ТРУБОБЕТОННАЯ СВАЯ С УСИЛЕННЫМ ОСНОВАНИЕМ И СПОСОБ ЕЕ СООРУЖЕНИЯ
PIPE CONCRETE PILE WITH REINFORCED BASE AND METHOD OF ITS ERECTION

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям свай, и может быть использовано при возведении свайных фундаментов при строительстве зданий и сооружений, и прежде всего - мостовых опор, сооружаемых на слабых грунтах, в первую очередь, на грунтах речных или морских акваторий.
Известна свая-оболочка промежуточной опоры моста стоечного типа (варианты), содержащая металлическую оболочку в виде трубы, заполненную бетоном с арматурным каркасом, выполненным из продольных стержней арматуры, расположенных по контуру оболочки, и спиральной арматуры, обвитой вокруг них, и с целью устранения капиллярного подъема воды дополнительно содержащая водонепроницаемый экран в зоне промерзания грунтов из гидроизоляционного материала системы «Пенетрон», выполненный посредством инъекций в полость сваи-оболочки через отверстия в металлической оболочке, которые затем заглушены, (патент РФ на ПМ №78223, МПК E01D 19/04).
Однако в данной конструкции сваи создается шарнир в наиболее напряженном сечении сваи, в зоне максимальных изгибающих моментов, что отнюдь не способствует ее устойчивости и прочности. Кроме того, нарушается сплошность сваи, что недопустимо.
Известна свая-оболочка промежуточной опоры моста стоячного типа, содержащая металлическую оболочку в виде трубы, заполненную бетоном с арматурным каркасом, выполненным из продольных стержней арматуры, расположенных по контуру оболочки и спиральной арматуры, обвитой вокруг них, и с целью снижения статического давления кристаллизованной воды на стенки металлической оболочки изнутри дополнительно содержащая канаты из пористого материала, расположенные внутри арматурного каркаса и прикрепленные к продольным стержням арматуры вдоль каждого стержня, и центральную трубу из упругого материала заполненную пористым материалом. При этом центральная труба армирована металлической проволокой, заполнена монтажной пеной и выполнена из прорезиненного капрона, (патент РФ на ПМ №63367, МПК E01D 19/14).
Однако в данной конструкции сваи предполагается капиллярный подсос воды к арматуре, следствием чего может стать активная коррозия арматурных стержней. Кроме того, также нарушается сплошность сваи, что недопустимо.
Известен также вид фундаментной сваи, на нижнем конце которой имеется подошва, уширяющая основание сваи.
Например, известна буроинъекционная свая с уширением нагнетания в слабых водонасыщенных грунтах, верхняя вертикальная часть которой представляет железобетонный элемент с арматурным каркасом, усиленным кольцами, прикрепленными с внутренней стороны каркаса. Нижняя уширенная часть сформирована внутри эластичной оболочки, состоящей из гирлянды бесшовных оболочек, выполненных из латексов натурального или синтетического каучуков. (Мельников Б.Н., Богомолов В.А. «Рекомендации по расчету, проектированию и устройству фундаментов из свай нагнетания (в том числе с уширением)», Свердловск, 1983).
Недостатком данной конструкции сваи является неконтролируемая форма уширения сваи, а также ограниченность малыми диаметрами сваи. В целом для данной конструкции ограничена область применения по условиям геологического строения грунтов.
Известна также инъекционная свая, (патент РФ на ИЗ №2238366, МПК E02D 5/34, 5/44, 7/46) которая сформирована в виде вертикального стержня с волнообразной боковой поверхностью и включает перфорированную инъекторную трубу с фланцами, закрепленными вдоль всей ее длины и конусным наконечником, основание которого больше диаметра инъекторной трубы и равно диаметру фланца. Инъекторная труба оставленная в теле устроенной сваи, является несущим элементом и одновременно выполняет роль арматуры. Указанная свая устраивается также без извлечения грунта. Для этого на стенках скважины нарезают продольные пазы, вдавливание наконечника, нарезание пазов и погружение инъекторной трубы производят одновременно, обеспечивая при этом зазор между стенкой образуемой скважины и инъекторной трубой, имеющей перфорацию по всей длине, и производят инъектирование твердеющего материала.
