СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛА СОПРЯЖЕНИЯ СВАИ С СУЩЕСТВУЮЩИМ ФУНДАМЕНТОМ ПРИ ЕГО УСИЛЕНИИ (ВАРИАНТЫ)
MANUFACTURING METHOD OF ASSEMBLY ATTACHING PILE TO AVAILABLE FOUNDATION AT ITS BEING REINFORCED (VERSIONS)

Изобретение относится к области геотехнического строительства, а именно к изготовлению узла сопряжения сваи усиления с фундаментом. Свая усиления, в зоне контакта с существующим ростверком, фундаментной плитой или с усиливаемым фундаментом, воспринимает максимальные нагрузки, включая изгибающие моменты, вертикальные и горизонтальные силы, что требует мероприятий повышенной ответственности при выполнении работ в этой зоне.
Известен способ изготовления сопряжения сваи усиления с фундаментом, включающий сверление в фундаменте отверстия и устройство сваи усиления через это отверстие. Для обеспечения совместной работы сваи и фундамента, длина заделки сваи в фундамент должна быть равной пяти диаметрам сваи [Рекомендации по применению буроинъекционных свай. - М.: НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, 1997, - 33 с. (п.4.6)].
Известный способ изготовления сопряжения сваи усиления с фундаментом обеспечивает надежную заделку и совместную работу сваи усиления и фундамента только при небольших диаметрах свай и нагрузках до 15-20 тс на сваю.
Однако при больших нагрузках на сваю невозможно обеспечить равнопрочную совместную работу сваи усиления с фундаментом, например, невозможно через узел сопряжения, выполненный по известному техническому решению, передать на сваю от железобетонной фундаментной плиты толщиной 700 мм вдавливающую нагрузку более 40 тс, которую способна передать в грунт свая диаметром 180 мм.
Наиболее близким к заявляемому способу является техническое решение сопряжения сваи усиления с фундаментом, включающее сверление в фундаменте отверстия и устройство сваи усиления через это отверстие. Для обеспечения надежной совместной работы сваи усиления и фундамента после установки арматурного каркаса и инъекции пементно-песчаного раствора, отверстие в фундаменте делают конусной формы [Полищук А.И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий. Томск: Нортхэмптон: 8ТТ, 2004, - 476 с. (с. 352, № схемы 14)].
Известный способ сопряжения сваи усиления и фундамента может обеспечивать надежную заделку и совместную работу сваи усиления и фундамента. Время придания отверстию конусной формы, расширяющейся к основанию плиты, после завершения операций по изготовлению сваи, теоретически выбрано правильно. Если отверстию придать конусную форму до начала работ по изготовлению сваи, то при бурении скважины все свободное пространство между буровым инструментом, например шнеком и конусообразной поверхностью отверстия, будет полностью запрессовано выбуренным грунтом, транспортируемым шнеком. Этот напрессованный грунт полностью удалить невозможно, в итоге такое конусное отверстие, изготовленное до проходки скважины, безусловно, ухудшит работу узла сопряжения сваи с плитой. Придать конусность отверстию после установки арматурных каркасов и инъекции цементно-песчаного раствора невозможно, т.к. наличие в узле сопряжения арматурного каркаса и цементного раствора не позволяют выполнить конусное уширение.
Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в предложении способа, позволяющего изготавливать надежный узел сопряжения сваи с существующим фундаментом (железобетонным ростверком или железобетонной плитой основания) при реконструкции зданий и усилении фундаментов, и получения при этом узла сопряжения, несущая способность которого равна несущей способности свае усиления.
Это достигается следующим образом.
