УДАРОСТОЙКАЯ ЗАБИВНАЯ СВАЯ
IMPACT-RESISTANT DRIVEN PILE

Изобретение относится к области возведения свайных фундаментов из забивных железобетонных свай с оголовками, предохраняющими верхние части свай от разрушения при их погружении в грунт.
Известна сборная железобетонная свая сплошного сечения, погружаемая в грунт ударно-динамическим способом [патент CN 204225096, опубл. 25.03.2015]. Свая включает в себя три уровня состыкованных между собой железобетонных секций, снабженных предварительно напряженными продольными арматурными стержнями, объединенными проволочными хомутами в пространственные каркасы. Для восприятия ударной нагрузки от сваебойной установки, верхняя железобетонная секция сваи содержит сварной коробчатый оголовок, неразъемно прикрепленный к ее головной части при бетонировании. Внутри оголовка к днищу приварены втулки, в которые вставлены верхние концы продольных арматурных стержней железобетонной секции, а по периметру нижней части секции установлена стальная обойма, из которой выступают наружу нижние концы продольных арматурных стержней для стыковки с втулками нижерасположенной секции железобетонной сваи. При стыковке свайных секций их стальные обоймы сваривают соединительными пластинами, которые перед погружением сваи в грунт покрывают гидроизолирующим слоем из эпоксидной смолы. Недостатком известной железобетонной сваи является повышенная металлоемкость свайных секций, что ведет к их удорожанию, также существует вероятность образования пустот внутри коробчатого оголовка при бетонировании верхней секции сваи, что может привести к деформации оголовка, снижению ударостойкости и разрушению бетона головной части секции сваи под воздействием многократной ударно-динамической нагрузки, что усложняет производство свайных работ и требует дополнительных материальных и денежных затрат для восстановления разрушенной верхней секции сваи или ее полной замены.
Также известна забивная железобетонная свая, содержащая съемный стальной наголовник для защиты от разрушения верхней части сваи при ее погружении в грунт ударно-динамическим методом [патент US 1060668, опубл. 06.05.1913]. Наголовник содержит стальную опорную плиту, устанавливаемую на верхний торец ствола сваи. На двух противоположно расположенных сторонах опорной плиты наголовника закреплены стальные консоли с овальными отверстиями на концах для крепления к стволу сваи. Сверху опорной плиты наголовника установлен упругий блок из прессованной древесины, окантованный стальным обручем. Перед погружением сваи в грунт на верхний торец железобетонной сваи дополнительно укладывают прокладку из твердой древесины, на которую устанавливают стальную опорную плиту наголовника, располагая его таким образом, чтобы овальные отверстия на концах обеих стальных консолей совместились со сквозным отверстием, расположенным на стволе железобетонной сваи. Через совмещенные отверстия пропускают крепежный болт, на который навинчивают прижимную гайку, после чего приступают к погружению сваи в грунт. Недостатком известной сваи и устанавливаемого на ее верхнюю часть наголовника является его ненадежное крепление к стволу сваи из-за отсутствия фиксации прижимной гайки крепежного болта, которая при приложении ударно-динамической нагрузки к наголовнику ослабевает под воздействием совместных упругих опорных реакций прессованного деревянного блока и прокладки наголовника, в результате чего крепежный болт начинает колебательно перемещаться в пределах овальных отверстий, расположенных на консолях, и плотность контакта между стальным наголовником и верхним торцом сваи нарушается, что приводит к смещению наголовника с центральной части в одну из сторон верхнего торца сваи и неравномерному восприятию удара молота, которое может привести к снижению ударостойкости сваи и разрушению ее верхнего бетонного торца, ко всему прочему, сквозное отверстие, расположенное поперек ствола железобетонной сваи, ослабляет ее сечение и способствует постепенному появлению трещин и разрушению ствола сваи под многократным воздействием ударной нагрузки.
