Способ возведения комбинированного фундамента (свайно-плитного, свайно-ленточного, свайно-столбчатого)
COMBINED (PILE-SLAB, PILE-BELT, PILE-COLUMNAR) FOUNDATION ERECTION METHOD

Изобретение относится к области строительства, в частности, к способам устройства фундаментов зданий.
Известен ряд способов возведения фундаментов, представляющих комбинацию фундаментов мелкого заложения и свайных фундаментов. Например, в аналоге предлагаемого изобретения [1: RU №2513050 «Способ возведения фундаментов в сейсмических районах»] при устройстве комбинированного фундамента (свайно-плитного) устраивают свайное поле, устраивают фундаментную плиту с отверстиями для пропуска в них оголовков свай, на фундаментной плите возводят верхние конструкции сооружения. После осадки плиты под действием веса недостроенного сооружения отверстия бетонируют, скрепляя верхние концы свай с плитой, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом свайное поле устраивают до создания фундаментной плиты, а отверстия бетонируют, когда осадка достигнет половины расчетного значения.
Недостатком данного способа является большая продолжительность работ нулевого цикла, увеличивающая общие сроки строительства, поскольку, необходимо последовательно сначала устроить свайное поле, затем устроить фундаментную плиту, затем возвести часть верхних конструкций, после чего произвести омоноличивание свай и только потом продолжить возведение сооружения. Другим недостатком способа является то, что в процессе устройства свайного поля грунты основания уже уплотняются. Оценить степень их уплотнения весьма сложно. Поэтому, из-за повышения модуля деформации от уплотнения грунтов сваями, установить расчетом значение осадки плиты представляется проблематичным. Таким образом, критерий по которому определяют начало омоноличивания свай («…после достижения половины расчетной осадки…») представляется весьма неопределенным.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ [2: Королев М.В., Гутерман М.С., Скрылев Г.Е., Сажин Д.В. «Эффективные способы усиления фундаментов при реконструкции зданий и сооружений» // Сб. трудов Московского государственного строительного университета «Современные методы инженерных изысканий в строительстве». Под ред. Теличенко В.И., Москва, 2003 г., С.253-264], при котором существующий фундамент мелкого заложения дополняют железобетонным ростверком с отверстиями для пропуска свай и закладными деталями для последующего крепления к ним установки задавливания, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Кроме того, в фундаменте по месту расположения ростверка устраивают специальные углубления, а ростверк дополнительно скрепляют с телом фундамента анкерами. После этого производят погружение свай статической нагрузкой при помощи нагрузочного устройства (силовых цилиндров) и верхний конец погруженных свай закрепляют в ростверке.
Недостатком данного способа является то, что его используют только для усиления фундаментов уже построенных зданий, которые в процессе эксплуатации претерпели значительные неравномерные осадки. Для нового же строительства этот способ не применяется. Следует особо отметить, что в прототипе изобретения изначально ширина фундаментов проектируется таким образом, чтобы фундамент мелкого заложения мог воспринимать всю нагрузку от здания. В предлагаемом же способе фундамент мелкого заложения заранее проектируется так, чтобы он мог воспринимать только часть нагрузки от недостроенного здания, а остальная часть нагрузки от последующих этажей должна восприниматься задавливаемыми сваями, что является весьма существенным отличием. Кроме того, поскольку по усилию погружения свай можно судить о фактической несущей способности каждой задавливаемой сваи, это позволяет повысить экономичность и надежность фундамента.
Положительный результат предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности, технологичности, экономичности строительства и снижении сроков строительства.
Список фигур чертежей:
Фиг. 1. Схема реализации предлагаемого способа.
На фиг. 1 показаны стадии реализации предлагаемого способа, где использованы обозначения:
1 - стены здания; 2 - перекрытия; 3 - технологические отверстия для пропуска свай; 4 - фундамент мелкого заложения (впоследствии являющийся ростверком); 5 - погружаемые сваи; 6 - замоноличивание оголовков свай.
Различные фазы сооружения представлены фрагментами А, В и С чертежа:
A) Возведение здания до расчетного числа этажей таким образом, что бы давление под подошвой фундамента не превышала расчетного сопротивления грунта, а общий вес конструкции позволял обеспечить погружение одной сваи. Установка свай в технологические окна.
B) Погружение свай с помощью инвентарной установки.
C) После погружения свай на проектную глубину замоноличивания оголовков свай в отверстиях фундаментах мелкого заложения (ростверках).
