Комбинированный способ устройства свайных фундаментов в многолетнемерзлых грунтах
COMBINED METHOD OF ARRANGEMENT OF PILE FOUNDATIONS IN PERMAFROST SOILS

Изобретение предназначено для устройства свайных фундаментов при строительстве зданий и сооружений различного назначения в районах распространения многолетнемерзлых грунтов с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации здания или сооружения.
Наиболее распространенным способом устройства свайных фундаментов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов является буроопускной способ (см. Устройство свайных фундаментов в вечномерзлых грунтах / Таргулян Ю.О. – Ленинград: Стройиздат, Ленингр. отд-ние,  1978 – С. 80-101), по которому в предварительно пробуренную скважину, диаметр которой должен быть не менее чем на 5 см больше максимального размера поперечного сечения сваи, заливают грунтовый раствор, а затем в скважину опускают сваю, вытесняя залитый раствор, при достижении сваей дна скважины раствор полностью заполняет пространство между стенками скважины и сваей и выходит на дневную поверхность. Несущая способность таких свай обеспечивается за счет смерзания по боковой поверхности с многолетнемерзлым грунтом и сопротивления многолетнемерзлого грунта под ее торцом.
Недостатками буроопускного способа являются: высокая стоимость сваи, большой объем буровых работ, возможность выпучивания сваи в пучинистых грунтах, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины раствором и др.
0
Известен буронабивной способ устройства свайных фундаментов (см. Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах / Растегаев И.К., Каменский Р.М. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1991 - с. 34), который применяется в многолетнемерзлых грунтах, имеющих на уровне нулевых годовых амплитуд температуру до -5 С, что обеспечивает твердение бетона в контакте с грунтом методом термоса. Последовательность работ по устройству свай буронабивным способом включает: проходку скважины, установку арматурного каркаса, укладку бетонной смеси в скважину (с содержанием химических добавок или без них) методом восходящего потока или сбрасыванием бетона. Установка арматурного каркаса в скважину производится непосредственно перед началом укладки бетонной смеси. Бетонную смесь укладывают в скважину, в зависимости от ее глубины, следующими способами: до 15 м - сбрасыванием с устья методом "кома" или с помощью хоботов; более 15 м - комбинированным методом, включающим сбрасывание бетонной смеси с устья скважины методом "кома" и послойное по 2-3 м уплотнение ее с помощью сваи или долота трамбующего; методом восходящего потока с использованием вертикально перемещающихся труб при любой глубине скважины.
Недостатками данного способа являются: большой объем буровых работ, повышенная материалоемкость, отсутствие надежных методов контроля качества ствола сваи, особенно в деятельной слое, где происходят фазовые переходы вода-лед, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины бетоном,  понижение несущей способности сваи при применении бетонов с химическими добавками, необходимость электропрогрева верхней части сваи при производстве работ в зимнее время и др.
Наиболее близким к предлагаемому является комбинированный способ устройства свайных фундаментов (см. Рекомендации по устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах / Растегаев И.К., Каменский Р.М. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1991 - с. 34), при устройстве которых выполняют следующие операции: бурение скважины, укладка бетона монолитной части сваи, трех-пятикратное сбрасывание и подъем сборной сваи в бетон с целью перемешивания и уплотнения бетонной смеси, закрепление сборной сваи деревянными клиньями в устье скважины для обеспечения проектного защемления ее в бетоне, залив в скважину известково-песчаного раствора с целью заполнения пазух между телом верхней сборной части сваи, и стенкой скважины. Для устройства верхней части комбинированных свай используют железобетонные сборные сваи длиной 6 и 8 м заводского изготовления, применяемые при устройстве буроопускных свай. При этом диаметр скважин для устройства комбинированных свай назначается равным: для свай размером 30 ×30 см - не менее 55 см; для свай размером 40 × 40 см - не менее 60 см. Длина защемленной части сборной сваи в монолитном бетоне должна составлять от одного до двух диаметров скважины. Верхняя поверхность монолитного бетона в скважине должна находиться на глубине, равной не менее 4-х диаметров скважины от нижней границы слоя сезонного оттаивания вечномерзлого грунта.
Недостатками данного способа являются: высокая стоимость сборной части сваи, большой объем буровых работ, повышенная материалоемкость, длительное вмораживание сваи и удлинение сроков строительства из-за внесения большого количества тепла при заполнении скважины бетоном, возможность выпучивания сваи из-за недостаточного защемления сборной части сваи с монолитной, а также понижение несущей способности сваи при применении бетонов с химическими добавками.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и создание такой технологии устройства свайных фундаментов, которая обеспечивала бы возможность их возведения в любое время года, особенно в зимнее время при низких отрицательных температурах наружного воздуха. Кроме того, ставятся задачи интенсивного восстановления температурного режима грунтов основания и повышения ее несущей способности, значительного увеличения сопротивляемости свай воздействию касательным силам морозного пучения, а также сокращения сроков строительства.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в предварительно пробуренную скважину укладывается слой щебня или гравия для предотвращения контакта теплого свежеуложенного бетона в монолитной части сваи с мерзлыми грунтами основания, установки изготовленной в заводских условиях и прошедшей всех стадий контроля качества сборной железобетонной части сваи с завышенными требованиями к бетону по прочности, морозостойкости и водонепроницаемости для сезоннооттаивающего слоя только в деятельном слое, что приводит к значительной экономии на транспортных расходах и стоимости материалов, при этом в сборную часть сваи вмонтирована металлическая труба с заглушенной нижней частью на всю длину сваи, в которую при бетонировании монолитной части сваи устанавливается нагревательный элемент для создания нормальных условий твердения бетона и в верхнюю часть которой после схватывания бетона приваривается заглушка с ниппелем для закачки хладагента, что приводит не только к интенсивному восстановлению расчетных температур примыкающего грунтового массива и сокращению технологического перерыва на вмораживание сваи, но и последующему снижению температуры грунтов основания и значительному повышению ее несущей способности.