В способе изготовления узла сопряжения сваи с существующим фундаментом при его усилении предусматривает сверление в фундаменте (железобетонном ростверке, фундаментной плите и т.п. элементах фундамента) отверстий, одно из которых сквозное - выполняют соосно продольной оси формируемой сваи усиления, другие, предпочтительно в виде кольцевых углублений, сверлят под углом к ней. Все отверстия начинают сверлить в пределах контура оголовка этой сваи и по мере углубления наклонных к свае отверстий выводят их за пределы диаметра оголовка сваи, предпочтительно, до половины диаметра наклонных отверстий так, что площадь поперечного сечения оголовка сваи в фундаменте увеличивается с увеличением глубины. При этом первыми выполняют кольцевые углубления, ориентированные под углом к оси сваи, оставляя неизвлеченными керны, заполняют полученное кольцевое углубление загустевающим легкоразрушаемым материалом, например, гипсовым раствором, после чего сверлят сквозное отверстие, соосное стволу сваи. Через это отверстие формируют сваю, удаляют остатки кернов из наклонных кольцевых углублений, сохранившиеся после их рассечения сквозным отверстием, зачищают стенки отверстий и углублений от следов гипсового раствора, армируют сваю и изготавливаемый узел сопряжения и замоноличивают его. Кольцевые углубления сверлят, преимущественно, до верхнего уровня нижних арматурных сеток фундамента, а после извлечения наклонных кернов оголяют арматурные стержни нижних сеток армирования фундамента в зоне их вскрытия после извлечения кернов. При этом узел сопряжения замоноличивают водонепроницаемым составом, а до замоноличивания узла сопряжения к свае усиления прикладывают предварительные вдавливающие нагрузки, создавая напряжения в грунте основания, нагрузки снимают после набора прочности материалом узла сопряжения, замоноличивают узел сопряжения материалом, увеличивающимся в объеме при его твердении. Кроме того, соосно основным отверстиям предварительно выполняют дополнительные сквозные отверстия диаметром, достаточным для размещения в них анкерных болтов, с помощью которых извлекают керны, углубляют отверстия ниже фундамента, заполняют твердеющим материалом, а после армирования сваи в наклонные отверстия, продольная ось которых сечет оголовок сваи, устанавливают анкерные стержни. При этом предварительно выполняют дополнительные сквозные отверстия, выходящие за пределы фундамента, пересекающие под углом продольную ось сваи, которые начинают сверлить в пределах или за пределами контура оголовка этой сваи, заполняют их твердеющим материалом, а после армирования сваи в эти наклонные отверстия устанавливают армирующие стержни, объединяя плиту и оголовки. После устройства кольцевых углублений и сквозного отверстия, до проходки скважины, погружают через это отверстие сквозь дренирующий слой трубу, заглубляют ее, по крайней мере, в кровлю слоя грунта, залегающего ниже дренирующего слоя. Затем проходят скважину, заполняют ее твердеющим материалом, а трубу, заглубленную в кровлю слоя грунта, подстилающего дренирующий слой, допогружают, освобождая стенки отверстия для контакта с твердеющим материалом, которым заполняют верхнюю часть формируемой сваи, после чего армируют узел сопряжения, включая сваю и уширения.
В качестве одного из вариантов реализации способа изготовления узла сопряжения сваи с существующим фундаментом при его усилении путем сверления в фундаменте или плите железобетонного ростверка сквозного отверстия соосного продольной оси сваи усиления, через которое формируют скважину с локальным уширением в зоне контакта с подошвой фундамента за счет обжатия окружающего грунта, причем уширения создают энергией электрических разрядов в бетонной смеси, причем обработку электрическими разрядами производят до снижения уровня бетонной смеси в устье скважины на величину не менее величины диаметра скважины, затем - до достижения «отказа», за который принимают понижение уровня бетонной смеси в устье скважины за последние пять разрядов не более 1 см.
Целесообразно при этом обеспечить экранирование устья скважины от выбрасываемой бетонной смеси.
При недостаточной несущей способности фундаментной плиты на действие сил продавливания, фундаментную плиту усиливают в зоне действия сил продавливания путем сверления с расчетным шагом отверстий, ориентированных по нормали к плоскости возможного развития трещин в плите от действия сил продавливания. Диаметр отверстий подбирают из условия погружения в них арматурных стержней с анкерными головками на концах. Заглубляют эти отверстия под плиту в грунт на глубину анкеровки арматуры, заполняют отверстия твердеющим материалом, арматурные стержни снабжают центраторами, после чего погружают их в отверстия.
Предложенный способ иллюстрируется чертежом, на котором:
на фиг.1 схематично представлен усиленный предлагаемым образом фундамент;
на фиг.2 - сечение по плите в зоне выполнения кольцевых углублений. Предложенный способ реализуют следующим образом. Выполняют, по крайней мере, одно кольцевое углубление (углубление, полученное колонковьм бурением), в усиливаемом фундаменте (в ростверке, в фундаментной плите или в любом другом подобном элементе существующего фундамента), которое располагают в месте сопряжения сваи усиления с фундаментом. При этом продольную ось кольцевого углубления располагают под углом к продольной оси сваи усиления. Останавливают выполнение кольцевого углубления в фундаментной железобетонной плите не доходя до нижнего армирования плиты, затем, не срывая и не извлекая образованного в кольцевом отверстии керна, заполняют полученный кольцевой канал загустевающим или твердеющим материалом, предпочтительно, гипсовым или алебастровым раствором. После загустевания этого материала выполняют в этом же месте фундаментной плиты сквозное отверстие, секущее кольцевые углубления (если их выполнено несколько), заполненные загустевшим материалом. Через это сквозное отверстие, по крайней мере, частично, извлекая грунт, формируют скважину, с последующим изготовлением в этой скважине сваи усиления, для чего заполняют скважину или ее часть твердеющим материалом, и спрессовывают грунт вокруг скважины. После рассечения сквозным отверстием неизвлеченных кернов, сформированных кольцевыми углублениями, после заполнения скважины пластичным твердеющим материалом, оставшиеся части этих кернов отделяют от фундаментной плиты, а их обломки удаляют из скважины с помощью предварительно установленной в скважине ниже подошвы фундаментной плиты ловушки, или погружают обломки кернов на дно скважины. В результате вокруг сквозного отверстия, в теле фундаментной плиты получаются уширения, расширяющиеся к низу плиты и выклинивающиеся (сужающиеся) к устью скважины. Эти уширения заполняют твердеющим материалом (пластичной бетонной смесью), из которого изготавливается свая, или другим твердеющим материалом, например, бетоном на быстротвердеющем цементе или на расширяющемся цементе. После затвердевания бетона обеспечивается высокая надежность узла сопряжения сваи с фундаментом, исключается возможность проскальзывания оголовка сваи в теле фундаментной плиты. Надежное сопряжение позволяет продолжать возведение здания, т.е. увеличивать нагрузку на усиливаемый фундамент, не опасаясь проскальзывания оголовка сваи в плите. Кроме того, для увеличения надежности сопряжения сваи усиления с фундаментной плитой, выполняют армирование сваи и узла сопряжения сваи с фундаментной плитой после удаления из тела плиты остатков наклонных кернов и оголения арматуры нижней сетки фундаментной плиты (при ее наличии). Оголяют нижние арматурные сетки, не перерезанные при сверлении наклонных к оси сваи кольцевых углублений, путем разрушения вертикальными ударами нижнего защитного слоя бетона плиты в основании кольцевого углубления. Обломки бетона разрушенного защитного слоя, с помощью предварительно установленной в скважине ниже подошвы фундаментной плиты ловушки, извлекают из скважины или погружают на ее дно. Для исключения повреждения пластовой дренажной системы, при ее функционировании под существующей фундаментной плитой, после устройства в плите кольцевых углублений и сквозного отверстия, до проходки скважины, через отверстие в плите погружают сквозь дренирующий слой трубу, заглубляют ее, по крайней мере, в кровлю слоя грунта, залегающего ниже дренирующего слоя. Перед срывом и удалением кернов трубу допогружают, освобождая стенки отверстия для контакта с твердеющим материалом, которым заполняют верхнюю часть формируемой сваи и узел сопряжения, включая уширения. Установленная труба позволяет защитить дренажную систему от фильтрации в нее бурового раствора при бурении и твердеющих материалов при устройстве сваи и узла сопряжения.
Для уменьшения осадок фундаментной плиты под действием нагрузки, верхняя часть ствола сваи, расположенная в защитной трубе, и конусная часть узла сопряжения могут быть заполнены материалом, увеличивающимся в объеме при наборе прочности, например, бетоном на расширяющемся цементе. Такие материалы, применяемые в строительстве, дают увеличение объема на 1…2%, что обеспечивает предварительное обжатие грунта основания сваей, уменьшив ее осадку на первые миллиметры.
Если фундаментная плита уже нагружена вышерасположенными конструкциями, до предела несущей способности по грунту, то может возникнуть необходимость включить сваю усиления в работу, не дожидаясь осадки плиты. Для этого создают предварительное обжатие грунта основания вдавливающей нагрузкой, прикладываемой к свае усиления, для чего сваю бетонируют до низа фундаментной плиты, а предварительное обжатие создают после набора бетоном сваи минимально требуемой прочности, прикладывая нагрузку к выступающему из бетона арматурному каркасу, для чего конструкция каркаса в верхней зоне выполняется усиленной. При этом, не снимая вдавливающей нагрузки, замоноличивают узел сопряжения сваи с плитой. Вдавливающая нагрузка, обжимающая сваю и грунт основания, снимается после набора материалом узла сопряжения достаточной прочности. Предварительное обжатие грунта и сваи усиления позволяет включить сваю усиления в работу, значительно снизив дополнительные осадки фундамента.
Количество кольцевых углублений и их пространственная ориентация в фундаменте диктуются нагрузками и схемой их приложения.
При проходке скважины грунт и буровой шлам, выносимые из скважины, контактируют со стенками отверстия в плите и не контактируют с наклонными поверхностями, защищенными неизвлеченными кернами от загрязнения транспортируемыми грунтом и шламом. При заполнении скважины бетонной смесью буровой шлам выжимается. Поверхность наклонных кольцевых отверстий, не подвергнутая загрязнению грунтом и шламом, после извлечения кернов обеспечивает надежный контакт сваи усиления с плитой не только за счет конусной формы отверстия, но и за счет сцепления бетона сваи с бетоном плиты. Образующееся сопряжение сваи усиления и плиты может быть заполнено высокопрочным твердеющим материалом, например высокомарочной бетонной или фибробетонной смесью, а также может быть установлена дополнительная арматура в узле сопряжения.
Для исключения фильтрации грунтовых вод через узел сопряжения этот узел может быть замоноличен водонепроницаемым материалом.
