ОДНОСВАЙНО-ПЛИТНЫЙ ФУНДАМЕНТ
SINGLE-PILE-SLABBY FOUNDATION

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям фундаментостроения.
Известна полезная модель, направленная на сокращение материалоемкости и трудоемкости сооружения свайно-плитного фундамента под высотное здание за счет повышения несущей способности. Свайно-шгатный фундамент высотного здания включает фундаментную плиту и свайное поле, объединенное фундаментной плитой. Свайное поле образовано из буронабивных свай одной длины, расположенных по всей площади фундамента, а боковая поверхность свай центральной зоны свайного поля инъецирована цементным или полимерным, или полимерцементным раствором, при этом сваи центральной зоны имеют сопротивление по боковой поверхности больше, чем сваи периферийной зоны (см. Патент на полезную модель RU №141161 U1 МПК E02D 27/12 (2006.01) «Свайно-плитный фундамент высотного здания»; автор: Шулятьев О.А., Боков И.А.; заявка: 2013158039/03, 26.12.2013, опубликовано: 27.05.2014).
Недостатками известного свайно-плитного фундамента является то, что: фундаментная плита не включается в несущую способность основания фундамента на грунту; несущая способность основания фундамента по грунту обеспечивается только буронабивными сваями; жесткое сопряжение свай с плитой при действии горизонтальных сил и изгибающих моментов совместно с вертикальными нагрузками, передаваемыми надземными конструкциями, способствует проявлению горизонтальных перемещений плиты совместно со сваями и одновременно отклонению осей свай от вертикали с изгибом, что снижает их несущую способность; получается очень сложная расчетная схема усилий, действующих в плите, в сваях и в грунте основания.
Известен свайный фундамент со стаканным ростверком, состоящий из группы свай, монолитного железобетонного ростверка, жестко соединенного с головами свай и подколонником, расположенным выше ростверка фундамента и жестко соединенным с ним (см. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика / М.И. Горбунов-Посадов, В.А. Ильичев, В.И. Крутов и др. Под общ. ред. Е.А. Сорочана и Ю.Г. Трофименкова. - М.: Стройиздат, 1985. С. 183), принят за прототип.
Недостатком является то, что ростверк не учувствует в несущей способности свайного фундамента по грунту, вся нагрузка передается на сваи. Несущая способность каждой сваи в кусте свайного фундамента получается меньше несущей способности равноразмерной одиночной сваи в одинаковых грунтовых условиях. Наличие жесткого соединения сваи с ростверком при действии вертикальной осевой статической нагрузки, горизонтальной сдвигающей силы и изгибающего момента, передаваемых от наземных конструкций, обуславливает горизонтальное перемещение и одновременное отклонение осей свай от вертикали с изгибом, что при предельном состоянии грунтов их основания уменьшает несущую способность по боковым поверхностям стволов свай. Задавливание свай плитой в сторону действия изгибающего момента и выдергивание их с противоположной стороны приводит к развитию релаксации напряжений по боковым поверхностям и реологических процессов развития дополнительных осадок фундамента посредством ползучести грунтов его основания. Получается весьма сложная расчетная схема усилий, действующих в ростверке, в сваях и в грунте основания, поэтому расчетная схема фундамента получается сложной, а объективность методов расчета приблизительная.
Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известного свайного фундамента со стаканным ростверком, принятого за прототип, является то, что данный фундамент имеет значительную трудоемкость возведения; относительно низкую несущую способность на единицу объема материала; сложное взаимодействие ростверка со сваями и свай с грунтом в зависимости от совместно действующих вертикальной нагрузки, горизонтальной силы и изгибающего момента; не участие ростверка в контактном несущем взаимодействии с грунтом.
Сущность изобретения заключается в следующем:
- заявленное изобретение направленно на решение задачи - внедрение в строительное производство фундаментостроения зданий и сооружений односвайно-плитного фундамента, включающего в себя несущую одиночную буронабивную сваю соединенную в оголовке с несущей железобетонной плитой посредством полушарового шарнира;
- техническим результатом является осуществление новых условий взаимодействия несущей железобетонной фундаментной плиты с несущей одиночной сваей посредством полушарового шарнира, плиты и сваи с грунтом основания, скомпонованных в одну систему, что позволяет повысить рациональность конструктивной схемы, технико-экономическую эффективность и конкурентную способность односвайно-плитных фундаментов, расширить область их применения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения односвайно-плитного фундамента достигается тем, что:
- существенные признаки известного свайного фундамента со стаканным ростверком, принятого за прототип, включены в объект изобретения;
- фундамент состоит из несущей одиночной буронабивной сваи и несущей железобетонной плиты, свободно сопряженных по вертикальной оси фундамента в единый конструктив с помощью полушарового шарнира;
- оголовок сваи выполняется полусферической формы и покрывается слоем инертного материала толщиной до 5 мм, выполняющего роль «смазки» шарнира для возможности поворота железобетонной плиты при действии изгибающего момента относительно оголовка сваи и предельно допустимой деформации грунта под подошвой фундамента.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков, перечисленных выше, и вышеизложенным техническим результатом заключается в следующем:
