СВАЯ ЗАБИВНАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ РЫХЛЫХ ПЕСКОВ И СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА, ОКРУЖАЮЩЕГО ТЕЛО СВАИ
DRIVEN REINFORCED CONCRETE PILE FOR CHEMICAL FIXATION OF LOOSE SANDS AND METHOD TO FIX SOIL SURROUNDING PILE BODY

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям забивных свай и способу закрепления грунта, окружающего тело сваи. Предполагается применение данных свай при возведении фундаментов на рыхлых песках, лессовых и других макропористых грунтах.
Известна конструкция забивной сваи для применения в обводненных песчаных грунтах. Свая забивная состоит из ствола со сквозным продольным отверстием, заостренного наконечника, устройства увеличения несущей способности сваи, расположенного между стволом и наконечником в виде присоединенной к ним вставки с продольным отверстием, имеющей эластичную оболочку со средствами закрепления ее верхнего и нижнего концов, охватывающую цилиндрическую поверхность вставки; полость между эластичной оболочкой и цилиндрической поверхностью вставки, раздвижной в радиальном направлении защитный кожух со средствами его закрепления на стволе, охватывающий эластичную оболочку; в стволе имеется радиальное отверстие, соединяющее продольное отверстие с полостью, преобразуемой в опорный пояс после погружения сваи на заданную глубину, заполнения полости затвердевающим раствором через отверстия в стволе и затвердевания раствора. Ствол сваи может быть призматическим или цилиндрическим, а наконечник - коническим, пирамидальным или клиновым. Свая имеет высокую несущую способность при уменьшенной силе погружения в грунт.
Данная свая имеет сложную конструкцию, что ведет к существенному повышению стоимости на ее изготовление. Подача раствора осуществляется с помощью дополнительного оборудования, что также повышает стоимость и трудоемкость выполнения работ. [E02D 5/30 E02D 5/48, патент РФ - 2386749]
Известна также винтообразная свая для строительства на слабых грунтах. Конструкция сваи представляет собой полый ствол с винтовыми выступами по наружной поверхности, расположенными относительно вертикали под углом, причем выступы выполнены из стальной полосы, ствол снабжен штуцерами для подачи заполнителя в пространство между стволом и выступами для придания выступам эллипсоидальной формы; тангенс угла равен 0,15.
Недостатком данной конструкции, как и в предыдущих случаях, является сложность ее изготовления и необходимость применения дополнительного оборудования, что в свою очередь делает процесс возведения фундамента более трудоемким и дорогостоящим. [E02D 5/30, патент РФ. 2228211]
Наиболее близкой по техническому решению является свая, конструкция которой позволяет облегчить погружение в грунт и дает экономию бетона при ее изготовлении. Свая включает призматический заостренный снизу ствол, на боковых гранях которого выполнены расширяющиеся и углубляющиеся к низу ствола продольные пазы с поперечным сечением либо в виде кругового сегмента с хордой, расположенной на боковой грани, либо в виде равнобедренного треугольника.
Недостатками такой сваи является то, что данная конструкция сваи не дает увеличения несущей способности, а лишь снижает энергозатраты при погружении. Также данные сваи требуют усложнения конструкции, что повышает стоимость на ее изготовление. [E02D 5/30, патент РФ 2049856]
Цель изобретения - повысить несущую способность забивных свай, снизить энергозатраты на их погружение, при этом обеспечить водонепроницаемость грунта окружающего тело сваи.
Предложенная забивная свая позволяет повысить несущую способность за счет химического закрепления грунта, окружающего тело сваи. При этом не требуется дополнительное оборудование (например, компрессоры, насосы, иньекторы и т.д.).
Предложенная модель забивной сваи отличается от традиционной забивной железобетонной сваи (по ГОСТ 19804.4-78 Сваи забивные железобетонные квадратного сечения без поперечного армирования) наличием по боковой поверхности «карманов» призматической формы.
2
Данная модель сваи имеет длину 6 метров и сечение 30×30 сантиметров. Расположенные по боковой поверхности «карманы» имеют форму треугольной призмы с размерами 360×120 мм глубиной 90 мм (уклон 1:4). «Карманы» выполняются путем установки в опалубке закладных элементов, которые извлекаются после набора конструкцией проектной прочности. Размеры и конструкция сваи с «карманами» приведены на рисунке 1. Свая изготовляться из тяжелого бетона марки по прочности на сжатие не ниже 300 кгс/см. Армирование сваи аналогично армированию свай СЦ6-30, СЦпр 6-30 и СЦк 6-30 (по ГОСТ 19804.4-78).