Однако конструкции сваи и способ ее сооружения не позволяют армировать сваю для восприятия изгибающих моментов.
Известна также конструкция свайных фундаментов и оболочка для создания уширенной подошвы, в которой указанная подошва имеет внешний слой литьевого материала и внутреннюю бетонную сердцевину, в которую заложено армирующее устройство, причем указанное армирующее устройство связано с указанным сооружением посредством нескольких соединительных средств. Армирующее устройство может представлять собой блок с некоторым количеством выступающих элементов, которые могут входить в бетон и таким образом закрепляться в нем, что будет способствовать повышению прочности уширенной подошвы. В другом примере реализации заявленного изобретения усиливающие ответвления образованы сетью из стержней и/или проволоки. При этом оболочка, обеспечивающая формирование уширенной подошвы, имеет на своей наружной поверхности несколько нагнетательных отверстий, (патент РФ на ИЗ №2346112 МПК E02D 5/44).
Недостатком данной конструкции сваи также является неконтролируемая форма уширения основания сваи, и ограниченная область применения по условиям геологического строения грунтов. Кроме того, сочетание внешней литьевой оболочки и бетонной сердцевины приведет к капиллярному подсосу по контакту поверхностей и к коррозии бетона.
Известна свая, выполненная из совместно погружаемых в грунт наружной и внутренней труб, имеющих открытые торцы, с извлечением одной из труб, выполненной сплошностенчатой, отличающаяся тем, что извлекаемой выполнена внутренняя труба, а наружная труба перфорирована с выполнением отверстий в местах трубы, ослабленных механическими или коррозионными дефектами, и использована в качестве несущей арматуры. При возведении сваи одновременно погружают наружную и внутреннюю трубы. Через внутреннюю трубу подают твердеющий материал, трамбуемый трамбовкой. После формирования уширения из твердеющего материала под нижним обрезом наружной трубы внутреннюю сплошностенчатую трубу приподнимают, открывая отверстия в наружной перфорированной трубе. Трамбовкой вновь производят уплотнение твердеющего материала, при этом твердеющий материал проникает через отверстия, образуя уширения по боковой поверхности сваи и заполняя внутреннюю полость наружной трубы. Последовательно повторяя цикл уплотнения с подъемом внутренней трубы до ее полного извлечения, осуществляют формирование ствола сваи из твердеющего материала, в котором наружная труба становится несущей арматурой. (патент на ИЗ №2186905).
Однако в данной конструкции наружная оболочка не включена в работу сечения сваи, то есть свая буронабивная, а не трубобетонная. И при этом данная свая не может быть установлена в обводненных грунтах, на водной акватории. Вследствие чего невозможна укладка бетона с тромбованием при наличии воды в полости (а вода будет обязательно).
Указанные аналоги конструкции сваи имеют следующие признаки, общие с заявляемым решением: наличие наружной металлической трубы; наличие железобетонного элемента с арматурным каркасом, выполнение сваи с уширением в нижней части.
В отличие от аналогов, в заявляемой конструкции сваи в качестве материала используется трубобетон, металлическая труба - оболочка включена в работу сваи, а уширенная часть сваи выполнена в виде, например, четырех бетонных кольцевых сегментов, сбрасываемых в трубу в монтажном положении, а затем раскрывающихся и образующих уширенную пяту с эффектом уплотнения грунта основания под воздействием ударной нагрузки. При этом неизвлекаемая металлическая труба-оболочка диаметром в широком диапазоне (в зависимости от передаваемой на нее нагрузки, от 800 мм до 2020 мм) совместно с бетонным ядром включена в работу сваи на изгиб и сжимающие (выдергивающие) нагрузки. Кроме того, заполняемая полость сваи осушается и заполняется тяжелым бетоном насухо с вибрированием, а не способом ВПТ и не инъектированием.
