УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗДАНИЙ

Полезная модель относится к строительству, в частности к строительству фундаментов, и предназначена для усиления фундаментов существующих зданий и сооружений, остановки кренов аварийных зданий в условиях плотной городской застройки.
Известен способ усиления фундаментов впрессованными сваями "МЕГА", включающий разработку рабочего котлована ниже подошвы существующего фундамента и крепление стенок котлована путем размещения распределительного элемента на стойках под подошвой фундамента и поочередного нагружения элементов составной сваи вдавливанием в грунт при помощи домкратов, упирающихся в распределительный элемент, до заданной глубины (Ганичев Н.А. "Устройство искусственных оснований и фундаментов", М., Стройиздат, 1981, с. 218-227).
Недостатком данного способа является вдавливание свай при упоре домкрата в подошву усиливаемого фундамента, что требует проведения большого объема земляных работ под подошвой в стесненных условиях, часто в зоне подтопления подземными водами. Это усложняет производство работ, повышает трудоемкость и стоимость работ, а также ослабляет основание, что особенно актуально для фундаментов в аварийных ситуациях. Кроме этого, при данном способе трудно контролировать нагрузку для включения свай в работу, что бывает очень важным при остановке кренов аварийных зданий.
Также известен способ производства свай вдавливанием (РФ №2554368, опубликован 27.06.2015), включающий образование скважины без извлечения грунта путем вдавливания трубы с наконечником, диаметр которого превышает диаметр ствола трубы, для формирования зазора между стенкой скважины и стволом трубы, который заполняют раствором с замедлителем твердения.
Для изготовления свай этим способом используется вдавливающая установка, которую монтируют на поверхности ростверка. Установка содержит тяги, скрепленные траверсой, и смонтированный на траверсе гидроцилиндр, причем тяги жестко крепят на поверхности ростверка с отверстием для вдавливаемой сваи и обеспечивают строго горизонтальное положение траверсы и строго вертикальное положение домкрата. Перед началом вдавливания для создания напряжение вдавливания бурят лидерную скважину, после чего начинают вдавливание сваи.
Недостаток этого известного способа - довольно длительное время включения сваи в работу, т.к. реализация полной несущей способности сваи по грунту достигается только после твердения раствора с замедлителем твердения, а до затвердения раствора на сваю можно передать только нагрузку, эквивалентную сопротивлению острия сваи по грунту. Использование раствора без замедлителя твердения в голове сваи может выключить установку из цикла вдавливания не менее чем на 28 суток.
В способе усиления фундаментов существующих зданий и сооружений по патенту РФ на изобретение №2319809, опубликован 20.03.2008, в предварительно образованные отверстия в укрепляемом фундаменте устанавливают полые цилиндрические анкерные трубы с постоянным по длине диаметром внешней поверхности, которые закрепляют в отверстиях фундамента. Далее производят поочередное вдавливание свободно проходящих сквозь полости цилиндрических анкерных устройств элементов составных свай до заданной глубины. Для этого используют упорную конструкцию, содержащую гидродомкрат, при этом торец цилиндра гидродомкрата упирают в основание верхней плиты упорной конструкции, а шток домкрата устанавливают сверху на элемент составной сваи. Захват выступающей над верхней поверхностью фундамента части анкерного устройства производят с помощью шарнирного хомута в виде раскрывающегося по вертикали на две части цилиндра в рабочем положении, подпираемого снизу кольцом, связанным тягами с верхней плитой упорной конструкции. Закрепление головного элемента каждой сваи в отверстиях фундамента осуществляют посредством цементации затрубного пространства.
Недостатком этого способа является завершающая процедура закрепления головного элемента каждой сваи. Этот недостаток способа обусловлен недостатками системы закрепления и нагружения сваи используемого в нем устройства. Система нагружения сваи состоит из верхней распорной плиты и соединительных тяг (2 шт.) упорной конструкции, шарнирно соединенных с хомутом кольца обхвата верхней части анкерной трубы, и поэтому кинематически не устойчива, подвижна во всех направлениях. Такая конструкция требует центровки относительно оси сваи при вдавливании каждого элемента сваи, т.е. удлиняет цикл и отрицательно сказывается на качестве работ вследствие циклического эксцентриситета и неизбежного в этом случае наклона сваи относительно проектной оси. Кроме того такая установка создает опасность для рабочих в процессе вдавливания сваи.