Наиболее близкой по технической сущности является забивная свая, содержащая железобетонный ствол, на верхнем опорном выступе которого неразъемно прикреплен сталефибробетонный оголовок стаканного типа, предназначенный для предохранения ствола сваи от разрушения при приложении ударно-динамической нагрузки [патент SU 1663122, опубл. 15.07.1991]. Внутренняя донная поверхность оголовка имеет сферический свод, охватывающий сформованный из бетона верхний опорный выступ ствола сваи. Оголовок изготавливают в два этапа, где на первом этапе формуют стенки оголовка путем центрифугирования сталефибробетонной смеси во вращающейся форме. На втором этапе формуют донную часть оголовка в неподвижной форме, где в процессе формования выполняют уплотнение сталефибробетонной смеси при помощи вибрации. После твердения оголовок укладывают в форму для бетонирования ствола сваи, где его внутреннюю сферическую полость заполняют бетонной смесью, неразъемно прикрепляя оголовок к верхней части ствола сваи. При забивке набравшей прочность сваи в грунт в момент удара по донной части оголовка его сталефибробетонные стенки воспринимают со стороны бетонного выступа ствола сваи нагрузку в виде внутреннего давления с максимальным растягивающим напряжением в тангенциальных направлениях. Недостатками известной забивной сваи, содержащей сталефибробетонный оголовок, являются: ограниченная область применения из-за дефицита качественной стальной фибровой арматуры и специальных сортов заполнителя для бетонной матричной смеси, необходимых для изготовления сталефибробетонного оголовка; также в процессе приготовления сталефибробетонной смеси возникают технологические проблемы, в том числе при ее перекачке, укладке и формовании тонкостенных элементов оголовка сваи из-за повышенной упругости стальных фибр и их малой удельной поверхности сцепления с бетонной матрицей; при этом существуют определенные сложности при подборе оптимального состава сталефибробетона и технологии формования из него изделий из-за отсутствия количественных показателей параметров фибрового армирования бетонной матрицы, что сдерживает применение сталефибробетона в ответственных конструкциях; ко всему прочему, в процессе перемешивания сталефибробетонной смеси, ее центрифугирования и вибрирования при формовании элементов оголовка происходит осаждение стальной фибры в бетонной матричной смеси и ее неравномерное распределение по объему, что приводит к снижению качества дискретного армирования оголовка и отрицательно сказывается на ударостойкости сваи; после забивки сваи в грунт существует необходимость срубки сталефибробетонного оголовка и бетонного опорного выступа до арматурного каркаса ствола сваи, который присоединяют к арматурному каркасу железобетонного ростверка, что ведет к перерасходу строительных материалов и дополнительным затратам времени на производство работ.
Решение данной технической проблемы заключается в повышении ударостойкости забивных железобетонных свай в период их погружения в грунт и обеспечении надежности в процессе эксплуатации за счет осуществления конструктивных и технологических мероприятий, позволяющих, снизить затраты на изготовление и погружение свай, сохранить целостность конструкции железобетонных свай и их прочность в процессе погружения в грунт и сократить сроки возведения свайных фундаментов.
Техническим результатом, достигаемым при решении данной технической проблемы, является снижение концентрации пиковых напряжений по краям верхней части сваи при ее забивке в грунт и достижение их перераспределения по ее поверхности путем изменения формы и придания верхней части выпуклой формы, приближенной к заостренной. При такой форме верхней части сваи напряжения на краях ее поверхности становятся меньше, чем в центральной части, что значительно повышает ударостойкость железобетонной сваи. Эффективность восприятия удара верхней частью сваи обеспечивается плотным контактом поверхности вкладыша, выполненного из твердого материала, с железобетонной поверхностью верхней части сваи через специально подобранные прокладки, при этом прочность верхней части сваи обеспечивается за счет эффекта обжатия, создаваемого направленным воздействием ударной нагрузки, передаваемой от вогнутой поверхности вкладыша на заостренную выпуклую поверхность верхней части сваи.