Известен способ забивания трубообразной сваи в грунт и заключения ее в бетон, который содержит стадии, в которых свайный башмак прикрепляют к нижнему концу свайной трубы, подлежащей забиванию в грунт, для создания трубообразной сваи, забивают свайную трубу в грунт посредством импульсной силы; заполняют внутреннее пространство свайной трубы бетонной массой, забивают свайную трубу глубже в грунт с использованием импульсной силы, так что бетонная масса проходит через сквозные отверстия вокруг свайной трубы и вверх в полость, образованную в грунте свайным башмаком; добавляют указанную бетонную массу во внутреннее пространство свайной трубы и забивают трубообразную сваю дальше в грунт посредством импульсной силы попеременно с добавлением бетонной массы во внутреннее пространство свайной трубы. (патент РФ на ИЗ №2236505).
Однако данный способ не обеспечивает достаточную сопротивляемость на изгиб, так как заармировать периферию сечения не представляется возможным. Кроме того, данным способом невозможно увеличить несущую способность сваи за счет создания уширенной пяты и укрепления грунта в основании.
Известен способ создания свайного фундамента для сооружений, согласно которому на месте работ выполняют следующие этапы по созданию указанного фундамента: с помощью первого шнекового бура бурят скважину, в которую устанавливают фундаментную трубу, бурят следующий участок под нижним концом установленной фундаментной трубы, в указанном участке выполняют полость посредством скребка и давления водяной струи, рыхлый грунт удаляют из указанной полости указанным первым шнековым буром, через фундаментную трубу в нижнюю часть указанного участка опускают трубу для комплекта инструментов и приспособлений, в которой размещен второй шнековый бур и гибкая оболочка, охватывающая нижнюю часть указанного второго шнекового бура, в указанной оболочке создают избыточное давление и во внутрь указанной полости нагнетают литьевой материал, излишки которого затем удаляют вторым шнековым буром, после застывания указанного материала указанную оболочку сдувают и удаляют через указанную фундаментную трубу, в фундаментную трубу опускают армирующее устройство, в фундаментную трубу заливают бетонный материал, при этом указанная полость заполняется, а указанное армирующее устройство закладывают в бетон, создавая при этом уширенную подошву для фундаментной трубы, (патент РФ на ИЗ №2346112).
Однако данный способ возможно применять лишь для свай с малым диаметром (600-700 мм). Кроме того, свая по данному способу не воспринимает изгибающих моментов, так как лишена по контуру арматуры.
Известен способ изготовления в грунте набивных армированных свай, включающий образование в грунте укрепленной обсадной трубой скважины, заполнение ее твердеющим составом, введение арматуры и уплотнение состава и втрамбовывание его в грунт, извлечение обсадной трубы, отличающийся тем, что уплотнение твердеющего состава и втрамбовывание его в грунт производят путем введения в него после извлечения обсадной трубы посредством забивания арматуры в виде трубы с закрытым нижним торцом. Извлечение обсадной трубы может производиться и после полной загрузки твердеющего состава на всю длину скважины. После чего в заполненную твердеющим составом скважину вводят посредством забивания арматуры в виде трубы с опорами диаметром меньше диаметра скважины. Введение трубы в заполненную твердеющим составом скважину производят, например, воздействием на нее ударных нагрузок от пневмопробойника, установленного на верхнем торце трубы. Под действием ударов труба погружается в скважину, уплотняя и втрамбовывая в грунтовые стенки твердеющий состав, (патент РФ на ИЗ №2181410).
Однако в данном способе не обеспечивается высокая несущая способность сваи из-за невозможности образовать уширение подошвы, а также из-за материала, сваи, не являющегося трубобетоном.
В указанных аналогах способа сооружения сваи имеются следующие признаки, общие с заявляемым решением: образование в грунте скважины; укрепление ее; введение арматуры; введение бетонного состава; уплотнение бетона в грунт.
