СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СВАИ НЕГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
ERECTION METHOD OF PILE OF SHALLOW EMBEDDING

Изобретение относится к области фундаментостроения, а именно к технологии возведения свай неглубокого заложения, в том числе в слабых грунтах и агрессивной грунтовой среде для сооружения малоэтажных жилых зданий, коттеджей, бунгало, дачных домиков, складов, павильонов и объектов другого назначения.
Известна свая по патенту Российской Федерации на изобретение (№2001121282, E02D 5/30, E02D 5/50, заявит. ОАО «Красноярский ПИИ «Гидропроект», опубл. 20.06.2003), содержащая ствол с заострением и оголовком, уширением, сужением, выступами, полостью и каналами.
Однако известная свая отличается сложностью устройства, изготовления и эксплуатации, а также недостаточной надежностью в условиях агрессивной грунтовой среды.
Известны трубообразная свая, заключенная в бетон, и способ забивания сваи по патенту Российской Федерации на изобретение (№2001119476, E02D 5/30, E02D 5/34, заявит. Раутаруукки Ойй, опубл. 27.06.2006), причем конструкция известной сваи содержит металлическую свайную трубу с дополнительными секциями, башмак, бугель, сквозные и проточные отверстия, углубления и соединительные части, а в известном способе забивания сваи предложен целый комплекс многочисленных и довольно трудоемких операций по удлинению и формированию ее структуры, а также описан насыщенный весьма сложными приемами процесс по забиванию сваи в грунт.
Поэтому для таких сваи и способа характерна еще большая конструктивная и технологическая сложность плюс высокая трудоемкость изготовления, возведения и обслуживания, что исключает их практическое применение в современном строительстве.
Известна свая по патенту Российской Федерации на изобретение (№2004122320, E02D 5/30, заявит. Юшков Б.С., Добрынин А.О., Репецкий Д.С., опубл. 20.01.2006), содержащая полый армированный ствол круглого сечения в форме конуса с закрытыми торцами и сужением кверху в зоне сезоннопромерзающего грунта.
Известная свая характеризуется простотой устройства и изготовления, но в то же время область ее применения весьма ограничена, а использование в слабых грунтах, в агрессивной грунтовой среде, а также для зданий малой этажности остается проблематичным.
Известен способ возведения сваи в агрессивных грунтах по авт.св. СССР на изобретение (№1678972, E02D 5/36, заявит. КарПТИ, опубл. 23.09.1991), включающий проходку исходной скважины и установку в ней ствола сваи.
Известный способ применим в агрессивной грунтовой среде, однако он не распространяется на слабые грунты и на объекты малоэтажной застройки, так как не гарантирует безаварийную эксплуатацию при необходимости повышения несущей способности сваи, возводимой таким способом.
Задачей заявляемого способа является его адаптация относительно малоэтажных зданий, в том числе повышение несущей способности свайных фундаментов, экологическая безопасность и малоотходность последних, а также возможность их использования в слабых грунтах и в агрессивной грунтовой среде.
2
3
2
2
2
2
2
3
1
2
2
1
1
2
1
2
3
1
2
Такой технический результат достигается тем, что в способе возведения сваи неглубокого заложения, включающем проходку исходной скважины и установку в ней ствола сваи, последний устраивают из одинарной стальной трубы либо придают ему телескопическую конфигурацию с использованием для этого стальных труб большего диаметра с плавными переходами от одного участка ствола к другому, принимая длину второй трубы l в интервале от 1/3 до 1/10 от полной длины сваи L, а в случае применения третьей трубы, составляющей ствол сваи, ее длину l=l-l' (где l' - длина укороченной второй трубы) принимают в интервале от 1/6 до 1/20 от полной длины сваи L, причем нижний конец ствола оснащают плоской стальной пятой, имеющей форму многоугольника, квадрата, круга, кольца, либо выполняют пяту в виде решетки из металлического профиля; ствол сваи располагают при этом в центре исходной скважины, свободное пространство которой заполняют на глубину l или l'+l крупным, средним и мелким обломочным материалом, например щебнем, а вышележащий объем скважины - мокрым кварцевым песком в смеси с извлеченным при проходке исходной скважины грунтом с последующим трамбованием материала заполнителя, полость же самого ствола оставляют пустой или заливают бетонной смесью после, либо без введения в нее арматурного каркаса с задействованием для нормативного уплотнения бетона вибрационных механизмов, а при применении в качестве ствола сваи одинарной стальной трубы заполнение свободного пространства исходной скважины обломочным материалом ведут на глубину h, равную длине l, мокрым же песком в смеси с грунтом - на глубину h, равную длине l, где расстояние l+l=l+l'+l=L составляет полную длину ствола сваи, a расстояние h+h=H=L - полную глубину исходной скважины. Кроме того, плавные переходы при смене диаметра ствола сваи заменяют резкими переходами под прямым углом, причем нижний(ие) конец (концы) каждой составляющей ствола сваи трубы соединяют с его пятой; все поверхности ствола сваи и его частей снабжают противокоррозионной изоляцией, например, из битумно-резиновых, битумно-полимерных, полимерных либо лакокрасочных составов, а также мастик, приготовляемых из местных нефтебитуминозных пород, причем наружную(ые) поверхность(и) ствола сваи защищают от агрессивной грунтовой среды также путем его впрессовывания во внешнюю(ие) трубу(ы) из полимерных материалов; перед заполнением исходной скважины обломочным материалом и песком в смеси с грунтом заполнитель подвергают механической и(или) гидравлической сортировке, классифицируя все фракции по крупности, после чего укладку заполнителя в скважину ведут снизу вверх, начиная с самой крупной фракции, например, для щебня от 20 мм и заканчивая 2 мм, а для песка и грунта, например, от 2 мм до 0,2 мм; а бетонирование полости ствола сваи дополняют вместо укладки в исходную скважину обломочного материала и песка в смеси с грунтом также ее бетонированием, либо используют железобетон с предварительным введением в скважину и полость ствола арматурных каркасов с последующим применением для нормативного уплотнения бетона вибрационных механизмов.
