СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ
METHOD OF REINFORCEMENT OF FOUNDATIONS

Изобретение относится к усилению фундаментов зданий буроинъекционными сваями и может быть использовано в пылевато-глинистых грунтах, находящихся в любой консистенции.
К буроинъинекционным сваям относят сваи диаметром 0,15-0,25 м, устраиваемые в пробуренных скважинах путем нагнетания (инъекции) в них мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора, или буроинъинекционные с уплотнением окружающего грунта путем обработки скважины по разрядно-импульсной технологии (сваи РИТ).
При забивке свай в грунт в результате его вытеснения из-под острия сваи уплотняется окружающая ее область. В буроинъекционных сваях эта область отсутствует. Поэтому для усиления буроинъекционных свай проводят дополнительные мероприятия с целью повышения их несущей способности так, чтобы соблюдалось равенство сопротивлений под нижним и верхним концами сваи. Чтобы исключить потерю устойчивости сваи от продольного изгиба в окружающих грунтах, деформируемую сваю рассматривают как гибкий стержень, расположенный в упругой среде, деформация которого зависит от критической нагрузки, вызывающей продольный изгиб.
Величина критической нагрузки на сваю наряду с другими факторами (прочности материала, несущей способности грунта и др.) зависит от способа закрепления ее концов.
Критическую силу для упругого стержня определяют по обобщенной формуле (15.7)
,
где µ - коэффициент приведенной длины;
Е - модуль деформации материала сваи, кПа;
4
J - момент инерции сечения стержня, м;
l - длина стержня, м.
(Смирнов А.Ф., Александров А.В., Монахов Н.И., Парфенов Д.Ф., Срябин А.И. и др. Сопротивление материалов. Высшая школа, М., 1969). Из этой зависимости видно, чем меньше значение µ, тем больше значение критической силы.
Как видно из рис.392, для шарнирно опертого по концам µ=2, а для стержня, заделанного двумя концами, µ=0.5.
Для слабых грунтов критическую нагрузку на буроинъекционную сваю рекомендуется определять по формуле (71). (Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Издательство Бумажная Галерея, 2000, с.228.)
,
где k - коэффициент постели основания в горизонтальном направлении, определяемый по результатам прессиометрических испытаний слабого слоя;
d - диаметр сваи, м;
Е - модуль общей деформации материала сваи, кПа;
4
I - приведенный момент инерции сечения сваи, м.
В этой формуле не отражена зависимость критической силы от способа закрепления концов сваи.
Заделку сваи в ростверк возможно выполнить путем создания пирамидального отверстия в усиливаемом фундаменте (Штоль Т.М., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1990, стр.180, рис.7.42) и выпуска арматуры в отверстие и ее заполнение бетонной смесью.
При усилении оснований существующих фундаментов с помощью буроинъекционных свай длина заделки сваи в фундамент должна приниматься по расчету или назначаться конструктивно равной пяти диаметрам сваи; при невозможности выполнения этого условия следует предусмотреть создание уширения ствола сваи в месте ее примыкания к ростверку (СП 50-102-2003 п.8.9).
Недостатками рассмотренных способов являются:
- необходимость откопки усиливаемого фундамента;
- невозможность выполнить условие, чтобы критическая сила в заделке сваи в ростверк была равна расчетному сопротивлению грунта под нижним концом сваи;
- невозможность выполнить эти условия при малой толщине фундамента, что снижает сопротивление продольному перемещению верхнего конца сваи;
- не учитывается расчетная нагрузка на сваю;
- недостаточный момент сопротивления изгибу.
Известные способы усиления несущей способности свай во многом зависят от несущей способности грунта под нижним концом сваи. В некоторых случаях на дно скважин засыпается щебень или жесткий бетон толщиной 15-20 см, который уплотняется с помощью долота или виброштампа (Метелюк Н.С., Шишко Г.В., Соловьева А.Б., Грузинцев В.В. Сваи и свайные фундаменты. Киев, «Будiвельник», 1977, с.204-205, рис.4-4).
Известен способ возведения набивной сваи с уплотнением основания (а.с. №165243 5 Е02В 5/38), который представляет собой образование скважины, отсыпку в ней отдельными слоями грунтового материала и втрамбовывание его в дно скважины с заполнением скважины бетоном.
6
Известны способы усиления несущей способности сваи за счет увеличения зоны уплотнения по всей длине сваи направленным взрывом, патент РФ №2081240, МПК E21D 1/00, а также использование разрядно-импульсной технологии для уплотнения грунтов, вмещающих сваю (Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М.: Бумажная Галерея, 2000, с.233-235, рис.85).
Повышение несущей способности сваи достигают путем образования камуфлетного уширения под нижним концом сваи с помощью механического уширителя, применение которого возможно только в грунтах тугопластичной консистенции (Костерин Э.М. Основания и фундаменты. М.: Высшая школа, 1978, с.164-169, рис.7.22; 7.25), а также использование для расширения скважин гидромониторов при их извлечении с вращением и размывом стенок скважины (SU 1209769, кл. E02D 5/30, 10.04.84), создание камуфлетного уширения с помощью взрыва заряда ВВ (Штоль Т.М., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1990, с.172-176, рис.7.63а), включающий бурение скважины, размещение на дне скважины сосредоточенного заряда ВВ. После взрыва на дне скважины образуется шарообразное камуфлетное уширение.