В отличие от известных аналогов в заявляемом решении вместо извлекаемой обсадной трубы - вводят неизвлекаемую металлическую трубу-оболочку, включаемую в работу всей конструкции сваи, и становящуюся частью общего композитного сечения, состоящего из железобетонного ядра, армированного ненапрягаемой арматурой, заключенного в стальную обойму трубы-оболочки. Кроме того, производят позиционирование по координатам, выемку грунта вместе с погружением стальной оболочки, осуществляют опускание укрепляющего элемента в забой пробуренной скважины и погружение укрепляющего элемента в основание скважины. Введение арматурного каркаса сопровождают откачкой воды из забоя скважины. Бетонирование скважины осуществляют с виброуплотнением бетононасосом с поверхности водной акватории.
Задачей заявляемого технического решения является создание трубобетонной сваи с усиленным основанием и совершенствование технологии ее изготовления.
Выполнение поставленной задачи обеспечивает технический результат, который заключается в повышении несущей способности трубобетонной сваи, прочности бетонного ядра, упрочнении грунтового основания, при этом обеспечивается осушение полости скважины. Кроме того, заявляемый способ обеспечивает возможность мониторинга несущей способности сваи.
Выполнение сваи с усиленным основанием обеспечивается за счет включения в конструкцию сваи укрепляющего элемента в виде внутренней сваи и элемента уширения, выполненного в виде кольцевых сегментов; в снижении металлоемкости за счет образования трубобетонной конструкции - неизвлекаемой металлической оболочки и бетонного ядра, в повышении прочности, водонепроницаемости и адгезии к металлу трубы, повышение несущей способности как по материалу сваи, так и по грунту.
Осушение полости скважины обеспечивается за счет откачки воды и динамического уплотнения грунта под подошвой сваи. Возможность мониторинга несущей способности сваи обеспечивается за счет забивки внутренней сваи. В известных аналогах определение несущей способности сваи осуществляется более затратными методами, например, статическим испытанием сваи.
В результате использования заявляемого технического решения сокращается количество свай в фундаменте сооружения, материальные затраты и время на технологические операции по изготовлению свай в фундаменте.
Сущность технического решения заключается в том, что в трубобетонной свае с усиленным основанием, содержащей наружную металлическую оболочку в виде трубы с арматурным каркасом, выполненным из продольных стержней арматуры, расположенных по контуру оболочки, заполненную бетоном, согласно заявляемому решению, наружная металлическая труба-оболочка выполнена неизвлекаемой; трубобетонная свая дополнительно содержит укрепляющий элемент, образуемый из внутренней сваи, состоящей из цилиндрической части и забивного наконечника в форме усеченного конуса, и элемента уширения, образованного из бетонной конструкции цилиндрической формы, разделенной на сегменты с возможностью их перемещения в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси, и объединенного в монтажном положении с внутренней сваей; при этом внутренний диаметр в верхней части элемента уширения больше внутреннего диаметра - в нижней части.
При этом элемент уширения в монтажном положении объединен с внутренней сваей с помощью временных проволочных связей. Трубобетонная свая дополнительно содержит извлекаемую инвентарную штангу, выполненную с наголовником на нижнем конце и устанавливаемую на верхнюю часть внутренней сваи.
В способе сооружения трубобетонной сваи с усиленным основанием, включающем образование скважины; укрепление ее; введение арматуры; введение бетонного состава; уплотнение бетона в грунт; согласно изобретению укрепление скважины осуществляют посредством погружения внешней неизвлекаемой трубы-оболочки ударным или вибрационным методом; по мере погружения неизвлекаемой трубы-оболочки осуществляют удаление грунта; затем посредством сброса опускают укрепляющий элемент, образованный с помощью бетонной конструкции цилиндрической формы, разделенной на сегменты с возможностью их перемещения в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси и объединенный в монтажном положении с внутренней сваей; внутреннюю сваю забивают с помощью инвентарной штанги, выполненную с наголовником, до момента перемещения сегментов в радиальном направлении и поворота их вокруг горизонтальной оси, после чего фиксируют внутреннюю сваю с помощью наголовника и извлекают штангу; после введения арматурного каркаса производят откачку воды; бетонирование сваи осуществляют насухо, бетононасосом.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на Фиг 1а) - представлен вид сваи при опускании укрепляющего элемента в забой пробуренной скважины; на Фиг.1б) - при погружении укрепляющего элемента в основание скважины; на Фиг.1в) - при опускании арматурного каркаса и откачке воды из забоя скважины; на Фиг.1г) - при бетонировании скважины бетононасосом с поверхности; на Фиг.2 - вид сваи с деталями элемента уширения основания. Позициями на чертежах обозначены:
1 - неизвлекаемая труба-оболочка;
2 - участок водной поверхности в водоеме,
3 - околосвайный грунт,
4 - внутренняя свая,
5 - кольцевые сегменты,
6 - инвентарная штанга (подбабок),
7 - гидромолот,
8 - стержни арматурного каркаса,
9 - бетоновод бетононасоса,
10 - бетонная смесь,
11 - наголовник инвентарной штанги,
12 - забивной наконечник внутренней сваи 4.