При этом наличие только 2-х тяг ограничивает усилие вдавливания не более 40 тс и соответственно несущую способность сваи вдавливания по грунту, которая в этом случае не может превышать величины более 40 тс. Кроме этого узел захвата выступающей выше обреза фундамента анкерной трубы, представляющий собой шарнирный хомут, стянутый с помощью 2-х болтов, не сможет обеспечить воспринимаемое усилие вдавливания даже 40 тс. Так для болта с номинальным диаметром резьбы М24 для самого высокого класса прочности по ISO 89811-12.9 и коэффициента трения - 0,14 максимальная предельная нагрузка обжатия составит 29,7 тс. При 2-х болтах с учетом коэффициента сухого трения R=0,16 максимальное усилие анкеровки данным типом узла составит: N=2×29,7×0,16=9,5 тс, т.е. при усилии вдавливания более 9,5 тс хомут будет скользить по анкерной трубе и не обеспечит вдавливание сваи в грунт, т.е. достижения требуемого сопротивления, например 40 тс.
2
Кроме рассмотренных выше недостатков, данный способ имеет еще один очень существенный недостаток, который касается применения данного способа при усилении фундаментов аварийных зданий с активно развивающимся креном. В этом случае сразу после вдавливания сваи требуется мгновенно заставить сваю работать, создавая реактивную силу, препятствующую развитию крена. Для включения сваи в работу по данному способу требуется цементация зазора между сваей и анкерной трубой под расчетной нагрузкой, приложенной на голову сваи гидравлическим домкратом. При этом нагрузка должна выдерживаться с использованием системы вдавливания на весь период набора прочности цемента в зазоре между сваей и анкерной трубой. Так, даже для быстротвердеющих цементов по ГОСТ 10178-62 для набора требуемой прочности (250 мг/см) потребуется 3 суток, т.е. на весь этот период вдавливающая установка будет задействована на выдержке сваи под нагрузкой.
Указанные недостатки могут быть устранены путем совершенствования конструкции применяемого устройства.
Наиболее близким решением к предлагаемому способу является конструкция устройства, использованного в способе по патенту РФ №2382146, опубл. 20.02.2010 г. Устройство содержит верхнюю траверсу, на которой закреплен гидравлический домкрат и тяги, соединенные с узлом упора для фиксации положения сваи вдавливания, причем узел упора содержит головную траверсу, через отверстия в которой пропущены клеевые анкеры с резьбовыми шпильками, выполненными с возможностью закрепления в усиливаемом фундаменте и соединенными через втулки с тягами верхней траверсы.
Однако и это устройство не обеспечивает необходимой надежности и, следовательно, эффективности производства работ, который обусловлен недостатками системы закрепления и нагружения сваи.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности и надежности производства работ при усилении фундаментов существующих зданий и сооружений вдавливанием элементов составных свай в наскальные грунты.
Для достижения заявленного технического результата в устройстве для усиления фундаментов существующих зданий, содержащем верхнюю траверсу, на которой закреплен гидравлический домкрат и тяги, соединенные с узлом упора для фиксации положения сваи вдавливания, иначе выполнен узел упора. Узел упора содержит головную траверсу, через отверстия в которой пропущены три клеевых анкера с резьбовыми шпильками, выполненными с возможностью закрепления в усиливаемом фундаменте и с тремя тягами верхней траверсы, которые размещены в плане соосно свае по окружности под углом 120°.
шп
тр
г
Свободная длина анкерных шпилек определена из условия L≥S+Н+2Н;
где S - осадка сваи при расчетной нагрузке;
тр
Н - высота головной траверсы;
г
Н - высота гайки.
Введение головной траверсы позволяет вдавленную сваю включить в работу сразу после окончания процесса вдавливания. Использование клеевых анкеров с клеевыми шпильками, не менее 3 шт. на одну траверсу, и жесткое закрепление их в ремонтируемом фундаменте обеспечивает надежность и эффективность работы устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны:
фиг. 1 - общий вид устройства;
фиг. 2 - положение сваи при включении в работу сразу после погружения;
фиг. 3 (разрез 1-1 фиг. 1) - расположение в плане анкерных шпилек и монтажных тяг;
фиг. 4 (разрез 2-2 фиг. 2) - положение головной нагрузочной траверсы при включении сваи в работу.
Устройство содержит верхнюю плиту 2, на которой закреплены домкрат 3 и три тяги 4, которые размещены в плане под углом 120°. соосно отверстию 1 в фундаменте 12, через которое вдавливают сваю 5, Тяги 4 при помощи соединительных втулок 7 соединены с резьбовыми наконечниками шпилек 6 клеевых анкеров 14. Анкерные шпильки 6 закреплены в глухих отверстиях 13, выполненных в фундаменте соосно отверстию под сваю под углом 120°.
На шпильках 6 закреплена дополнительная головная траверса 10, которая опускается в конце процедуры вдавливания сваи на голову сваи.