Закрепляющий состав выбран из составов, применяемых при однорастворной силикатизации песчаных грунтов [Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. М., Стройиздат, 1976, 240 с; СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений]:
- силикатно-фосфорный;
- кремнефтористоводородный;
- алюмосиликатный;
При однорастворной рецептуре силикатно-фосфорный состав не обеспечивает необходимую прочность и водонепроницаемость закрепленного грунта, что говорит о нецелесообразности его применения. В состав кремне-фтористоводородного раствора входит опасная в обращении и дефицитная кремнефтористоводородная кислота, что делает приготовление состава на строительной площадке очень сложным. Подходящей для предлагаемой модели, является алюмосиликатная рецептура.
2
2
3
3
2
Эта рецептура основана на применение в качестве отвердителя кристаллической соли алюмината натрия. Алюминат натрия - МаАЮз - соль сильного основания и слабой металюминевой кислоты (каустический модуль алюмината натрия, равный отношению NaO/АО, должен быть не менее 1,5). В воде она гидролизируется на NaOH и HAlO. Образование геля происходит в результате взаимодействия HAlO с силикатом натрия.
3
Алюмосиликатный гелеобразующий раствор представляет собой смесь двух растворов - силиката натрия (плотностью 1,15 г/см) и алюмината натрия (плотность 1,05 г/см) в соотношении 5:1. Он имеет щелочную реакцию (pH=13,7), малую вязкость (2,3 спз) и легко регулируемое время гелеобразования. При закреплении им грунт приобретает практическую водонепроницаемость и небольшую прочность порядка 2-3 кг/см [Ржаницын Б.А. Силикатизация песчаных грунтов. М., Изд-во Министерства строительства предприятий машиностроения, 1949].
Для повышения несущей способности и обеспечения водонепроницаемости грунта, окружающего тело сваи, применяется химическое закрепление.
Предполагается следующая последовательность технологических операций:
- на поверхности грунта устанавливается металлический лоток;
- в лоток устанавливается свая;
- в лоток заливается закрепляющий состав;
- производится забивка сваи на проектную отметку;
- металлический лоток снимается и переносится на место забивки следующей сваи и т.д.;
В «карманы» (углубления) 1 при погружении будет попадать закрепляющий состав из лотка 3, установленного в основании сваи 2. В процессе забивки твердеющий состав будет проникать в песок 4 окружающий тело сваи, попутно уменьшая силу трения по боковой поверхности при забивке.
При исследовании сваи погруженной в твердеющем составе были сделаны следующие выводы:
- после забивки сваи и набора прочности закрепленного вокруг сваи песчаного грунта, система «свая - закрепленный грунт» деформируется и воспринимает нагрузку как единая конструкция;
- в процессе забивки сваи в твердеющем жидком составе в углублениях по боковой поверхности возникает избыточное давление, способствующее проникновению раствора в грунт;
- глубина проникновения твердеющего раствора в верхней части сваи больше чем в нижней, в результате чего, боковая поверхность системы «свая - закрепленный грунт» имеет наклон боковых граней -1.
Химическое закрепление в зависимости от способа введения в грунты химреагентов разделяют на следующие способы:
- инъекционный;
- виброиньекционный;
- буросмесительное закрепление грунтов;
- струйный («jet grouting»);
- термический.
В разрабатываемой модели сваи предполагается введение закрепляющего состава за счет динамического воздействия. Схема забивной сваи с карманами, погруженной в песчаный грунт в твердеющем составе, представлена на рисунке 2.
Для подтверждения теории были проведены лабораторные испытания на моделях свай. Сначала были погружены и испытаны модели без карманов и без закрепляющего состава. Несущая способность свай определялась по осадкам и составила 20-25 кг при осадке 6 мм. Затем были погружены и испытаны аналогичные модели с закрепляющим составом. Несущая способность составила 60 кг при осадке примерно 6 мм.
Затем аналогичные испытания были проведены на моделях свай с четырьмя различными видами карманов (рис. 3). Несущая способность моделей №5, 6 и 7 составила примерно 70 кг при осадке 3 мм, а несущая способность модели №8 составила 90 кг при осадке 6 мм.
По результатам лабораторных испытаний можно сделать следующие выводы:
1. Несущая способность моделей свай при использовании закрепляющего состава повышается в 2,5-3 раза.
2. Определяющим фактором при определении несущей способности является сцеплением боковой поверхности модели с закрепленным грунтом.
3. Несущая способность моделей с карманами выше несущей способности моделей без карманов на 15-30%.
4. При использовании закрепляющего состава осадки уменьшаются примерно 2 раза.
Таким образом, разработанная конструкция забивной сваи, при использование в песчаном грунте, позволяет существенно повысить несущую способность за счет использования закрепляющего состава. При этом не требуется усложнения конструкции, а также дополнительного оборудования и сложных технологических операций при выполнении работ по устройству фундамента. Несущая способность сваи может определяться как ее длиной, так и количеством закрепляющего раствора, в зависимости от грунтовых условий. Повышение несущей способности позволяет снизить затраты на возведение фундамента.