С целью преодоления указанных недостатков предлагается способ возведения комбинированного фундамента, включающий устройство на поверхности грунта «фундамента-ростверка» с отверстиями для пропуска свай и закладными деталями для последующего крепления к ним установки задавливания, возведение на «фундаменте-ростверке» верхних конструкций сооружения, реактивное усилие при задавливании свай компенсируют весом возведенной части здания, сваи замоноличивают в ростверке отличающийся тем, что задавливание и замоноличивание свай начинают, когда при возведении верхних конструкций сооружения нагрузка на «фундамент-ростверк» от веса конструкций превысит величину нагрузки, необходимой для задавливания одной сваи, но будет меньше величины расчетного сопротивления грунта под подошвой «фундамента-ростверка».
Кроме того, в перекрытиях нижних этажей, общая высота которых от поверхности грунта не превышает длину цельной задавливаемой сваи более чем на высоту одного этажа, устраивают отверстия, расположенные над отверстиями в теле «фундамента-ростверка», в которые заранее заводятся сваи до устройства следующего перекрытия.
Кроме того, в ходе возведения верхних конструкций фиксируют величину осадки в различных местах «фундамента-ростверка» и вначале задавливают и замоноличивают сваи в тех местах, где были зафиксированы наибольшие осадки в ходе возведения верхних конструкций, а в местах, где была зафиксирована наименьшая осадка, сваи задавливают и замоноличивают в последнюю очередь.
Кроме того, сваи, погруженные в грунт, фиксируют в ростверке, не снимая действующую на них вертикальную нагрузку, то есть сваи замоноличивают в «напряженном» состоянии.
Кроме того, поскольку о фактической несущей способности сваи судят по величине усилия, необходимого для ее задавливания, погружение сваи осуществляют до тех пор, пока она не достигнет требуемой расчетной несущей способности.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
На первом этапе устраивают фундамент мелкого заложения из сборного или монолитного железобетона, в теле которого имеются отверстия для последующего пропуска свай и закладные детали для крепления установки для задавливания свай в грунт. Глубина заложения фундамента определяется, главным образом, исходя из конструктивных особенностей здания (наличия подвала). Ширина подошвы фундамента расчитывается исходя из условия, чтобы давление под подошвой от веса части недостроенного по высоте здания не превышало расчетного сопротивления грунта. При этом нагрузка, передаваемая на фундамент здания (на колонну, или на погонный метр ленточного фундамента) была бы не меньше усилия, требуемого для задавливания одной сваи (определяется расчетом с учетом коэффициента запаса).
После устройства фундамента начинают монтаж верхних строений здания до уровня (количества этажей), чтобы было соблюдены вышеуказанные условия, то есть нагрузка на фундаменты находилась в указанном диапазоне. Верхние конструкции здания могут быть возведены, как из сборного, так и из монолитного железобетона или из кирпичной кладки. При этом для повышения технологичности возможно в нижних перекрытиях здания устраивать временные отверстия, находящиеся непосредственно над «окнами» в фундаменте, через которые заранее пропускаются сваи (фиг. 1).
Далее к закладным деталям фундамента прикрепляют установку для задавливания свай, включающую подвижную раму с захватами и силовые гидроцилиндры.
Затем, одновременно, продолжают возводить верхние строения здания и осуществлять погружение (задавливание) свай и их замоноличивание в ростверк. По мере задавливания свай и, соответственно, повышения несущей способности фундаментов, здание можно возводить до проектного количества этажей. Следует отметить, что задавливаемые сваи замоноличиваются в ростверк в «напряженном» состоянии, для чего вертикальную нагрузку не снимают вплоть до замоноличивания сваи в ростверк. Кроме того, в процессе погружения свай фиксируют усилие задавливания и сваи продолжают погружать до тех пор, пока усилие задавливания не станет превышать требуемого расчетного усилия на сваю.
Следует отметить, что фундамент мелкого заложения с отверстиями для пропуска свай выполняет тройную функцию. Сначала, до строительства части здания по высоте, он работает, как фундамент мелкого заложения (функция 1), в момент погружения свай фундамент-ростверк выполняет функцию пригрузки, обеспечивающей восприятие реактивного усилия от задавливания свай за счет веса возведенных к этому времени конструкций (функция 2). После устройства и замоноличивания свай этот конструктивный элемент выполняет функцию ростверка (функция 3). Это позволяет повысить технологичность и надежность сооружения по сравнению с прототипом, где прибетонированный ростверк не выполняет функцию фундамента мелкого заложения (то есть, не выполняет функцию 1), а является только ростверком и элементом, воспринимающим реактивное усилие от задавливания свай (то есть, выполняет только функции 2 и 3).
То, что отверстия в фундаменте и закладные детали устраиваются заранее, а над отверстиями в перекрытиях нижних этажей также заранее устраивают временные окна для пропуска свай, которые после их задавливания, заделывают, повышает технологичность строительства зданий, поскольку обеспечена возможность погружать сваи не по секциям, а на всю их длину.