Особенности процесса возведения сваи неглубокого заложения заявляемым способом иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 показан разрез исходной скважины со стволом сваи и заполнителем скважины из щебня и песка с грунтом, на фиг.2 - то же с использованием вместо заполнителя бетона или железобетона, на фиг.3 - пять вариантов металлической пяты, на фиг.4 - двух- и трехступенчатые варианты ствола сваи с плавными и резкими расширениями-переходами и ствол сваи, впрессованной во внешнюю трубу из полимерных материалов.
Как видно из фиг.1-4, в заявляемом способе предусматривается использование грунтов (1) основания; исходной скважины (2); ствола сваи (3); заполнителя из сыпучего материала, например из песка в смеси с грунтом (4); заполнителя из крупного, среднего и мелкого обломочного материала (5), например щебня; металлической пяты (6); косынок крепления (7); конусов крепления (8); второй нижней трубы (9); первого плавного перехода (10); второй средней трубы (11); второго плавного перехода (12); третьей трубы (13); первого резкого перехода (14); второго резкого перехода (15) и внешней изолирующей трубы (16). Кроме того, в состав предлагаемого технического решения вошли такие, не показанные на чертежах элементы, как арматурные каркасы, применяемые при изготовлении железобетонных свайных фундаментов, например решетчатого, лестничного, сетчатого, стержневого, зигзагообразного либо спирального типа.
Осуществляется заявляемый способ следующим образом. Подготовительный период включает размещение на объекте строительства всех исходных материалов и конструктивных узлов, частей, элементов и деталей, включая стальные трубы ствола сваи (3) с пятой (6) и косынками крепления (7), а также конусами крепления (8), буровую установку, заполнители (4) и (5), переходы (10), (12) - плавные конусные и (14), (15) - резкие фланцевые, внешнюю изолирующую трубу (16) вместе с впрессованным в нее стволом сваи (3). Затем бурят исходную скважину (2) в грунтах (1) основания с их складированием в качестве материала заполнителя, составляемого в дальнейшем из песка в смеси с грунтом (4).
При первом варианте описываемого способа, иллюстрируемого фиг.1, проводят также предварительную сортировку исходных сыпучих и обломочных материалов, т.е. заполнителей (4) и (5) на механических либо гидравлических классификаторах с рассевом этих материалов по фракциям крупностью, например, снизу вверх для щебня 20-14 мм, 14-8 мм, 8-2 мм, а для песка в смеси с грунтом (4), например, 2-1,4 мм, 1,4-0,8 мм, 0,8-0,2 мм. Затем после проходки скважины (2) и укладки на ее подошве подстилающего слоя из крупнообломочного заполнителя (5) в скважине (2) размещают оснащенный пятой (6) ствол сваи (3) с тем, чтобы центральная ось последней совпадала с центральной осью скважины (2). Далее в свободное пространство скважины (2) укладываются распределенные в указанном порядке по крупности фракции заполнителей (4) и (5) и производится их уплотнение. Песок в смеси с грунтом вводят в скважину (2) после предварительного замачивания, а вместо щебня используют гальку или гравий, также отсортированные по фракциям. По второму варианту после укладки в скважину заполнителей (4) и (5) проводят бетонирование полости ствола (3) сваи с введением или без введения в нее арматурного каркаса. По третьему варианту заявляемой технологии сыпучий и обломочный материал (4) и (5) вообще не используется, а в качестве заполнителя скважины (2) и полости ствола сваи (3) выбирают бетон или железобетон с применением во втором случае арматурных каркасов и уплотняя заполнитель вибрационными механизмами. Металлическую пяту (6) предусматривается изготовлять по одной из пяти модификаций, см. позиции а, б, в, г и д на фиг.3. Первая из них а выполнена в виде квадрата со скошенными углами, причем отрезаемые у квадрата под прямым углом к его диагоналям элементы - прямоугольные треугольники идут на изготовление косынок крепления (7) пяты (6) со стволом сваи (3). Вторая и третья б и в модификации пяты (6) - это простой квадрат и простой круг. Четвертая г модификация пяты (6) выполняется в виде решетки, составленной из таких имеющих развитую опорную поверхность видов металлического профиля как полоса, квадрат или швеллер. Пятая