Трубобетонная свая содержит: неизвлекаемую трубу - оболочку 1 с арматурным каркасом 8, заполненную бетонной смесью, и укрепляющий элемент, расположенный в нижней части металлической трубы-оболочки 1 и состоящий из внутренней сваи 4 и элемента уширения, представляющего собой бетонную конструкцию цилиндрической формы, разделенной, например, на четыре сегмента 5 с возможностью их перемещения в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси, проходящей по контакту сегмента; а также извлекаемую инвентарную штангу.
Неизвлекаемая металлическая - стальная - труба-оболочка 1 выполнена с диаметром в широком диапазоне от 800 мм до 2020 мм в зависимости от передаваемой на нее нагрузки. Неизвлекаемая труба-оболочка включена в работу сваи на изгиб и сжимающие (выдергивающие) нагрузки.
Внутренняя свая 4 может быть выполнена из стальной трубы диаметром от 0,3 до 0,8 м и длиной от 2,5 до 4,0 м в зависимости от диаметра внешней неизвлекаемой трубы - оболочки 1, и заполнена бетоном. Внутренняя свая содержит цилиндрическую часть и забивной наконечник 12, выполненный в форме усеченного конуса, и вместе с элементом уширения образует укрепляющий элемент сваи.
Элемент уширения образован с помощью бетонной конструкции цилиндрической формы, разделенной, например, на четыре равных кольцевых сегмента 5, внутренняя стенка которых имеет меньшую толщину в верхней части и большую толщину - в нижней части. Таким образом, в монтажном положении (когда четыре сегмента находятся в сложенном положении) внутренний диаметр в верхней части элемента уширения больше внутреннего диаметра - в нижней части, в результате чего внутренняя поверхность стенок элемента уширения образует усеченный конус. Внешний диаметр элемента уширения может составлять до 1,8 м, а высота - до 2,5 м. За счет такой конструкции элемент уширения выполнен с возможностью перемещения четырех сегментов от центра в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси -при воздействии на него ударной силой. Сегменты 5 элемента уширения в монтажном положении присоединены с помощью проволочных связей к забивному наконечнику 12 внутренней сваи 4, который в монтажном положении размещен во внутренней полости элемента уширения, образуемой внутренней поверхностью четырех сегментов 5.
После забивки внутренней сваи 4 в грунт, забивной наконечник 12 выходит за нижние границы элемента уширения, цилиндрическая часть внутренней сваи входит во внутреннюю полость элемента уширения, в результате чего сегменты элемента уширения перемещаются от центра в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси. То есть, при ударе о грунт кольцевые сегменты 5 раскрываются и образуют уширенную пяту.
В результате внутренняя свая 4 и сегменты 5 элемента уширения увеличивают площадь основания, дополнительно упрочняют грунт в основании, создают уширение, что обеспечивает восприятие грунтом расчетных нагрузок.
Под действием ударной нагрузки происходит уплотнение грунта основания.
Инвентарная штанга 6 - представляет собой металлическую конструкцию кольцевого сечения с наголовником 11 на нижнем конце, который после извлечения инвентарной штанги оставляют на верхнем участке внутренней сваи 4 для дополнительной ее герметизации и фиксации во избежание ее выхода за пределы металлической трубы-оболочки 1 в процессе забоя в грунт. В верхней части инвентарной штанги 6 размещен гидромолот 7.
