КОМПОЗИТНАЯ ПРОТИВОПУЧИННАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к строительству объектов нефтегазовых и иных трубопроводов, опор контактной сети, опор линий электропередач и иных объектов инфраструктуры, а также зданий и сооружений на территориях, характеризующихся явлением морозного пучения грунтов.
Фундаменты легких сооружений, таких как трубопроводы, опоры контактной сети, опоры линий электропередач и другое, в зимний период испытывают деформации вследствие воздействия пучащегося грунта вокруг фундамента. Данные деформации в зависимости от интенсивности пучения могут достигать больших значений и приводить к выходу сооружения из работоспособного состояния. Для борьбы с воздействием пучащегося грунта разработано множество эффективных способов, среди которых наибольшее распространение получили уменьшение сил смерзания материала фундамента и мерзлого грунта в зоне воздействия сил пучения и выполнение анкерующих устройств в зоне, не подверженной промерзанию. Оба указанных способа принимаются за основу при создании свай, обладающих противопучинными свойствами, так называемых противопучинных свай.
Известна свая, содержащая полую трубу, выполненную из полимерного композитного материала (см. Михалдыкин Е.С. Опыт применения полимерных свай - http://fc-union.com/wp-content/uploads/2018/06/3-Opyt-primeneniya-plolimernyh-svaj-pri-vozvedenii-fundamentov-Mihaldykin-E.S.pdf; Бояринцев A.B. Полимерные и композитные сваи. Мировой и отечественный опыт // ОФМГ. №5 - 2020. - С. 22-27).
Недостатком данной конструкции сваи являются ее слабые анкерующие свойства, что не позволяет эффективно сопротивляться выдергивающему воздействию сил морозного пучения грунта. Для исключения этого необходима дополнительная анкеровка сваи в слои грунта, расположенные ниже деятельного слоя, которая приведет к перерасходу материала и повышению стоимости конечной продукции.
Известна противопучинная свая, выполненная из стальной трубы, наружная поверхность срединной части ствола которой покрыта полимерным термоусадочным материалом, жестко закрепленным на свае. В качестве полимерного термоусадочного материала применяют композитный модифицированный полимер на основе полиолефинов с добавками на основе полиэтилена, обладающего свойством термоусадочности. Данное покрытие изначально обладает диаметром большим диаметра сваи на 10-15% и под воздействием температуры значением около 120°С усаживается, облегая тело сваи (см. патент РФ №89541, E02D 5/60, E02D 27/35). Таким образом, можно говорить о том, что термоусадочный материал позволяет сформировать два участка длины сваи: первый (анкерный), предназначенный для восприятия выдергивающего воздействия сил морозного пучения, и второй (противопучинный), предназначенный для уменьшения интенсивности воздействия сил пучения за счет уменьшения сил смерзания промерзающего грунта и поверхности сваи.
Недостатком известной конструкции является ее низкая коррозионная стойкость, обусловленная термодинамической неустойчивостью стали к воздействию воды, воздуха, а также соляных растворов, содержащихся в грунте, а также на его поверхности. Коррозия может развиваться на непокрытых оболочкой участках сваи, а также под оболочкой при попадании влаги в микрозазоры с поверхностью сваи, которые образуются в местах наличия сварных швов, неровностей или механических отложений, изменяющих форму поперечного сечения. Одновременно с этим, нанесение дополнительного полимерного покрытия повышает трудоемкость изготовления свай, а сам рукав может быть сорван с тела сваи в процессе эксплуатации или монтаже из-за нарушений адгезии полимера рукава и материала сваи.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является стальная противопучинная свая, содержащая полую трубу, которая включает первый участок, предназначенный для погружения в неподверженные сезонному промерзанию слои грунта, и второй участок, предназначенный для размещения на глубину промерзания грунта. Причем первый более широкий участок ствола снабжен продольными лопастями, а второй участок ствола выполнен в виде многогранной усеченной пирамиды, сужающейся к верху, и соединен крепежами с первым участком ствола (см. патент РФ №181501, E02D 5/48, E02D 5/52, E02D 5/54).
Недостатком данной конструкции сваи является низкая коррозионная стойкость ее материала, обусловленная термодинамической неустойчивостью стали к воздействию воды, воздуха, а также соляных растворов, содержащихся в грунте, а также на его поверхности. Одновременно с этим, процесс изготовления данной конструкции сваи весьма трудоемок, а масса готовой сваи обладает высоким значением, что приводит к увеличению сроков ее изготовления, а также повышению стоимости конечной продукции.
Техническая проблема известных решений заключается с одной стороны в слабых анкерующих свойствах противопучинной полимерной сваи, а с другой - в низкой коррозионной стойкости стальных свай, что приводит во всех случаях к сокращению срока службы сооружений, воздвигнутых на фундаментах с применением данных свай.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что противопучинная свая выполнена из трубы, которая включает первый участок, предназначенный для погружения в неподверженные сезонному промерзанию слои грунта, и второй участок, предназначенный для размещения на глубину промерзания грунта, причем первый участок трубы содержит неровности. Труба выполнена из полимерного композитного материала, а неровности первого участка трубы представлены в виде увеличенной шероховатости поверхности. Труба может иметь круглое или эллиптическое поперечное сечение и состоять, по меньшей мере, из двух частей, соединенных между собой посредством клея и муфты меньшего диаметра, заведенной на равную длину в каждую из соединяемых труб. Кроме того, полость трубы может быть заполнена тяжелым бетоном, легким бетоном или ячеистым бетоном, цементно-песчаным раствором или цементно-песчаной смесью, а материал заполнения трубы может быть армирован стрежневой арматурой.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью, заключается в улучшении анкерующих свойств сваи за счет более эффективного зацепления частичек грунта с выступами неровностей поверхности сваи, тем самым повышая сопротивление сваи выдергиванию.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично изображена свая в грунте, общий вид с вариантами форм поперечного разреза;
на фиг. 2 - составная свая в грунте с заполненной полостью, общий вид с вариантами форм поперечного разреза и поперечным разрезом места соединения труб.
