладатель: "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства" (RU).
Патент RU №2385994 С1, МПК E02D 27/01 (2006.01) "Фундамент", по заявке 2008141951/03, 22.10.2008, патентообладатель: Анпилов Сергей Михайлович (RU).
Патент RU №2324034 С2, МПК E02D 27/42 (2006.01), "Фундамент с увеличенной несущей способностью на опрокидывание", по заявке 2006124210/03, 06.07.2006, патентообладатель: Анпилов Сергей Михайлович (RU).
Патент RU №2307212 С2, МПК E02D 27/14 (2006.01), "Свайный фундамент для высокосейсмичных районов", по заявке 2005121465/03, 07.07.2005, патентообладатель: Столяров Виктор Гаврилович (RU).
Патент RU №2209880 С2, МПК7 EO2D 27.00, "Соединение двухветвевой металлической колонны с фундаментом", по заявке 2001122059/03, 06.08.2001.
Их общими недостатками являются:
- Основание фундамента требует сложные земляные работы, связанные с вытрамбовыванием различных видов площадок.
- Сложная арматурная конструкция, выполненная под каждый фундамент отдельно.
- Установка дополнительных элементов под каждый фундамент отдельно.
- Сложная опалубочная конструкция.
- Фундамент имеет сложную насыщенную металлом и бетоном конструкцию.
Известный второй фундамент принят авторами за прототип.
Раскрытие изобретения
Технический результат настоящего изобретения заключается в упрощении конструкции, снижении бетоноемкости фундамента, сокращении сроков сооружения фундамента в отдаленных и труднодоступных районах, обеспечении хрупкости фундамента, предотвращении сил морозного пучения, осадки и бокового смещения свай.
Поставленная задача решена благодаря тому, что фундамент содержит множество N, где N≥3, буронабивных свай с М анкерными болтами, где М≥1, N профилей с первым и вторым концевым участком каждый, крепежные элементы, корпус, N элементов присоединения, N опорных пластин с отверстием и N компенсирующих упругих вставок с отверстием, при этом профили расположены так, что их оси в плане образуют пучок прямых, первые концевые участки профилей механически соединены с корпусом с образованием единой радиально-лучевой конструкции, буронабивные сваи расположены на линиях упомянутого пучка линий, опорные пластины расположены на буронабивных сваях, компенсирующие упругие вставки расположены на опорных пластинах, элементы присоединения расположены на профилях по одному элементу присоединения на каждом профиле, анкерные болты проходят последовательно через отверстия в опорных пластинах и отверстия в компенсирующих упругих вставках, каждый второй концевой участок профиля механически соединен с соответствующим анкерным болтом.
Технический результат достигается также тем, что профили расположены на одинаковом угловом расстоянии друг от друга.
В другом варианте фундамента профили имеют равную длину.
В другом варианте фундамента упругая вставка выполнена из пенополистирола.
В другом варианте фундамента профили выполнены из фасонного металлического профиля.
В другом варианте фундамента профили выполнены из двутавра.
В другом варианте фундамента профили выполнены из композитного материала.
В другом варианте фундамента элементы присоединения выполнены в виде площадки с анкерными болтами.
В другом варианте фундамента анкерные болты для обеспечения хрупкости конструкции выполнены с проточкой.
Использование предлагаемого технического решения позволило:
1. с применением буронабивных свай отказаться от выполнения сложных земляных работ и вытрамбовки основания под фундамент;
- упростить изготовление громоздкого арматурного каркаса;
- отказаться от установки дополнительных элементов;
- отказаться от сложной опалубочной конструкции.
2. Применение крепежных элементов в виде анкерных болтов позволило отказаться от дополнительных элементов присоединения конструкций.
3. Применение корпуса в плане образующего пучок прямых линий с разными угловыми расстояниями между профилями позволило решить проблему крепления различных форм изделий, т.е. с присоединением на радиально-лучевой конструкции изделий с тремя, четырьмя, пятью и более точками крепления.
4. Применение упругой вставки, выполненной из пенополистирола, позволило предотвратить передачу сил морозного пучения на корпус с креплением изделия.
5. Применение фасонного металлического профиля позволило модифицировать различные типы фундаментов с различными радиально-лучевыми конструкциями.