Поставленные задачи также решаются за счет того, что свая надежно анкеруется в слое многолетнемерзлых грунтов, так как нижняя монолитная часть сваи значительно объемнее верхней сборной части сваи, тем самым увеличивается сопротивляемость свай воздействию касательным силам морозного пучения.
Техническими результатами изобретения являются интенсификация восстановления температурного режима грунтов основания и повышение ее несущей способности, значительное увеличение сопротивляемости комбинированных свай воздействию касательным силам морозного пучения, уменьшение материалоемкости и объема буровых работ, а также сокращение сроков строительства.
Сущность изобретения заключается в том, что в деятельном слое, где происходят наибольшие разрушения фундаментных конструкций вследствие попеременного оттаивания и замораживания грунтов, устанавливается заводского изготовления (100 % контроль качества до погружения) сборная часть железобетонной сваи с вмонтированной металлической трубой с заглушенной нижней частью, длина которой должна достигнуть дна пробуренной скважины, в которую:
1. при бетонировании монолитной части сваи устанавливают нагревательный элемент для создания нормальных условий твердения бетона и возможности бетонирования сваи в период низких отрицательных температур наружного воздуха;
2. после набора прочности бетона в верхнюю часть приваривают заглушку с ниппелем и через нее закачивают хладагент, вследствие чего свая будет представлять собой «холодную сваю» с парожидкостным сезонным охлаждающим устройством (СОУ), что приведет не только к интенсивному восстановлению температурного поля вокруг сваи и сокращению сроков строительства, но и повышению несущей способности грунтов основания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана схема комбинированной сваи; на фигуре 2 – схема установки нагревательного элемента; на фигуре 3 - комбинированная свая с парожидкостным СОУ.
Устройство состоит из сборной железобетонной сваи 1 с арматурными выпусками 2, которые необходимы для надежного закрепления с нижней монолитной частью сваи 4 (см. фиг. 1). Встроенная в сборную железобетонную сваю 1 металлическая труба 3 необходима для установки нагревательного элемента для создания нормальных условий твердения бетона в нижней монолитной части сваи 4 и, после схватывания бетона, для закачки хладагента в целях восстановления температурного режима и охлаждения грунтового массива вокруг сваи.
Перед установкой сборной части железобетонной сваи 1 на дно предварительно пробуренной скважины укладывают слой из щебня или гравия 5 для предотвращения контакта бетона монолитной части сваи 4 с многолетнемерзлым грунтом под нижним концом сваи. Далее при помощи крана устанавливают сборную железобетонную сваю 1 в проектное положение, закрепляют на кондукторах и бетонируют нижнюю часть сваи 4 в слое многолетнемерзлых грунтов, ствол скважины в деятельном слое заполняют непучинистым грунтом 6. После в металлическую трубу 3 погружают нагревательный элемент 8 и подключают к источнику тока, при этом на границе между сборной 1 и монолитной 4 частью сваи, то есть на уровне верхней границы многолетнемерзлых грунтов 7, устанавливают термоизоляционную пробку 9 для создания теплового контура в нижней монолитной части сваи 4 (см. фиг. 2).
После схватывания бетона нагревательный элемент 8 и термоизоляционную пробку 9 удаляют из металлической трубы 3, в верхней части металлической трубы 3 приваривают заглушку с ниппелем 10 и через нее в трубу закачивают хладагент, вследствие чего свая будет представлять собой «холодную сваю» с парожидкостным охлаждающим устройством, что приведет к более интенсивному охлаждению примыкающего грунтового массива, уменьшению технологического перерыва на восстановление расчетных значений температуры грунтов основания и сокращению сроков строительства, а также последующему понижению температуры данных грунтов и значительному повышению ее несущей способности (см. фиг. 3).
Несущая способность таких свай определяется как сумма несущих способностей за счет сил смерзания по боковой поверхности сваи и по торцу. Повышение несущей способности свай по сравнению с традиционными буроопускными сваями достигается за счет увеличения площади бокового смерзания и площади торца в нижней монолитной части сваи, а также понижения температуры и значительного увеличения несущей способности грунтов основания в результате работы парожидкостного охлаждающего устройства.
Наибольшая эффективность применения комбинированных свай достигается при проектировании малозаглубленных фундаментов, которые наиболее подвержены воздействиям касательных сил морозного пучения и при расчете которых учитываются не только несущая способность сваи, но и сопротивление этим касательным силам. В большинстве случаев из-за того, что по расчетам свая не выдерживает воздействие данных касательных сил, длину сваи увеличивают, что приводит к существенному удорожанию стоимости устройства фундаментов. Нижняя монолитная часть придает комбинированной свае форму перевернутого болта и тем самым надежно закрепляет сваю в слое многолетнемерзлых грунтов и значительно увеличивает сопротивление воздействию касательным силам морозного пучения.