Недостатками рассмотренных способов являются:
- невозможность контроля качества выполненной работы;
- применение сложного оборудования;
- сейсмическое воздействие при применении взрывчатых веществ и разрядно-импульсной технологии;
- при наличии слабых грунтов с нарушенной структурой до начала заполнения скважин бетоном их стенки будут обрушаться;
- при высоком уровне подземных вод необходимо организовывать водопонижение;
- в скважинах малого диаметра невозможно применение механических уширителей;
- если центр заряда не совпадает с осью скважины, то шарообразное камуфлетное уширение смещается от оси скважины, что снижает несущую способность сваи;
- недостаточная жесткость закрепления нижнего конца сваи.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ повышения несущей способности буронабивной сваи с использованием продуктов взрыва для создания по длине скважины нескольких кольцевых полостей из уплотненного грунта (патент РФ №2241098, МПК 7 E02D 27/08), включающий бурение скважины, установку в ней металлического цилиндра, имеющего кольцевые выемки с наклонными гранями, между которыми размещают заряд взрывчатого вещества для направления продуктов взрыва в сторону стенок скважины, и создание необходимого количества камуфлетных полостей.
Недостатками данного способа являются:
- невозможность рассчитать объем полостей;
- невозможность создания полости непосредственно под подошвой усиливаемого фундамента;
- не уплотняется дно скважины, что снижает жесткость закрепления нижнего конца сваи;
- сейсмические воздействия на фундамент усиливаемого здания;
- сложность выполнения в условиях городской застройки;
- не учитываются расчетное сопротивление грунта и величина передаваемой нагрузки.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение несущей способности буроинъекционной сваи при усилении фундаментов за счет жесткого защемления ее концов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе усиления фундаментов, включающем бурение скважины через фундамент усиливаемого здания и погружение в нее гидромонитора, образование уширений сваи, установку арматурного каркаса, нагнетание мелкозернистого бетона, согласно изобретению непосредственно под подошвой и на ее дне выполняются цилиндрические уширения высотой, равной диаметру уширения, который определяют по следующей зависимости:
,
K
где γ - коэффициент надежности;
N - нагрузка на сваю, кН;
d - диаметр сваи, м;
i
f - расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа;
h - толщина i-слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
CR
γ - коэффициент условий работы под нижним концом буроинъекционой сваи с уширением;
cf
γ- коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности буроинъекционной сваи;
R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа.
Для повышения жесткости сваи продольному изгибу по ее длине выполняют требуемое количество промежуточных уширений. Цилиндрические уширения выполняют с учетом физико-механических характеристик грунтов и величины передаваемой нагрузки на сваю.
Сущность способа повышения несущей способности буроинъекционной сваи поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображен продольный разрез скважины с уширениями и погруженным в нее гидромонитором;
- на фиг.2 показан продольный разрез с установленной арматурой буроинъекционной скважины после инъекции одновременно с уширениями мелкозернистым бетоном.
В усиливаемом фундаменте 1 пробурена скважина 2 с погруженным в нее гидромонитором 3 для образования в грунте 4 высоконапорной водяной струей 5 уширений цилиндрической формы 6, 7, 8, которые после установки арматуры 9 совместно со скважиной 2 инъекцируются мелкозернистым бетоном 10. Уширения 6, 7, 8 выполняются высотой не менее диаметра уширения, который определяется по следующей зависимости:
K
где γ - коэффициент надежности;
N - нагрузка на сваю, кН;
d - диаметр сваи, м;
i
f - расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности ствола сваи, кПа;
h - толщина i-слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;
CR
γ - коэффициент условий работы под нижним концом буроинъекционной сваи с уширением;
cf
γ - коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности буроинъекционной сваи;
R - расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, кПа.
Пример
L
Необходимо определить размеры цилиндрического уширения буроинъекционной сваи для передачи на основание нагрузки N=150 кН при условии, что свая диаметром d=0.25 м, длиной 6 м размещается в пылевато-глинистых грунтах с показателем текучести I=0.3. Для проведения расчетов используем СП 50-102-2003:
K
cf
CR
L
1
2
3
где γ=1.4 по п.7.1.11, γ=0.8 по табл.7.5, γ=1.3 по п.7.2.6, R=700 кПа по табл.7.7, по табл.7.2 при показателе текучести I=0.3, f=23 кПа, f=35 кПа, f=40 кПа. Подставляем эти значения в формулу и определяем диаметр уширения
Эффективность возведения буроинъекционной сваи с уширениями достигается сокращением количества свай, в результате снижаются расходы на буровые работы, сокращается расход бетона, позволяет увеличить нагрузку на фундамент и повысить устойчивость зданий и сооружений.