шп
тр
г
тр
г
В процессе усиления фундаментов существующих зданий и сооружений устройство работает следующим образом. Сначала в теле фундамента 12 алмазным высокоскоростным бурением с промывкой водой сверлят сквозное отверстие 1 под сваю (обычно диаметром 300 мм) и глухие отверстия 13 (диаметром 46 мм) под клеевые анкера 14. Для устройства анкеров используют клей HILTI HIT RE 500, а в качестве шпильки 6 клеевого анкера 14 используют сталь ∅40 мм (материал ст.20) с резьбовым наконечником М36. Длина резьбового наконечника определяется из условия L≥S+Н+2Н, где S - осадка одиночной сваи при расчетной нагрузке при испытаниях, Н - высота траверсы; Н - высота гайки.
Несущая способность одиночного анкера при статических испытаниях составляет 300 kH, что позволяет иметь допустимую нагрузку на анкер - 250 kH при следующих параметрах анкера:
- бетон фундамента - кл. В20;
- длина заделки анкера в тело фундамента - 60 см;
- диаметр анкерной шпильки - ∅40 мм;
- сталь шпильки - ст.20.
Такое анкерное устройство в комбинации из 3-х анкеров обеспечивает вдавливающую нагрузочную силу на сваю 5 в пределах от 750 kH до 900 kH, что существенно превышает возможности устройства, используемого в прототипе.
Минимальное количество анкеров для вдавливания 3 шт. обеспечивает устойчивость упорной конструкции и ее кинематическую неподвижность в процессе вдавливания сваи. Количество анкеров для закрепления головной траверсы 10 при одинаковых параметрах с анкерами для вдавливания, должно быть также 3 шт, т.е. минимальное количество анкеров для достижения заявленного технического результата должно быть не менее 6 шт.
Упорную конструкцию при готовности анкерного устройства собирают при помощи соединительных втулок 7, которые соединяют резьбовые наконечники анкерных шпилек 6 с тягами 4. Для вдавливания свай минимально используются 3 тяги, которые размещены в плане соосно свае под углом 120°. После монтажа тяг 4 контрольные гайки 15 выводят в горизонтальную плоскость и на них монтируют упорную конструкцию в виде верхней плиты (траверсы) 2 с гидроцилиндром 3, проверяют вертикальность тяг 4 и горизонтальность траверсы 2 при помощи уровня, после чего затягивают силовые гайки 16 поверх траверсы 2. В отверстие 1 фундамента 12 опускают первый элемент сваи 5 с наконечником и при помощи гидроцилиндра 3 вдавливают первый элемент сваи. Поверх его устанавливают 2-ой элемент, стыковку элементов сваи выполняют электросваркой. Элементы сваи устанавливают до достижения расчетной несущей способности сваи по грунту, которую определяют по общему сопротивлению сваи при известном давлении масла в системе при достижении требуемого усилия. Для вдавливания используют железобетонные, трубобетонные или металлические элементы сваи.
На финише вдавливания стараются погрузить сваю таким образом, чтобы обеспечить уступ между верхней плоскостью фундамента и головой сваи величиной не менее осадки под расчетную нагрузку. Далее на голову сваи устанавливают головную траверсу 10, которую монтируют через имеющиеся по количеству анкеров 6 отверстий в траверсе 10 на голову сваи 5, нагружают сваю при помощи домкрата 3 до достижения расчетной нагрузки, при этом головную траверсу 10 фиксируют в рабочем положении натяжением гаек не менее 2-х шт на шпильку.
Предлагаемое устройство по завершении перечисленных выше технологических операций позволяет мгновенно включить сваю в работу, т.е. принять на себя давление здания, что является особенно актуальным в аварийных ситуациях при прогрессирующем крене здания. Так, благодаря применению предлагаемого устройства удалось остановить крен 30-ти этажного трехсекционного жилого дома при его смещении от вертикали на 750 мм с ежедневным приращением 5 мм. За 1 месяц была вдавлена 21 свая и каждая включена на сопротивление 100 тс, в результате крен здания бы остановлен.
Таким образом, предлагаемое устройство благодаря возможности регулировки нагрузки на сваю в процессе реконструкции здания позволяет исключить полностью влияние производства работ по устройству свай на соседние здания.
Применение предлагаемого устройства для усиления фундаментов обеспечивает высокую эффективность, надежность, технологичность и безопасность проведения работ и может использоваться не только при ликвидации аварийных ситуаций в жилищном строительстве, но и при реконструкции старого жилого фонда, когда в условиях стесненного строительства необходимо сохранить примыкающие к реконструируемому здания, С помощью предлагаемой безосадочной технологии строительства в г. Санкт-Петербурге было построено 12 объектов.
Исходя из практического опыта в аварийных ситуациях, в случае развития деформаций крена, для остановки крена предлагаемый способ применялся как для свайных фундаментов, так и для фундаментов мелкого заложения в виде сплошной плиты.