СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА
METHOD OF INCREASING BEARING STRENGTH OF PILING

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для усиления существующего свайного фундамента при реконструкции зданий и сооружений, а также для повышения несущей способности вновь возводимого свайного фундамента.
Известен способ возведения свайного фундамента (а.с. СССР №1193239, опубл. 23.11.1985, бюл. №43), включающий раздельное заглубление в грунт элементов фундамента на часть проектной глубины, а затем их совместное погружение на полную длину.
Недостатком известного способа является зависимость его эффективности от глубины прорабатываемого материала в процессе забивки оголовка сваи. Поэтому повышение несущей способности достигается за счет уплотнения грунта только на ограниченной длине верхней части сваи. Оставшаяся же длина сваи обжимается лишь давлением грунта, создаваемым при забивке сваи. Таким образом, данный способ обеспечивает эффект повышения удельной нагрузки только для коротких свай и малоэффективен при использовании длинномерных свай.
Известен также способ усиления свайного фундамента (а.с. СССР №1162900, опубл. 23.06.1985, бюл. №23), включающий отделение, по крайней мере, одной сваи от ростверка, а после отделения приложение к ее голове горизонтальных знакопеременных нагрузок с одновременной подачей воды в кольцевую воронку, образующуюся вокруг сваи. После допогружения сваи в известном способе воронку заполняют твердеющим раствором.
Недостатком способа по а.с. СССР №1169200 является уменьшение уплотнения грунта с возрастанием глубины и ограничение самого уплотнения прочностью сваи на изгиб. Кроме того, происходит полная потеря контактного взаимодействия боковой поверхности сваи с грунтом, которое, даже при использовании твердеющего раствора, практически невозможно восстановить до прежнего уровня из-за малой величины зазора, образующегося при раскачивании сваи.
К числу недостатков данного способа относится также сложность производства работ при усилении свайного фундамента. Околосвайный грунт в таком фундаменте недостаточно уплотнен, поэтому силы его сопротивления на боковой поверхности этих свай меньше, чем у забивных свай. После заполнения твердеющим раствором сваи становятся обжаты лишь природным давлением.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ повышения несущей способности висячих свай (патент РФ №2275470, опубл. 2006.04.27). Известный способ включает подачу в находящийся в межсвайном пространстве и основании свай грунт твердеющего раствора сначала под постепенно возрастающим давлением до образования полостей гидроразрыва вокруг каждого инъектора, а затем - под постоянным давлением.
Недостатком способа по патенту РФ №2275470 является невысокая эффективность уплотнения грунта вокруг сваи. Этот недостаток объясняется следующей причиной. Поскольку грунт вокруг забивной сваи всегда более уплотнен, при гидроразрыве за счет изменения напряженного состояния траектория трещины при подходе к зоне уплотнения будет искривляться и огибать это препятствие, находя более слабые участки. В этой ситуации грунт вокруг сваи может оставаться нетронутым даже в том случае, если в качестве инструмента применяются щелевые инъекторы направленного действия. По траектории наименьшего сопротивления трещина при последующем увеличении давления может вообще выйти из зоны уплотнения околосвайного грунта, то есть процесс становится малоэффективным и неконтролируемым. Более того, известно, что многощелевой инъектор может хорошо работать только в изотропных однородных грунтах.
Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении эффективности усиления свайного фундамента путем повышения степени уплотнения и одновременного увеличения давления грунта на боковую поверхность сваи при упрощении производства работ.
Поставленная задача решается тем, что в способе повышения несущей способности свайного фундамента путем подачи твердеющего раствора под давлением в грунт подачу раствора осуществляют в два этапа: сначала по периферийному контуру группы укрепляемых свай с шагом 0,5-2 м до образования сплошной завесы, а затем - в зону, ограниченную контуром.
Предлагаемая последовательность операций позволит создавать вокруг свай массив грунта с заданными свойствами за счет величины давления и количества подаваемого раствора.
На слабых грунтах подачу раствора целесообразно осуществлять через инъекторы ненаправленного действия, представляющие собой трубу с теряемым наконечником.
В более плотных грунтах возможно бурение скважин как по периферии группы укрепляемых свай, так и в межсвайном пространстве, в которые подают твердеющий раствор под давлением в той же последовательности.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема действующих на сваю сил, а на фиг.2 - схема реализации способа.