Противопучинная свая представляет собой полую трубу 1 с круглым или эллиптическим поперечным сечением, выполненную из полимерного композита. Труба 1 включает первый, или анкерный, участок 2 соприкосновения сваи со слоями грунта 3, не подверженными сезонному промерзанию, и второй, или противопучинный, участок 4 соприкосновения сваи с сезонномерзлыми грунтами 5. Первый участок 2 трубы 1 содержит неровности 6, представленные в виде увеличенной шероховатости поверхности. Длина анкерного участка 2 принимается так, чтобы обеспечить достаточную анкеровку конструкции в грунте 3, для восприятия выдергивающих сил морозного пучения. Длина противопучинного участка 4 зависит от глубины 7 промерзания грунта 5 на площадке строительства (фиг. 1). Полая труба 1 может быть выполнена составной, длина которой набрана инвентарными композитными трубами определенной длины. Причем труба 1 может состоять, по меньшей мере, из двух частей, соединенных между собой посредством клея 8 и муфты 9 меньшего диаметра, заведенной на равную длину в каждую из соединяемых труб. Полость трубы 1 может быть выполнена с заполнителем 10 для повышения жесткости, например, тяжелым бетоном, легким бетоном или ячеистым бетоном, цементно-песчаным раствором или цементно-песчаной смесью, а материал заполнения 10 трубы может быть армирован стрежневой арматурой (фиг. 2). Повышение грубости наружной поверхности сваи на первом ее участке и сохранение поверхности композита гладкой на втором участке формирует разделение сваи на анкерный и противопучинный участки, что придает ей анкерные и противопучинные свойства. Термодинамическая устойчивость полимерного композитного материала сваи к воздействию воды, воздуха, а также соляных растворов, содержащихся в грунте и у его поверхности, позволяет повысить ее коррозийную стойкость. Кроме того, композитный материал изначально обладает противопучинными свойствами, и нет необходимости наносить на поверхность второго, противопучинного, участка дополнительные средства защиты. А значение массы готовой конструкции ниже массы стали за счет малого веса компонентов композита при сохранении значения прочностных характеристик, подобных характеристикам стали.
Взаимодействие заявляемой полезной модели с грунтом осуществляется следующим образом.
Сваю, содержащую полую трубу 1 круглого или эллиптического сечения из полимерного композитного материала, погружают в грунт, подверженный сезонному промерзанию. Свая 1 может быть выполнена составной и содержать, по меньшей мере, две части, соединенные между собой посредством клея 8 и муфты 9 меньшего диаметра, заведенной на равную длину в каждую из соединяемых труб. Полость трубы 1 может быть выполнена с заполнителем 10 для повышения жесткости, например, тяжелым бетоном, легким бетоном или ячеистым бетоном, цементно-песчаным раствором или цементно-песчаной смесью, а материал заполнения 10 трубы 1 может быть армирован стрежневой арматурой. Первый, анкерный, участок 2 трубы 1, содержащий неровности 6, представленные в виде увеличенной шероховатости поверхности, размещают в слои грунта 3, неподверженные сезонному промерзанию. Противопучинный участок 4 трубы 1 размещают на глубину 7 промерзания грунта 5. При увеличении грунта 5 в объеме вследствие его промерзания на поверхности соприкосновения пучащегося грунта 5 и второго участка 4 сваи 1 возникают касательные силы морозного пучения. При этом из-за низкой шероховатости поверхности второго участка 4 трубы 1, обусловленной технологией изготовления композитных полимерных труб, интенсивность данного воздействия снижается. Оставшееся выдергивающее действие касательных сил морозного пучения воспринимается первым, анкерным, участком 2 сваи 1, выполненным с неровностями 6 в виде повышенной шероховатости наружной поверхности, по всей длине которого на границе сваи 1 и грунта 3 возникают силы трения, направленные в сторону, противоположную стороне действия касательных сил морозного пучения на втором, противопучинном, участке 4. При этом увеличенная шероховатость 6 поверхности анкерного участка 2 сваи 1 обеспечивает более эффективное зацепление частичек грунта с выступами неровностей 6, тем самым повышая сопротивление сваи 1 выдергиванию. Кроме того, полимерный композитный материал обладает термодинамической устойчивостью к воздействию воды, воздуха и соляных растворов, содержащихся в грунте, а также на его поверхности, что позволяет повысить стойкость сваи к коррозионным процессам. Заявляемая противопучинная свая является легкой за счет специфических свойств полимерных композитных материалов, а также технологичной в виду отсутствия необходимости создания и нанесения дополнительных средств, обеспечивающих снижение интенсивности воздействия касательных сил морозного пучения на сваю.
Таким образом, заявляемая противопучинная свая обеспечивает эффективное сопротивление выдергивающему воздействию касательных сил морозного пучения за счет улучшения ее анкерующих свойств.