Решение этих и других задач поясняется далее текстом и чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен фундамент в разобранном виде с тремя плечами в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - фундамент с тремя профилями,
21, 22, 23 - буронабивные сваи,
211, 221, 231 - ямы для буронабивных свай,
3 - анкерный болт,
4 - профиль с первым 41 и вторым 42 конечными участками профиля,
5 - устройство присоединения,
6 - опорная пластина с отверстием 61,
7 - компенсирующая упругая вставка с отверстием 71.
На фиг. 2 представлен фундамент в собранном виде с тремя плечами в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 дан вид сверху на фундамент в собранном виде, представленном на фиг. 2.
На фиг. 4 приведен пример фундамента с установленной на нем решетчатой мачтой с антеннами. На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
8 - решетчатая мачта,
9 - антенны,
10 - направление ветра.
Осуществление изобретения
Обратимся к фиг. 1, на которой представлен фундамент в соответствии с настоящим изобретением. Фундамент 1 содержит три буронабивных сваи 21, 22, 23 с двумя анкерными с двумя болтами 3, три профиля 4 с первым 41 и вторым 42 концевыми участками, корпус 5, три устройства присоединения 6, три опорные пластины 7 с отверстием 71 и три компенсирующие упругие вставки 8 с отверстием 81. Профили 4 расположены так, что их оси в плане образуют пучок прямых с равным угловым расстоянием между собой. Первые концевые участки 41 профилей механически соединены с корпусом 5 с образованием единой радиально-лучевой конструкции. Буронабивные сваи 21, 22, 23 расположены на линиях упомянутого пучка. Опорные пластины 7 расположены на буронабивных сваях 21, 22, 23. Компенсирующие упругие вставки 8 расположены на опорных пластинах 7. Устройства присоединения 6 расположены на профилях 4 по одному элементу присоединения на каждом профиле. Анкерные болты 3 проходят последовательно через отверстия 71 в опорных пластинах 7 и через отверстия 81 в компенсирующих упругих вставках 8. Каждый второй концевой участок 42 профиля 4 механически соединен с соответствующим анкерным болтом 3.
Перечисленные устройства выполнены следующим образом.
Буронабивные сваи выполнены из бетона, армированного стальными прутками. Размеры буронабивной сваи рассчитывают по известным соотношениям применительно к конкретному аэродрому с учетом геологической обстановки в месте размещения фундамента. Анкерные болты выполняют из оцинкованных стальных прутков.
Профили 4 с первым 41 и вторым 42 концевыми участками выполняют в заводских условиях. В данной заявке мы пользуемся следующим определением профиля. Профиль - длинномерное металлическое изделие или полуфабрикат заданного поперечного сечения с соизмеримыми по величине шириной и высотой (в отличие от листа или ленты, у которых ширина существенно превышает высоту). В фундаменте по настоящей заявке используют металлический профиль, например стальной или конструкционный алюминиевый профиль. На втором концевом участке профиля выполняют необходимые отверстия для его крепления к анкерным болтам. Корпус 5 выполнен из металла, такого как сталь или алюминий. Устройство присоединения 6 и опорная пластина 7 с отверстием 71 выполнены из листового металла, такого как, например, сталь или алюминий. Компенсирующие упругие вставки 8 выполняют, например, из плитного экструдированного пенополистирола "Пеноплэкс".
Указанные устройства соединены между собой следующим образом.
В пробуренные скважины с размерами, определяемыми размерами сваи, по известной технологии выполняют заливку буронабивных свай 21, 22, 23 с установленными в них анкерными болтами 3. Три опорные пластины 7 с отверстиями 71 установлены на буронабивные сваи 21, 22, 23. Три компенсирующие упругие вставки 8 с отверстиями 81 установлены на опорные пластины 7. Профили 4, соединенные корпусом друг с другом, установлены на сваи 2 с расположенными на них опорными пластинами и компенсирующими упругими вставками. Профили 4 и анкерные болты 3 гайками соединены между собой.
Затем устанавливают три опорные пластины 7 с отверстием 71, на которые устанавливают три компенсирующие упругие вставки 8 с отверстием 81. Соединенные между собой профили устанавливают на сваи 21, 22, 23 с расположенными на них опорными пластинами и компенсирующими упругими вставками и соединяют механически с анкерными болтами.
Примеры
На фиг. 4 приведен пример фундамента для серийной решетчатой мачты высотой 18 м, выпускаемой Челябинским радиозаводом "Полет", с установленными на ней четырьмя антеннами.
