Свая с оболочкой

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении свайных фундаментов, предназначенных для восприятия высоких горизонтальных нагрузок.
Известна конструкция сваи-оболочки с грунтовым наполнителем (см. а.с. СССР № 542790, МПК E02D5/24, дата публикации 28.02.1977). В полости конструкции расположены вертикальные перегородки для повышения несущей способности ствола сваи.
Недостаток аналога заключается в том, что такое решение повышает несущую способность сваи по материалу, но не по грунту, поскольку не позволяет вовлечь в работу больший объем окружающего грунта.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принята свая с оболочкой, содержащая внешнюю оболочку, внутри которой с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин (см. а.с. СССР № 1596019, МПК E02D 5/24, дата публикации 30.09.1990).
К недостаткам прототипа можно отнести:
зависимость высоты внешней оболочки от диаметра ствола сваи;
верхняя часть сваи, которая является наиболее нагруженным элементом системы при действии высоких горизонтальных нагрузок, остается полой, что снижает геометрические характеристики сечения сваи и приводит к повышению деформативности элемента;
предполагает возможность устройства только «низкого» ростверка, в котором его подошва находится ниже уровня спланированной поверхности земли или совпадает с ним.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка конструкции сваи с повышенной несущей способностью при действии высоких горизонтальных нагрузок.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
1. перераспределение напряжений в околосвайном грунте вблизи верхней, наиболее деформируемой части сваи и, как следствие, увеличение несущей способности конструкции и уменьшение перемещения головы сваи за счет следующих факторов:
высота внешней оболочки, в пределах которой располагают ребра жесткости и значение которой не зависит от диаметра ствола сваи, позволяет повысить несущую способность сваи по грунту за счет более эффективного вовлечения в работу околосвайного грунта в области внешней оболочки, и как следствие более равномерного распределения напряжений в грунте;
увеличение суммарной боковой поверхности свай при ограниченной площади опирания позволяет повысить несущую способность сваи по грунту за счет более эффективного вовлечения в работу околосвайного грунта и как следствие более равномерного распределения напряжений в грунте;
равномерное распределение нагрузок между несколькими стволами свай при обеспечении их совместной работы позволяет уменьшить значения удельных нагрузок;
более рациональное радиальное расположение ребер жесткости с возможностью их точечной установки на разной высоте приводит к повышению несущей способности сваи по материалу за счет увеличения жесткости всей конструкции;
2. расширение области применения за счет следующих факторов:
возможность устройства ростверка на различной высоте относительно уровня спланированной поверхности земли;
возможность устройства ростверка не только под колонны, но и в виде балок, плит и других конструктивных элементов.
Поставленная задача решается тем, что свая с оболочкой, содержащая внешнюю оболочку, внутри которой с образованием зазора расположен ствол сваи, причем ствол и оболочка жестко соединены друг с другом с помощью установленных в зазоре ребер жесткости, выполненных в виде продольных пластин, отличается тем, что внутри внешней оболочки размещены два ствола сваи, причем продольные оси внешней оболочки и стволов сваи ориентированы параллельно друг другу, кроме того, ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки, причем кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки, кроме того, верхние части стволов и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка.
Кроме того, ребра жесткости расположены в зазоре между обращенными друг к другу поверхностями внешней оболочки и стволов сваи.
Кроме того, продольные оси внешней оболочки и стволов сваи размещены в одной плоскости.
Сопоставительный анализ существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признак «внутри внешней оболочки размещены два ствола сваи» обеспечивает увеличение суммарной боковой поверхности свай при ограниченной площади опирания, что позволяет повысить несущую способность сваи по грунту.
Признаки «продольные оси внешней оболочки и стволов сваи ориентированы параллельно друг другу» и признаки второго зависимого пункта формулы обеспечивают совместную работу элементов и равномерное распределение нагрузок между несколькими стволами свай.
Признаки «ребра жесткости установлены радиально в верхней и нижней частях внешней оболочки» и признаки первого зависимого пункта формулы позволяют более рационально, с учетом преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки, расположить ребра жесткости в зазоре между стволами сваи и оболочкой, тем самым повышая несущую способность сваи по материалу за счет увеличения жесткости всей конструкции при уменьшении материалоемкости.
Признак «кромки ребер жесткости не выступают за торцы внешней оболочки» позволяет повысить несущую способность сваи по грунту за счет более эффективного вовлечения в работу околосвайного грунта в области внешней оболочки.
Признаки «верхние части стволов и оболочки жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка» повышают жесткость верхней, наиболее деформируемой части сваи, уменьшают ее перемещение и тем самым снижают напряжения в околосвайном грунте, обеспечивая более равномерную передачу нагрузки от сооружения основанию.
На фиг.1 показано поперечное сечение сваи.
На фиг.2 изображено продольное сечение сваи.
1
2
На фиг.3 показана расчетная схема с верхним слабым и нижним прочным слоями грунта при соотношении их мощностей h/h.
На фиг.4 показаны расчетные перемещения сваи от высоких горизонтальных нагрузок.
1
2
На фиг.5 показаны перемещения голов свай с двумя цилиндрическими стволами (с внешней оболочкой округлого поперечного сечения, высота которой идентична высоте стволов, и без указанной оболочки) от действия горизонтальной нагрузки при различных соотношениях мощностей верхнего слабого и нижнего прочного слоев грунта h/h.