Способ сооружения трубобетонной сваи с усиленным основанием содержит следующие этапы:
Посредством ударного или вибрационного метода сквозь толщу воды в грунт или с поверхности грунта погружают неизвлекаемая трубу - оболочку 1 на необходимую глубину. По мере погружения неизвлекаемой металлической трубы-оболочки 1, с помощью виброгрейфера осуществляют удаление грунта. При достижении неизвлекаемой трубой-оболочкой 1 проектных отметок выбирают грунт до нижней границы основания сваи или ниже, если необходимо уширение основания сваи.
После выемки грунта из полости оболочки в забой скважины сбросом опускают укрепляющий элемент, включающий внутреннюю сваю 4, состоящую из цилиндрической части и забивного наконечника 12, и элемент уширения, представляющий собой бетонную конструкцию цилиндрической формы, разделенной на сегменты (например, на четыре) 5, находящиеся в монтажном (то есть, сложенном) положении. Затем на верхнюю часть внутренней сваи 4 устанавливают инвентарную штангу 6. С помощью гидромолота 7 с весом его ударной части от 4 до 7 тонн производят забивку внутренней сваи 4. В момент удара о грунт и погружения внутренней сваи сегменты элемента уширения перемещаются от центра в радиальном направлении с поворотом вокруг горизонтальной оси, проходящей по контакту сегмента. После извлечения инвентарной штанги наголовник 11 оставляют на верхнем участке внутренней сваи 4 для дополнительной ее герметизации и фиксации на нижней части неизвлекаемой трубы-оболочки 1 во избежание ее выхода за пределы металлической трубы-оболочки 1 в процессе забоя в грунт. После извлечения инвентарной штанги опускают арматурный каркас, производят откачку воды, и бетонирование сваи. Подачу бетона, в отличие от известных аналогов, производят насухо, бетононасосом.
При забивке (погружении) за счет конусности внутренняя свая 4 перемещает кольцевые сегменты 5 от центра в радиальном направлении, с поворотом вокруг горизонтальной оси, проходящей по контакту кольцевого сегмента.
Заявленная конструкция трубобетонной сваи с усиленным основанием, благодаря введению внутренней сваи в сочетании с элементом уширения в виде кольцевых сегментов, позволяет существенно сократить материалоемкость, трудоемкость изготовления сваи, а также повысить технологичность и гарантировать качество конструкции.
Кроме того, уже в момент погружения внутренней сваи в основание скважины получают возможность мониторинга несущей способности сваи по грунту, благодаря зондирующему эффекту забивочных ударов, осуществляемых с помощью инвентарной штанги и гидромолотом.
Трубобетонную сваю с усиленным основанием сооружают следующим образом. Осуществив позиционирование по координатам, погружают неизвлекаемую металлическую трубу-оболочку с одновременным извлечением грунта. Затем осуществляют сброс укрепляющего элемента, состоящего из внутренней сваи 4 с забивным наконечником и элементов уширения, выполненных в виде четырех железобетонных кольцевых сегментов 5, в забой пробуренной скважины. Находящиеся в момент сброса в монтажном (то есть, сложенном) положении и объединенные временными проволочными связями с внутренней сваей 4, кольцевые сегменты 5 при ударе о грунт раскрываются и под воздействием ударной нагрузки образуют уширенную пяту с уплотнением грунта основания. Затем на верхнюю часть внутренней сваи 4 опускают гидравлический молот с инвентарной штангой 6, выполненной в виде металлической конструкции трубчатого сечения с наголовником сваи на нижнем конце. Производят забивку внутренней сваи. Следующим этапом является погружение арматурного каркаса, выполненного в виде металлических стержней, и откачка воды из забоя скважины. После этого производят бетонирование скважины бетононасосом с поверхности акватории или земли посредством виброуплотнения.
Использование заявляемого технического решения позволяет герметизировать полость скважины с последующим ее осушением и откачкой воды. В результате заполнение скважины бетоном можно осуществлять насухо, используя бетононасос.