Известно, что висячие сваи своим нижним концом прочного грунта не достигают. Они удерживаются в слабом грунте силами его сопротивления, приложенными к боковой поверхности свай и их подошве. Если сваи окружены сбоку слабым грунтом, их обычно стремятся заглубить до прочного малосжимаемого грунта. Тем не менее, при фиксированной длине сваи несущая способность такого фундамента может оказаться недостаточной, например, в условиях возрастающего давления при реконструкции здания.
На фиг.1 показана такая свая. Она прорезает слабый грунт и своей подошвой опирается на расположенный ниже прочный грунт. Приложенная к ней вертикальная нагрузка уравновешивается реакцией грунта, действующей на заостренную часть нижнего конца сваи, и его сопротивлением, распределенным по боковой поверхности ее ствола τ=tgφ*σ (кулоновское трение, пропорциональное коэффициенту трения и нормальному обжатию в случае сыпучей среды). Из этого выражения следует, что свая может хорошо работать, если в слабом окружающем грунте создается необходимое уплотнение, повышающее коэффициент трения на контактной поверхности и нормальное боковое давление. Таким образом, эффективное повышение несущей способности сваи, окруженной слабым грунтом, может быть достигнуто за счет увеличения обеих компонент одновременно.
На фиг.2 показана схема расположения свай и инъекторов для подачи твердеющего раствора.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
В грунте 1 параллельно сваям 2 по периферии укрепляемых свай 2 с шагом 0,5-2 м забивают инъекторы 3 на глубину предполагаемого уплотнения. Затем через инъекторы 3 подают твердеющий раствор под давлением, вызывающим гидроразрыв грунта. Подачу раствора продолжают до тех пор, пока соседние зоны уплотнения 4 не сомкнутся друг с другом. При этом в грунте возникают гидроразрывы с уплотнением и ликвидацией слабых участков. Поскольку инъекторы 3 располагаются вокруг свайного поля, а их принцип работы имеет ненаправленное действие, уплотнение вокруг каждого из них осуществляется в радиальном направлении более-менее равномерно, образуя зоны уплотнения грунта 4, по форме близкие к цилиндрическим. После затвердевания раствора по периферийному контуру укрепляемых свай образуется надежная завеса с перемятой структурой грунта, армированного уплотняющим раствором. Второй этап заключается в подаче раствора в зону, ограниченную контуром, в том числе и межсвайное пространство, которое осуществляется с помощью инъекторов 5. Сформированная завеса вокруг свайного поля позволяет инъектировать раствор под большим давлением. Максимальное давление определяется техническими возможностями применяемых высоконапорных насосов, способных в настоящее время развивать давление до 20 атмосфер и необходимой величиной повышения несущей способности. Созданная завеса позволяет повышать несущую способность как кустов свай, так и отдельно стоящих свай.
В более плотных грунтах сначала бурят скважины по периферии укрепляемых свай и во внутрисвайном пространстве. А затем осуществляют подачу твердеющего раствора под давлением в той же последовательности - сначала формируют завесу, а затем подают раствор во внутрисвайное пространство. Подачу раствора можно осуществлять посредством инъекторов ненаправленного действия, опускаемых в предварительно пробуренные скважины.
Инъектированный под большим давлением раствор без утечки в замкнутом свайном поле способен прорабатывать грунт на всех его участках. Величина давления и количество закачанного твердеющего раствора позволяет все межсвайное пространство, в том числе и околосвайный грунт, превратить в массив с заданными нами свойствами.
Как видно, предлагаемый способ повышения несущей способности свайного фундамента по сравнению с известными наряду с простотой его реализации имеет большие возможности укрепления как за счет уплотнения околосвайного грунта, так и за счет повышения бокового обжатия одинаковым давлением по всей глубине уплотнения. В случае необходимости усиления несущей способности сваи как по боковой поверхности, так и по нижним ее торцам инъекторы забивают на глубину, превышающую длину сваи на расчетную величину усиления грунта. В случае возведения нового фундамента на висячих сваях с применением предлагаемого способа вместо длинномерных свай возможно использование более коротких.