То, что начало процесса задавливания свай и окончание устройства свайного фундамента определяются особыми соотношениями (чтобы вес возведенной конструкции превышал усилие задавливания одной сваи и не превышал несущей способности «временного» фундамента мелкого заложения), позволяет, после возведения здания до требуемого количества этажей, одновременно осуществлять устройство свайного фундамента и дальнейшее возведение верхних конструкций, что, соответственно, снижает сроки строительства и его стоимость.
При этом одновременно повышается надежность сооружения, поскольку формируются более благоприятные условия работы фундамента, так как уже на первом этапе, до устройства свай, грунт под фундаментом уплотняется и впоследствии ростверк воспринимает часть общей нагрузки. Величина этой нагрузки будет равна максимальному давлению под подошвой фундамента до устройства свай и даже несколько больше, поскольку грунт сначала уплотняется, когда конструкция работает как фундамент мелкого заложения. В процессе задавливания свай, уже уплотненный грунт, дополнительно уплотняется вокруг свай. Осадка здания будет происходить, в основном, в процессе строительства и составлять весьма небольшую величину, соответствующую нагрузке только от части конструкций недостроенного по высоте здания.
Предлагаемый способ может быть реализован не только для ленточных «фундаментов-ростверков», но и для балочных, решетчатых (фундаментов в виде перекрестных лент), столбчатых и плитных фундаментов. То есть способ может быть использован при любых фундаментах мелкого заложения. Последовательность операций и условия их проведения при этом не меняются.
Пример:
Пусть требуется возвести здание с продольными несущими стенами высотой в двадцать этажей. Пусть вес конструкций каждого этажа дает нагрузку на фундамент равной 50 кН на погонный метр, а нагрузка с учетом полезной и других нагрузок составляет 60 кН на погонный метр. Пусть расчетное сопротивление грунта в основании «временного» фундамента мелкого заложения составляет 300 кПа, а несущая способность задавленной сваи 300 кН.
Чтобы задавить одну сваю, вес конструкций здания должен быть не меньше 300 кН на погонный метр. То есть здание должно быть достроено до уровня не менее шести этажей (300/50=6). При этом ширина подошвы фундамента не должна быть меньше 6⋅50/300=1 м. Общее количество свай, расположенных на одном погонном метре фундаментов, должно составить не менее (60⋅20-300)/300=3. Если принять фундамент шириной 1,5 м, то начинать задавливание свай можно после возведения шестого этажа. Полностью же закончить задавливание свай и устройство свайного фундамента необходимо до завершения строительства девятого этажа (300⋅1,5/50=9). Такой фундамент впоследствии выдержит полную нагрузку от здания с учетом полезных и других нагрузок (60⋅20≤300⋅1.5+3⋅300).
Примечание:
Вышеприведенный расчет является приближенным и условным и приведен в качестве упрощенной иллюстрации к предлагаемому способу. Реальные расчеты выполняются в соответствии с требованиями актуализированных версий СНиП 2.02.01-83 (СП 22.13330.2011) и СНиП 2.02.03-85 (СП 24.13330.2011).
Следует отметить, что меньшая стоимость и большая надежность достигаются за счет того, что в процессе задавливания (по усилию вдавливания) точно определяется несущая способность каждой сваи. Более точно известна доля нагрузки, воспринимаемая ростверком. Кроме того, одновременное возведение верхних конструкций и устройство фундаментов сокращает сроки, и, следовательно, стоимость строительства. Наиболее экономически эффективным предлагаемый способ является при таких инженерно-геологических условиях, когда в верхней части основания залегают относительно малопрочные грунты, а наиболее прочные залегают на глубине порядка 5-15 метров.
Больший запас прочности обеспечивается тем, что часть нагрузки от здания (причем известная часть) воспринимается ростверком. Общая осадка здания будет меньше, так как сваи при погружении испытывают нагрузку, превышающую последующую нагрузку от сооружения. То есть сваи являются как бы предварительно напряженными. Грунт вокруг свай является более уплотненным, что обеспечивает высокое трение по боковой поверхности. Грунт под нижним концом свай в процессе погружения также уплотняется. Кроме того, как уже сказано выше, значительную часть нагрузки будут воспринимать уплотненные грунты основания, расположенные под ростверком.
Кроме того, большая надежность достигается за счет того, что поскольку устройство свайного фундамента осуществляется в течение некоторого периода времени, появляется возможность частично сгладить возможную неравномерность осадки фундаментов, проявившуюся в ходе строительства. Для этого необходимо в первую очередь задавливать и замоноличивать сваи на тех участках, которые претерпели наибольшие осадки, а на участках с меньшими осадками эти работы проводить в последнюю очередь.
Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.
Проведенные модельные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения.