УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАБИВНОЙ СВАИ, ПРЕДНАПРЯЖЕННОЙ ПО ГРУНТУ

Изобретение относится к области фундаментостроения, в частности к устройствам, способным формировать набивные сваи в различных грунтовых условиях.
Известно устройство для создания буронабивных свай типа «Франка» [1], несущую толстообмазанную обсадную трубу с пробкой из жесткого бетона и молот-трамбовку. Недостатком данного устройства является большая материалоемкость изготавливаемой сваи, расслоение бетона в свае при уплотнении последнего ударами молота-трамбовки, невозможность устройства сваи при высоком положении уровня грунтовых вод и большая трудоемкость работ при возведении рассматриваемой сваи.
Известно также устройство для создания пневмонабивной сваи [2], включающее несущую толстостенную обсадную трубу, стальную тонкостенную оболочку с наконечником и деревянным сердечником, муфту со шлюзом для подачи в сваю бетонной смеси и воздуха или воды для однократного и кратковременного обжатия бетона и окружающего грунта. Недостаток данного устройства связан с большой удельной материалоемкостью сваи, приходящейся на тонну ее несущей способности и сравнительно низкой несущей способностью при значительной трудоемкости ее изготовления.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является устройство для возведения буронабивной сваи в грунте [3], включающее несущую бетонолитную трубу, две камеры, выполненные из водопроницаемой и нерастягиваемой ткани, два трубопровода для создания в камерах давления с помощью которого в нижней зоне сваи можно создать уширение за счет обжатия окружающего грунта. Недостатком данного устройства является невозможность уплотнения бетонной смеси в ходе изготовления сваи и тем более невозможность создания преднапряжения материала сваи по грунту, что в значительной степени снижает ее несущую способность при очень высокой материалоемкости приходящейся на тонну ее несущей способности, что является основным недостатком всех набивных свай и устройств, предназначенных для их изготовления.
Задача изобретения - увеличение несущей способности набивной сваи с одновременным уменьшением ее материалоемкости и повышением эксплуатационной надежности.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для создания набивной сваи, преднапряженной по грунту, включающее несущую трубу, рабочую камеру и камеру высокого давления, закрепленные снаружи трубы друг над другом и размещаемые в скважине дополнительно содержит гидротампон, расположенный в верхней части несущей трубы с примыканием к рабочей камере, а выше гидротампона несущая труба снабжена прижимной кольцевой плитой с ребрами жесткости и гидродомкратом с кольцевым элементом крепления
к несущей трубе; причем рабочая камера, камера высокого давления и гидротампон выполнены из высокопрочного, водонепроницаемого, гибко армированного материала с возможностью частичного растяжения в горизонтальном направлении.
На фиг.1 и фиг.2 показано продольное сечение устройства для создания набивной сваи, преднапряженной по грунту.
1
2
3
4
5
На фигурах обозначено: 1 - несущая труба; 2 - фланцы; 3 - камера высокого давления; 4 - рабочая камера; 5 - резиновый чехол; 6 - гидротампон; 7 - трубопровод высокого давления; 8 - кольцевая плита; 9 - ребра жесткости; 10 - гидродомкрат; 11 - кольцевой элемент крепления; P - давление подаваемое в камеру высокого давления 3 для анкеровки формируемой полой сваи; Р - давление создаваемое в кольцевом гидродомкрате для предотвращения возможного выпора грунта; Р - давление создаваемое в гидротампоне 6, предназначенного для предотвращения выхода бетона при формировании сваи в пределах высоты рабочей камеры 4; P - рабочее давление которое формирует ствол полой сваи, преднапряженной по грунту; Р - реактивное давление грунта.
Устройство для создания набивной сваи, преднапряженной по грунту, содержит несущую трубу 1 с фланцами 2, рабочую камеру 4 и камеру высокого давления 3, закрепленные снаружи трубы 1 друг над другом и размещаемые в скважине, гидротампон 6, расположенный в верхней части несущей трубы 1 с примыканием к рабочей камере 4, а выше гидротампона 6 несущая труба 1 снабжена прижимной кольцевой плитой 8 с ребрами жесткости 9 и гидродомкратом 10 с кольцевым элементом крепления 11 к несущей трубе 1. Рабочая камера 4 и камера высокого давления 3 и гидротампон 6 выполнены из высокопрочного, водонепроницаемого, гибко армированного материала с возможностью частичного растяжения в горизонтальном направлении (фиг.1 и фиг.2).
Диаметр несущей трубы 1 меньше диаметра лидирующей сваи, пробуренной в грунтовом основании или пробитой пневмопробойником. Камера высокого давления 3 предназначена для предотвращения «всплытия» всего устройства на поверхность грунтового основания. Рабочая камера 4 расположена в пределах всей средней зоны несущей трубы 1 и предназначена для создания преднапряжения по грунту материала, формируемой набивной сваи (фиг.2).
Поверх камер одет и закреплен частично растягиваемый в горизонтальном направлении, например, резиновый чехол 5, имеющий по всей длине поперечное сплошное армирование. Все три камеры устройства оснащены отдельными трубопроводами высокого давления 7, через которые в камеры подается либо вода, либо воздух.
Устройство для создания набивной сваи, преднапряженной по грунту работает в структурно-устойчивых, например глинистых грунтах следующим образом (фиг.1 и фиг.2).
На первом этапе с помощью буровой установки, либо пневмопробойником пробивается в грунтовом основании лидирующая скважина диаметром 200-250 мм в которую опускается с помощью автокрана предлагаемое устройство. Затем несколько приподняв его над дном скважины, последовательно, сначала
2
в камере 3, далее в камере 4 и гидротампоне 6 создается ступенями небольшое давление до 0,2...1,0 кг/см, не доводя при этом верхний слой грунтового основания до разрушения. После чего сверху на несущую трубу 1 одевается прижимная кольцевая плита 8 с ребрами жесткости 9 и кольцевым гидродомкратом 10, который следует закрепить на несущей трубе 1 кольцевым элементом крепления 11.
На втором этапе давление в камере 3 увеличивается до максимума и только после стабилизации деформаций грунта, окружающего камеру, с помощью гидродомкрата 10 кольцевая плита 8 прижимается с определенным усилием к поверхности грунтового основания с целью устранения возможного выпора грунта, при создании «несущего тела» преднапряженной по грунту набивной сваи.
2
Затем, после стабилизации деформаций поверхности грунтового основания в гидротампоне 6 и одновременно с небольшим опозданием в рабочей камере 4 создается рабочее давление в несколько десятков кг/см, контролируя и не допуская при этом разрушения и выпора грунта на поверхности грунтового основания. В результате указанного диаметр лидирующей скважины увеличивается до рабочих размеров за счет уплотнения грунта, расположенного по боковой поверхности скважины.
На третьем этапе после обжатия грунта по длине скважины и формирования диаметра скважины до рабочих размеров, давление в камере 4 и гидротампоне 6 снижается до минимума. Затем с несущей трубы 1 снимается кольцевая плита 8 с гидродомкратом 10 и кольцевым элементом крепления 11, одновременно давление в камере 4 и гидротампоне 6 сбрасывается до нуля. Полость, образовавшаяся между устройством, находящемся в центре скважины, и боковой поверхностью скважины заполняется на всю рабочую высоту рабочей камеры 4, например, с помощью бетононасоса, подвижной и быстротвердеющей бетонной смесью.
2
На четвертом этапе сверху на несущую трубу 1 вновь одевается кольцевая плита 8 с гидродомкратом 10 и кольцевым элементом крепления 11. После закрепления всех перечисленных элементов на несущей трубе 1 в гидродомкрате 10 создается рабочее давление, прижимающее кольцевую плиту 8 к поверхности грунтового основания, одновременно с небольшим опозданием в гидротампоне 6 также создается рабочее давление. После окончания указанных операций и до начала схватывания бетона с целью создания преднапряжения бетона по грунту в рабочей камере 4 дискретно (ступенями) увеличивается давление до максимума (до несколько десятков кг/см). При этом рабочее давление в камере 4 не снижается до тех пор, пока бетон полого ствола сваи не достигнет необходимой прочности. Затем давление в камерах 4, 3 и гидротампоне 6 ступенями снижается до нуля, с несущей трубы 1 снимается кольцевой элемент крепления 11, кольцевая плита 8 и гидродомкрат 10.
На пятом этапе с помощью бетононасоса нижняя часть сваи (т.е. полость, образовавшаяся от камеры 3) заполняется быстротвердеющим бетоном с последующим уплотнением. Затем добетонируется верхняя часть сваи (в зоне гидротампона 6). После этого все устройство вынимается из образованного
полого ствола и классическим способом устраивается оголовок. В результате образуется набивная свая, преднапряженная по грунту.
Конструктивно все устройство собрано на базе несущей трубы и после создания набивной сваи, преднапряженной по грунту, оно удаляется из внутренней полости сваи для повторного использования при создании новых набивных свай.
Улучшение технических характеристик набивной сваи, создаваемой с помощью предлагаемого устройства, достигается за счет преднапряжения грунта по боковой поверхности набивной сваи. Важность последнего выявлено в ходе анализа работы набивных и забивных свай, отраженной в обзорной информации [4].
Результаты анализа показывают, что фактически, в отличии от широко распространенного мнения несущая способность висячих набивных и забивных свай обеспечивается за счет трения боковой поверхности сваи о грунт на 60-80% и только на 40-20% за счет опирания острия сваи на ниже лежащий грунт. При этом несущая способность висячей сваи по боковой поверхности обеспечивается за счет наличия касательных сил между материалом сваи и окружающим грунтом. В свою очередь значения касательных сил по боковой поверхности определяются для глинистых и песчаных грунтов соответственно по следующим формулам:
где φ и с - прочностные характеристики песчаного и глинистого грунта;
б.д.
F - площадь боковой поверхности сваи;
н.д.
σ - нормальное давление по боковой поверхности сваи (оно формируется лишь под действием собственного веса уложенного в набивную сваю).
Анализ приведенных формул показывает, что абсолютная величина касательных сил по боковой поверхности сваи зависит как от площади боковой поверхности сваи, так и от величины нормального давления создаваемого по боковой поверхности сваи.
б.п.
Если считать, что площадь боковой поверхности сваи постоянна, т.е. условно F=const. то увеличение нормального давления вид. по боковой поверхности набивной сваи или другими словами создание, например с помощью предлагаемого устройства преднапряжения материала сваи по грунту позволит не на десятки процентов, а в несколько раз (применительно к песчаным грунтам) увеличить несущую способность набивной сваи, что в свою очередь ведет к уменьшению материалоемкости самой сваи с одновременным увеличением ее общей эксплуатационной надежности.
В случае необходимости преднапряженный ствол набивной сваи можно изготовить и с армированием на всю рабочую высоту.
В структурно-неустойчивых грунтах, в частности - песчаных, формирование преднапряженного ствола сваи осуществляется на практике в той же последовательности, которая приведена выше, но с обязательным использованием либо обсадной трубы, либо глиняного бетонитового раствора.
Использование устройства позволяет за счет создания преднапряжения материала сваи по грунту в несколько раз увеличить несущую способность набивной сваи, уменьшить материалоемкость и одновременно увеличить ее эксплуатационную надежность.
2
2
Известно, что на сегодняшний день преднапряжение набивной сваи по грунту неосознанно создается лишь за счет собственного веса бетона, из которого изготавливается свая. При этом преднапряжение, например на глубине 10 метров (при создании десятиметровой набивной сваи) может достигать лишь 2-2,4 кг/см, а согласно гидростатическому закону это давление будет уменьшаться до нуля по мере приближения выделенного сечения у рассматриваемой сваи к поверхности. С помощью предлагаемого устройства можно создать давление преднапряжения материала ствола сваи по грунту, достигающее нескольких десятков кг/см, что и обуславливает значительное повышение несущей способности рассматриваемой набивной сваи, преднапряженной по грунту.
Наиболее рациональными областями использования устройства для возведения свай, преднапряженных по грунту являются:
- строительство высотных зданий и сооружений;
- возведение опорных конструкций для большепролетных мостов;
- возведение резервуаров, газгольдеров и бункерных сооружений;
- устройство эффективных подпорных стен;
- принудительное погружение облегченных опускных колодцев и кессонов;
- строительство «интеллектуальных» объектов - зданий и сооружений, в которых несущая способность фундаментной системы зависит и централизованно поддерживается исходя из величины внешних нагрузок, интенсивности технологических потоков и ожидаемых неравномерных деформаций грунтового основания.
Источники информации
1. Метелюк Н.С., Шишко Г.Ф. и др. Сваи и свайные фундаменты. Справочное пособие. Киев: Будивелъник, 1977, с.214.
2. Свайные работы под ред. И.И.Косорукова. М: Высшая школа, 1974, с.282.
3. А. С. №585252, БИ №47, 1977.
4. Жуков Н.В. Расчет коротких свай на осевые вдавливающие нагрузки//Строительные материалы и конструкции, здания и сооружения, выпуск 3. - М.: ВНИИИТЭИАК. 1989, с.72.