БУРОНАБИВНАЯ СВАЯ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована при возведении фундаментов в промышленном, гражданском и транспортном строительстве при устройстве свай в сезонно-промерзающих грунтах.
Известна буроналивная свая-инъектор, содержащая ствол сваи, состоящий из заполненной цементным раствором скважины с установленным в ней арматурным каркасом, инъекторную трубку и грунтобетонное уширение (A.C. СССР №1052625, опубликовано 07.11.1983 г.)
Известна также буроинъекционная свая, состоящая из верхней части, выполненной из железобетона, нижней части, выполненной из грунта, усиленного заинъектированным в него твердеющим во времени раствором и внутреннего инъекционного канала (Патент РФ №21246585, опубликован 20.02.2005 г.).
Общими недостатками известных конструкций являются низкая несущая способность свай к сопротивлению выдергиванию силами морозного пучения в условиях сезонно-промерзающих грунтов из-за невозможности учесть зависимость распределения сил морозного пучения от геометрических параметров сваи, а также высокая трудоемкость и стоимость, связанная с применением оборудования для инъектирования раствора, устройством котлована, транспортировкой на стройплощадку сборных железобетонных элементов.
Прототипа заявляемой конструкции не найдено.
Технический результат заключается в создании конструкции буронабивной сваи, обладающей повышенной несущей способностью на выдергивание касательными силами морозного пучения при одновременном снижении ее стоимости и трудоемкости изготовления в условиях сезонно-промерзающих грунтов.
Сущность полезной модели заключается в том, что буронабивная свая для сезонно-промерзающих грунтов выполнена с верхней частью в форме обратного усеченного конуса, при этом угол наклона а боковой поверхности обратного конуса вычислен по математической зависимости:
n
2
где σ - горизонтальные силы морозного пучения, действующие по нормали к боковой поверхности сваи, кН/м;
R - радиус участка сваи постоянного сечения основания конуса, м;
L - длина конусной части сваи, м;
2
- сумма выдергивающих и удерживающих сил, действующих на сваю, кН/м;
при соблюдении условий равновесия сваи в грунте под действием горизонтальных и касательных сил морозного пучения:
, где
ƒвыд.
2
τ - выдергивающие касательные силы морозного пучения в пределах участка сваи постоянного сечения и конусной части сваи, расположенных в мерзлом грунте, кН/м;
сваи1
2
F - площадь боковой поверхности сваи, расположенной в мерзлом грунте, м;
удерж.
2
τ - удерживающие силы трения по боковой поверхности сваи, расположенной в талом грунте, кН/м;
сваи2
2
F - площадь боковой поверхности сваи, распложенной в талом грунте, м;
N - внешняя постоянная нагрузка, включающая собственный вес сваи, кН;
α - угол наклона боковой поверхности конусной части сваи, град;
конуса
2
F - площадь боковой поверхности конусной части сваи, м.
Для достижения технического результата с целью снижения касательных сил пучения верхней части сваи придают форму усеченного конуса с наклоном боковой поверхности на угол α, который определяют расчетом, и его величина зависит от характеристик грунта. За счет наклона поверхности верхней конусной части сваи сила пучения, действующая по нормали к боковой поверхности сваи, приобретает вертикальную удерживающую составляющую, направленную от дневной поверхности.
Эта удерживающая составляющая частично компенсирует касательные силы пучения, направленные вертикально в сторону дневной поверхности и вызывающие подъем сваи. Вертикальная составляющая нормальных сил морозного пучения удерживает сваю в грунте при ее выдергивании касательными силами морозного пучения, обеспечивая устойчивость свайного фундамента и целостность надфундаментных конструкций.
Угол α наклона боковой поверхности при заданной длине этой поверхности рассчитывают из условий равновесия сил, выдергивающих и удерживающих сваю от подъема.
Угол α при этом рассчитывают по математической зависимости:
n
2
где σ - горизонтальные силы морозного пучения, действующие по нормали к боковой поверхности сваи, кН/м;
R - радиус участка сваи постоянного сечения основания конуса, м;
L - длина конусной части сваи, м;
2
- сумма выдергивающих и удерживающих сил, действующих на сваю, кН/м
На фигуре представлены конструкция сваи и силы, действующие на нее.
Ниже приведен конкретный пример расчета параметров сваи под колонну среднего ряда транспортного тоннеля в условиях сезонного промерзания.
Предварительно из условия действия вертикальной сжимающей нагрузки для заданной конструкции тоннеля определены длина и диаметр свай. Длина сваи выбрана из условия обеспечения несущей способности на вертикальную сжимающую нагрузку и составляет 4 м, в том числе длина L стороны обратного конуса (1 м) принята из технологических соображений. Диаметр сваи 700 мм. Глубина промерзания - 1,8 м.
Основными параметрами обратного конуса принимается его длина L и угол наклона α.
Характеристики глинистых грунтов экспериментальной площадки представлены в таблице.
Требуется определить угол α наклона обратного конуса сваи, установленной в основании транспортного тоннеля в глинистом грунте.
Решение:
Уравнение равновесия:
Уравнение равновесия после преобразования:
Корни уравнения:
ƒвыд.
1
2
где τ=τ+τ=81.3+183=264.3 кН
ƒудерж.
Силы τ являются силами трения по боковой поверхности сваи в талом грунте.
Касательные силы морозного пучения в пределах ствола сваи:
1
fh
1
τ=nτPh
1
τ=1.1×84×2.2 м × 0.4 м = 81.3 кН
Касательные силы морозного пучения в пределах обратного конуса определяют исходя из размеров участка сваи постоянного сечения. Для предварительного учета наклона конуса в связи с тем, что площадь конусной части меньше площади участка постоянного сечения, вводят понижающий коэффициент 0.9. В этом случае:
2
f
2
τ=0.9nτPh
2
τ=1.1×0.9×84×2.2 м × 1 м = 183 кН
fh
где T - значение расчетной удельной касательной силы пучения, принимаемое согласно п. 2.149 Пособия по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01.83), равной 84 кПа.
Периметр поперечного сечения сваи P для участка постоянного сечения равен:
P=2×3.14×0.35=2.2 м
Горизонтальные нормальные силы морозного пучения, полученные для данного вида грунта экспериментально, составляют:
n
σ=700 кН
Корни уравнения:
1
2
Первый корень уравнения x соответствует углу наклона обратного конуса и составляет 40°, который не удовлетворяет конструктивным требованиям к узлу заделки сваи в ростверк. Второй корень уравнения x соответствует углу наклона обратного конуса 5° и является решением уравнения.
Результаты расчеты показали, что угол наклона обратного конуса буровой сваи (угол α), установленной в основании колонны среднего ряда транспортного тоннеля в рассматриваемом глинистом грунте, должен соответствовать 5°.
Предложена конструкция буронабивной сваи, обладающая повышенной несущей способностью на выдергивание касательными силами морозного пучения при одновременном снижении ее стоимости и трудоемкости изготовления в условиях сезонно-промерзающих грунтов.