Для достижения указанного технического результата предлагается ударостойкая забивная свая, содержащая железобетонный ствол, на верхнем опорном выступе которого расположен оголовок стаканного типа. Новым является то, что верхний опорный выступ ствола сваи выполнен в форме правильной многоугольной усеченной пирамиды, нижним основанием которой является верх железобетонного ствола забивной сваи, при этом корпус оголовка выполнен металлическим с возможностью установки и снятия с опорного выступа ствола сваи, а днище оголовка смещено внутрь корпуса и разделяет его по высоте на верхнюю и нижнюю полости, где в нижнюю полость оголовка установлен металлический вкладыш, верхняя поверхность которого выполнена плоской, а нижняя поверхность вкладыша выполнена в виде углубления, поверхность которого повторяет поверхность верхнего опорного выступа железобетонного ствола сваи. Высота верхней полости оголовка может относиться к высоте нижней полости, как 1:3, что позволит надежно установить оголовок на вкладыш, расположенный на верхнем опорном выступе сваи, и зафиксировать место приложения ударной нагрузки от молота сваебойного оборудования. Предпочтительно, если на верхней поверхности вкладыша будет установлена амортизирующая прокладка из полимерного материала, что позволит смягчить контакт между днищем оголовка и верхней поверхностью вкладыша при начальной стадии приложения ударной нагрузки. На нижней поверхности вкладыша может быть установлена пластичная прокладка из армированной резины, что позволит равномерно распределить ударную нагрузку по поверхности опорного выступа ствола сваи. Оптимально, если верхний опорный выступ ствола сваи будет выполнен в виде правильной четырехугольной усеченной пирамиды, что позволит сосредоточить усилия обжатия внутри центральной части железобетонного ствола сваи и избежать сколов по его краям. В зависимости от величины прилагаемой ударно-динамической нагрузки и размеров сечения ствола сваи грани правильной четырехугольной усеченной пирамиды могут образовывать с нижним основанием угол α в пределах от 30° до 60°. Желательно, если в зависимости от угла α наклона граней сторона А верхнего основания правильной четырехугольной усеченной пирамиды будет относиться к стороне В ее нижнего основания как 1:5, или как 1:4, или как 1:3, при этом высота h усеченной правильной четырехугольной пирамиды может составлять от 65 мм до 175 мм, что позволит обеспечить необходимый диапазон приложения ударных нагрузок, направленных к центральной части ствола забивной сваи.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез верхней части железобетонной сваи с установленным на ее верхний опорный выступ стальным оголовком, а на фиг. 2 показан план верхнего опорного выступа сваи на уровне оголовка.
Предлагаемое техническое решение поясняется на примере осуществления изобретения.
Ударостойкая забивная свая 1 содержит железобетонный ствол 2 сплошного сечения размером 300×300 мм. На верхнем опорном выступе 3 ствола 2 сваи 1 установлен инвентарный оголовок 4, предназначенный для предохранения сваи 1 от разрушения при приложении ударно-динамической нагрузки (см. фиг. 1). Корпус оголовка 4 выполнен из литьевой стали марки Л25, которая соответствует ГОСТ №977-88 (с Приложением №1 поправок к ГОСТ 977-88). Днище 5 оголовка 4 смещено внутрь его корпуса и разделяет оголовок 4 по высоте на верхнюю и нижнюю полости. Высота верхней полости оголовка 4 составляет 300 мм, а высота нижней полости составляет 600 мм, при этом их высоты относятся друг к другу как 1:3. В нижнюю полость оголовка 4 установлен металлический вкладыш 6 из литьевой стали марки Л25, предназначенный для восприятия ударно-динамических нагрузок Р от молота 7 сваебойной установки (не показана). Верхняя поверхность вкладыша 6 выполнена плоской, а его нижняя поверхность выполнена в виде углубления, поверхность которого повторяет поверхность верхнего опорного выступа 3 железобетонного ствола 2 сваи 1, при этом толщина δ вкладыша 6 в центральной части составляет не менее 150 мм. Верхний опорный выступ 3 сваи 1 выполнен в форме правильной четырехугольной усеченной пирамиды, нижним основанием которой является верх ее железобетонного ствола 2. Грани четырехугольной усеченной пирамиды верхнего опорного выступа 3 сваи 1 образуют с нижним основанием угол α=45°. Сторона А верхнего основания усеченной пирамиды равна 75 мм, а сторона В нижнего основания пирамиды равна 300 мм, и они относятся друг к другу как 1:4 (см. фиг. 2), при этом высота h усеченной правильной четырехугольной пирамиды в данном случае составляет 115 мм. На верхней поверхности вкладыша 6 установлена амортизирующая прокладка 8, изготовленная из полимерного композиционного материала полиамида-6 (капролон) толщиной δ=30 мм. На нижней поверхности вкладыша 6 установлена равнопластичная прокладка 9 из армированной резины, вырезанной из конвейерной ленты толщиной 10 мм. Для формования выпуклой поверхности железобетонного опорного выступа 3 ствола 2 сваи 1 предварительно изготавливают матрицу (не показана) из огнеупорного материала для отливки стального вкладыша 6. При бетонировании ствола 2 сваи 1 вкладыш 6 устанавливают в опалубку (не показана) для формования ее верхнего опорного выступа 3, а после набора сваей 1 проектной прочности вкладыш 6 вынимают из опалубки, помещают в стальной оголовок 4 и устанавливают на верхний опорный выступ 3 ствола 2 сваи 1 для предотвращения деформации и разрушения верхней части сваи 1 от ударов молота 7 при ее погружении в грунт ударно-динамическим методом.
Приведенный пример использован исключительно для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения и ни в коей мере не ограничивает объем правовой охраны, представленный в его формуле, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен реализовать и другие пути осуществления данного технического решения.