На чертежах показаны внешняя оболочка 1, стволы 2, зазор 3 между внешней оболочкой 1 и стволами 2 сваи, ребра жесткости 4, общий ростверк 5.
1
2
о
Также на чертежах обозначены мощности верхнего слабого hи нижнего прочного hслоев грунта и высоты стволов сваи l и внешней оболочки l соответственно.
Свая состоит из внешней оболочки 1, выполненной из стали или железобетона, внутри которой соосно, с образованием зазора 3 расположены два ствола 2 сваи.
о
1
о
Соотношение высот стволов 2 сваи l и внешней 1 оболочки l определяется в зависимости от мощности hверхнего, как правило, более слабого слоя грунта, прорезаемого внешней оболочкой 1, а максимальная высота внешней 1 оболочки l соответствует высоте l стволов 2 сваи.
Поперечные сечения внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи имеют округлую форму.
При этом форма поперечного сечения внешней оболочки 1 назначается в зависимости от преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки и в связи с этим может быть несимметричной.
Размеры поперечных сечений внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи определяют расчетным путем из условия недопущения пластических деформаций в околосвайном грунте, а также с учетом требуемой площади опирания надфундаментной конструкции на голову сваи.
Внешняя оболочка 1 и стволы 2 сваи жестко соединены друг с другом с помощью ребер жесткости 4, выполненных в виде продольных пластин, которые установлены радиально в зазоре 3 в верхней и нижней частях внешней оболочки 1, причем их кромки не выступают за торцы внешней оболочки 1.
Размеры ребер жесткости 4, включая их высоту, а также их расположение по высоте внешней оболочки 1 и в поперечном сечении определяют расчетным путем из условия недопущения пластических деформаций в околосвайном грунте, а также с учетом требуемой площади опирания надфундаментной конструкции на голову сваи.
При этом количество, размеры и расположение верхних и нижних ребер жесткости 4 могут различаться.
Верхние части внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи жестко соединены друг с другом посредством общего ростверка 5.
Заявляемые сваи погружают в грунт следующим образом.
В случае, если максимальные размеры поперечных сечений внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи соразмерны, изготавливают сваю, содержащую жестко соединенные внешнюю оболочку 1, стволы 2 сваи и ребра жесткости 4, далее готовую к установке в проектное положение сваю доставляют к месту установки.
На месте монтажа сваю погружают в грунт вибропогружателями, по мере ее заглубления все полости (при их наличии) заполняют грунтом.
Для обеспечения совместной работы внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи и возможности равномерной передачи нагрузки от сооружения основанию верхние части внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи жестко соединяют друг с другом, устраивая общий ростверк 5.
В случае, если максимальный размер поперечного сечения внешней оболочки 1 превышает максимальный размер поперечного сечения стволов 2 сваи в шесть и более раз, а установка ребер жесткости 4 в связи с их крупными размерами является нецелесообразной, элементы могут быть погружены в грунт последовательно, вначале внешняя оболочка 1, затем стволы 2 сваи.
Для обеспечения совместной работы внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи и возможности равномерной передачи нагрузки от сооружения основанию верхние части внешней оболочки 1 и стволов 2 сваи жестко соединяют друг с другом, устраивая общий ростверк 5.
Авторы провели сравнительный анализ конструкций свай без внешней оболочки и с внешней оболочкой, для чего были сформированы их численные модели в программно-вычислительном комплексе Plaxis 3D, предназначенном для конечно-элементного расчета напряженно-деформированного состояния сооружений, фундаментов и оснований.
При формировании численной модели для конечно-элементного расчета задействуют внешнюю оболочку и стволы сваи без ребер жесткости, при этом в условиях можно задать наличие общего ростверка, жестко соединяющего верхние части указанных элементов, объединив перемещения узлов верхней грани конструкции.
Анализ результатов конечно-элементного расчета сформированной численной модели позволяет варьировать количество, размеры и расположение ребер жесткости как по высоте внешней оболочки, так и в поперечном сечении из условия наиболее равномерного распределения напряжений в околосвайном грунте.
1
2
Расчет провели для свай с двумя цилиндрическими стволами с внешней оболочкой округлого поперечного сечения, высота которой идентична высоте стволов, и без указанной оболочки при прочих равных расчетных условиях (характеристики грунта, нагрузка, параметры контакта поверхностей с грунтом). В качестве дополнительного параметра расчета приняли различные соотношения мощностей верхнего слабого и нижнего прочного слоев грунта h/h (фиг.3).
В результате серии сравнительных расчетов установлено, что перемещения головы сваи с двумя цилиндрическими стволами от действия горизонтальной нагрузки при использовании внешней оболочки могут быть снижены на 60% в зависимости от грунтовых условий (фиг.5).
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет в зависимости от преобладающего направления действия ожидаемой горизонтальной нагрузки определять высоту и форму поперечного сечения внешней оболочки из условия равномерного распределения напряжений в околосвайном грунте.
Кроме того, снижение деформативности верхней части сваи приводит к более равномерному и контролируемому распределению напряжений в околосвайном грунте, а наличие внешней оболочки над спланированной поверхностью земли позволяет повысить жесткость системы при действии горизонтальных нагрузок на ростверк, и тем самым снизить напряжения в околосвайном грунте в областиспланированной поверхности.