- односвайно-плитный фундамент, состоящий из несущей одиночной буронабивной сваи с оголовком полусферической формы, покрытого слоем инертного материала толщиной до 5 мм, выполняющего роль «смазки» шарнира для возможности поворота несущей железобетонной плиты, позволяет осуществить новые условия взаимодействия между сваей и плитой, а также между сваей, плитой и грунтом с повышением рациональности конструктивной схемы, технико-экономической эффективности и конкурентной способности;
- совместная работа несущей одиночной буронабивной сваи и несущей железобетонной плиты на вертикальную нагрузку позволяет значительно уменьшить материалоемкость их конструкций и использовать физически максимальную способность основания. Вертикальная нагрузка распределяется между плитой и сваей по расчету, что обеспечивает рациональность конструктивной схемы, упрощает расчетную схему и методы расчета усилий и несущей способности грунта основания;
- восприятие железобетонной плитой горизонтальной нагрузки и передачи ее непосредственно на грунт основания в состоянии трения покоя по подошве исключает горизонтальное перемещение оголовка сваи и отклонение ее от вертикали, что обеспечивает предельную несущую способность боковой поверхности ствола сваи, повышает устойчивость фундамента в целом, его качество и надежность;
- введение полушарового шарнира обеспечивает работу:
- сваи только на вертикальную осевую нагрузку, что сохраняет ее наибольшую предельную несущую способность;
- плиты - на вертикальную нагрузку, на изгибающий момент и на горизонтальную силу, действующих в совокупности;
- применение свободного сопряжения оголовка сваи и плиты с помощью полушарового шарнира предохраняет от изгиба ось сваи и препятствует отклонению ее от вертикали при действии изгибающего момента;
- взаимодействие подошвы плиты с грунтом при действии горизонтальной нагрузки препятствует ее горизонтальному перемещению;
- с помощью шарнира обеспечивается полная передача изгибающего момента на грунт основания под подошвой плиты, что упрощает расчетную схему взаимодействующей системы;
- возможность достижения несущей способности основания односвайно-плитного фундамента свыше 10000 кН, простота и рациональность конструктивной схемы и методики расчета несущей способности его основания позволяют обеспечить широкое применение в областях высотного строительства, при глубинном конструктивном освоении подземного пространства, в случаях строительства в условиях плотной городской и исторической застройки за счет сокращения зоны напряженно-деформированного состояния грунтов основания в плане по сравнению с плитными фундаментами мелкого заложения.
На чертежах представлен перечень фигур: на фиг. 1 - общий вид односвайно-плитного фундамента; на фиг.2 - разрез А-А фиг. 1.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления объекта изобретения с получением вышеуказанного технического результата, характеризуются тем, что односвайно-плитный фундамент включает:
c
n
- одиночную буронабивную сваю 1, работающую на долю N вертикальной нагрузки N, шарнирно соединенную с железобетонной плитой 2, работающей на долю N вертикальной нагрузки N, на горизонтальную сдвигающую силу Н и на изгибающий момент М; оголовок сваи 3 выполнен полусферической формы радиусом R и покрыт инертным материалом 4 толщиной δ до 5 мм, что позволяет ему обеспечивать шарнирную связь при действии изгибающего момента М в качестве «смазки» при возможном предельно ограниченном повороте плиты;
п
0
0
0
0
1
- при действии вертикальной нагрузки N по подошве фундамента происходит равномерно-распределенное контактное давление Р, которое согласно закону Кулона при одновременном действии горизонтальной силы Н формирует напряжение касательного сопротивления τ=Р⋅tgϕ, где ϕ - угол внутреннего трения покоя грунта, состояние покоя плиты будет сохраняться при условии ϕ≥ϕ, где ϕ - угол внутреннего трения грунта при сдвиге по подошве фундамента;
max
min
пт
пт
п
- при одновременном воздействии изгибающего момента М в случае допустимого поворота плиты относительно шарнира под подошвой фундамента получается неравномерно-распределенная трапециевидная эпюра контактного давления 5 с крайними ординатами Р и P, в процессе осадки односвайно-плитного фундамента под подошвой плиты формируется грунтоуплотненный несущий пирамидальный тангенсоид 6 с действующими предельными нормативными напряжениями σ и равными им касательными напряжениями τ, по значениям которых определяется нагрузка N;
c
с
с
c
- в указанных взаимодействиях свая работает только на вертикальную нагрузку N, как центрально-сжатый стержень, под нижним плоским концом сваи формируется грунтоуплотненный тангенсоид вращения 7, по боковой поверхности ствола 8 сваи 1 также действуют расчетные нормативные напряжения σ и равные им касательные - τ, нагрузка на сваю N определяется как сумма несущей способности основания нижнего конца и боковой поверхности ствола сваи.
Заявленное изобретение предназначено для применения в строительстве односвайно-плитных фундаментов промышленных и гражданских зданий, сооружений. В настоящее время известны все средства и методы для осуществления заявленного изобретения.
Использование изобретения ведет к снижению материальных, трудовых и капитальных затрат на строительство свайно-плитных фундаментов зданий и сооружений путем их изготовления из одиночной буронабивной сваи, шарнирно соединенной с монолитной плитой. На основании новизны технических решений изобретения односвайно-плитного фундамента для строительства осуществляются новые условия взаимодействия между сваей и плитой, а также сваей, плитой и грунтом, повышающие рациональность конструкции, технико-экономическую эффективность, конкурентную способность и расширяющие область применения свайно-плитных фундаментов.