При описании фундамента и мачты мы ссылаемся далее на обозначения, принятые для устройств на фиг. 1-3, и на обозначения устройств на фиг. 4. Фундамент содержит три буронабивные сваи с анкерными болтами, три профиля с первым и вторым концевым участком каждый, корпус, три элемента присоединения, три опорные пластины с отверстием и три компенсирующие упругие вставки с отверстием, при этом профили расположены с равными угловыми расстояниями между ними (120°), первые концевые участки профилей механически соединены с корпусом с образованием единой радиально-лучевой конструкции, буронабивные сваи расположены на линиях-осях профилей, опорные пластины расположены на буронабивных сваях, компенсирующие упругие вставки расположены на опорных пластинах, элементы присоединения расположены на профилях по одному элементу присоединения на каждом профиле, анкерные болты проходят последовательно через отверстия в опорных пластинах и через отверстия в компенсирующих упругих вставках, каждый второй концевой участок профиля механически соединен с соответствующим анкерным болтом.
Общий вес мачты 8 с антеннами 9 составляет 1,21 т. По данным моделирования в программе ANSOFT при скорости ветра 50 м/с к основанию мачты приложен момент сил, равный 7,6 тонно-метров. Для поддержания мачты в вертикальном положении этот момент сил должен быть компенсирован моментом сил противодействия со стороны фундамента. Очевидно, что наиболее неблагоприятная ситуация для устойчивости мачты наблюдается тогда, когда ветер дует в направлении 10, попутным с одним из профилей, в направлении от сваи к центру фундамента, например от сваи 21 к центру О, т.е. в направлении, противоположном направлению оси х на фиг. 4. При этом на сваи 22 и 23 силы, обусловленные моментом сил воздействия ветрового потока, направлены вертикально вниз, а сила, действующая на сваю 21, направлена вертикально вверх. Будем полагать, что сваи 22 и 23 остаются неподвижными. Подвижной может оказаться лишь свая 21, которая под действием приложенной к ней силы может быть выдернута из ямы 211. Предположим, что длина каждого профиля равна 1 м. Тогда длина рычага, к которому приложен момент сил, равна 1,5 м (1 м+1 м⋅cos60°=1,5 м). Пренебрежем силой сцепления сваи 21 с боковой поверхностью ямы 211, в которой размещена свая. Тогда вес сваи должен быть равен примерно . Вес трех свай равен 15,3 тонн.
Предлагаемый фундамент можно назвать фундаментом с разнесенными опорами. Суммарная нагрузка на опоры складывается из двух составляющих: из статической нагрузки и переменной нагрузки, обусловленной воздействием ветра на установленное на фундамент изделие, например мачту. Как показывает анализ реальных ситуаций, переменная составляющая нагрузки на существующие фундаменты в несколько раз превышает статическую составляющую нагрузки. Величина переменной нагрузки обратно пропорциональна удалению опоры от центра. Поэтому в фундаменте с разнесенными опорами переменную составляющую нагрузки удается уменьшить до величины статической нагрузки или меньшей величины.
3
3
3
3
3
3
3
Для сравнения типовой фундамент для установки на нем указанной решетчатой мачты с антеннами представляет собой монолитную трехступенчатую бетонную конструкцию с забетонированными в ней анкерными болтами. Нижняя ступень фундамента имеет размеры 3300×3300×300 мм. Средняя ступень имеет размеры 2500×2500×300 мм. Верхняя ступень имеет размеры 1900×1900×1400 мм. Верхняя ступень возвышается над поверхностью Земли на 200 мм. Выемка грунта составляет 98,8 м. Обратная засыпка 81,6 м. Объем бетонной конструкции равен 10,2 м. При удельном весе бетона 2,4 т/м вес фундамента составляет 24,48 тонны. Таким образом, применение предложенного фундамента позволяет, как минимум, экономить при его сооружении не менее 10 тонн бетона.
При более строгом подходе к расчету сил противодействия опрокидывающему моменту, обусловленному воздействием ветра на мачту с антеннами, выигрыш в экономии бетона оказывается гораздо большим.
Применение изобретения
Фундамент в соответствии с настоящим изобретением может использоваться:
- на аэродромах в отдаленных и труднодоступных районах,
- на болотистых местах, берегах водоемов, на сыпучих и плывучих грунтах, склонных к перемещению по горизонтали или вертикали, на сложных ландшафтах с уклонами и возвышенностями,
- в местах, с расположением сооружений на некотором возвышении над землей.
Сооружение фундамента возможно в разные периоды года, в том числе и зимой.