кольцевая модификация пяты (6), показанная позицией д, устраивается на базе кольца основания с внутренним диаметром, большим наружного диаметра ствола сваи (3), и оборудуется конусом крепления (8), аналогичным плавным конусным переходам (10) и (12). Из чертежей также следует, что конструктивное исполнение самой сваи, как объекта заявляемого способа, имеет шесть разновидностей, в том числе в форме одинарной стальной трубы (см. фиг.1 и 2), четырех изделий из стальных труб телескопической конфигурации (см. фиг.4а, 4б, 4в и 4г) и ствола сваи (3), состоящего также из одинарной внутренней стальной трубы, но впрессованной во внешнюю изолирующую трубу (16), выполненную из полимерных материалов (см. фиг.4д). При этом вариантами 4а и 4б предусматривается соединение первой и второй труб, а также второй и третьей с помощью плавных конусных переходов (10) и (12), а в вариантах 4в и 4г соединение тех же труб - посредством резких фланцевых переходов (14) и (15). Причем в первом случае первая и вторая трубы заканчиваются на участках их переходного соединения, а во втором те же трубы имеют большую длину, которая заканчивается их креплением к пяте (6) ствола сваи (3). Для противокоррозионной защиты ствола сваи (3) и ее пяты (6), включая все стальные элементы и соединительные детали (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14) и (15), предложено их покрытие битумно-резиновым, битумно-полимерным, полимерным или лакокрасочным составом либо мастикой, приготовляемой на основе местных нефтебитуминозных пород. Использование же эпоксидных смол ввиду их неэкологичности и сложностей при приготовлении и применении не рекомендуется. Причем перед началом изоляционных работ все поверхности обрабатываемых металлических узлов, частей, элементов и деталей сваи высушиваются и очищаются от пыли, земли, ржавчины, наледей, окалины, масел и других включений и грунтуются.
2
3
2
1
2
2
1
1
2
1
2
3
1
2
Модельные, стендовые и натурные испытания соответствия заявляемого способа адекватным условиям разных объектов строительства, преимущественно небольших объемов, в том числе малоэтажных жилых зданий, коттеджей, бунгало, складов, павильонов, загородных и дачных домиков при сооружении свайных фундаментов для таких объектов в слабых грунтах и воздействии на них агрессивной грунтовой среды позволили выявить ряд наилучших конструктивно-технологических взаимозависимостей. Так, например, было установлено, что оптимизация предлагаемого способа в отношении максимума несущей нагрузки свайного фундамента, его надежности, работоспособности, долговечности и экологичности достигается в вариантах свай телескопической конфигурации, когда длину второй трубы (11) l выбирают в интервале от 1/3 до 1/10 от полной длины ствола сваи (3) L, а третьей трубы (13) в интервале от 1/6 до 1/20 от полной длины ствола сваи (3) L. Причем при использовании третьей трубы (13) l длину второй укороченной трубы (11) l' принимают в интервале, идентичном для условий применения третьей трубы (13). Однако и для первого или основного варианта способа, т.е. когда задействуется одинарная стальная труба ствола сваи (3), введение заполнителя из обломочных материалов (5) в свободное пространство скважины (2) производится на глубину h, равную установленной ранее оптимальной длине l, а заполнителем из сыпучего материала (4), т.е. мокрого песка с грунтом - на глубину h, равную оптимальной длине l при соблюдении зависимостей l+l=l+l'+l=L и h+h=H=L.
Установлено также, что с наибольшей эффективностью заявляемый способ применим в области заложения свай в грунт в интервале от 1,2 до 4,2 м при диаметре исходной скважины (2) 273…529 мм и наружном диаметре ствола сваи (3) 68…235 мм при толщине пяты 14…32 мм. Экологичность такого способа обеспечивается выбором наиболее безопасного для окружающей среды изоляционного покрытия поверхностей металлических элементов свайного фундамента, например лакокрасочных покрытий, а также принципа малоотходности, реализуемого, например, за счет использования в конструкции фундамента грунтов, извлеченных из земли при проходке исходной скважины (2) и отделяемых при изготовлении пяты (6) таких частей, как прямоугольные треугольники, применяемых затем в качестве косынок крепления (7).