Как показали теоретические исследования и экспериментальные работы, для облегчения извлечения наклонно расположенного керна, целесообразно после окончания сверления кольцевого наклонного углубления заблаговременно просверлить в предполагаемом керне отверстие, выходящее за контур отверстия, которое сверлится в плите после этого, на длину, достаточную для крепления анкера. Для извлечения керна в этом отверстии размещают специальное захватывающее приспособление-анкер, например, анкерное устройство с клиновым зажимом. Когда керн сорван, его удобно извлекать с помощью установленного в нем анкерного устройства.
Таким образом, впервые предоставляется возможность с минимальными трудозатратами изготовить узел надежного сопряжения сваи усиления с фундаментной плитой, обеспечивающий высокую несущую способность, водонепроницаемость соединения и сохранность функционирующей дренажной системы под фундаментной плитой. Наклонные кольцевые углубления могут быть сориентированы в плоскости действия максимальных изгибающих моментов или поперечных сил, что обеспечивает существенное увеличение несущей способности узла сопряжения.
Дополнение известного способа изготовления узла сопряжения фундамента (ростверка, фундаментной плиты) со сваей усиления известными по отдельности операциями, в совокупности позволило получить сверхсуммарный технический эффект, а именно существенное увеличение несущей способности узла сопряжения сваи с плитой на действие вертикальных и горизонтальных сил, а также больших изгибающих моментов.
Например, при строительстве 10 этажного дома строительной организацией было принято решение надстроить 7 этажей, при условии, что уже было возведено 6 этажей. Давление под фундаментной плитой после надстройки превышает несущую способность грунта основания, а армирование фундаментной плиты недостаточно. Для усиления фундамента было предусмотрено устройство свай диаметром 150 мм длиной 9 м, при этом сваи должны включаться в работу через 3…4 дня после изготовления, поэтому узел сопряжения сваи с фундаментной плитой толщиной 700 мм уже в раннем возрасте твердения бетона должен обеспечить надежное соединение сваи с плитой, без проскальзывания. Для надежного соединения свай с фундаментной плитой в ней сверлят кольцевые отверстия, наклонные к оси каждой сваи, при этом сверлить эти отверстия начинают в пределах контура отверстия для ствола каждой сваи. Образовавшийся кольцевой канал заливают гипсовым раствором для исключения попадания в кольцевой канал бурового шлама при устройстве отверстия в плите для стола сваи и проходке скважины, особенно с промывкой. Диаметр кольцевого отверстия не превышает диаметра сквозного отверстия для ствола сваи, которое сверлят после сверления кольцевого отверстия, до извлечения наклонных кернов. Через сквозное отверстие в плите выполненное для сваи осуществляют проходку скважины диаметром 150 мм до проектной глубины, заполняют скважину мелкозернистой бетонной смесью (бетон класса не ниже ВЗО по прочности на сжатие, для уменьшения времени набора прочности бетоном сваи), извлекают керны из наклонных кольцевых отверстий. Если диаметр керна меньше диаметра ствола сваи, то извлекаемые керны можно «утопить» в скважине. Пост удаления из наклонной скважины керна, стенки отверстий очищают от следов гипсового раствора. Отверстие в плите заполняют через инъектор бетонной смесью, вымывая из скважины остатки бурового шлама, всплывшего грунта и других примесей. После этого в скважине монтируют арматурный каркас. Для ускорения твердения бетона в оголовке сваи, сопрягающегося с фундаментом, бетонную смесь в зоне контакта сваи с фундаментом замещают бетонной смесью на быстротвердеющем цементе или бетоном с добавками- ускорителями твердения. Бетонная смесь в оголовке сваи может быть приготовлена на расширяющемся цементе, увеличение бетона в объеме 1…2% позволяет обжать оголовок сваи. При необходимости исключения осадок свайного основания каждая свая до включения ее в состав свайно-плитного фундамента, обжимается, для чего сваю формируют до подошвы фундаментной плиты, включая бетонирование сваи и установку армокаркаса. В зоне узла сопряжения сваи с фундаментом бетонную смесь после установки арматурного каркаса удаляют (вымывают бетонную смесь вначале цементным молоком, затем водой). Арматурный каркас выше подошвы фундамента выполняют прочным, способным выдержать вдавливающую нагрузку, например 30 т, которой обжимают сваю после набора бетоном сваи достаточной прочности. В такой каркас упирают домкрат и вдавливают сваю, после чего бетонируют узел сопряжения сваи с фундаментом и после набора прочности бетоном узла сопряжения, удаляют домкрат. Эксперименты показали, что наиболее эффективное сопряжение сваи с фундаментом обеспечивается при устройстве с помощью электрических разрядов в бетонной смеси под подошвой фундамента специального уширения, на которое опирается фундамент в дополнение к силам сцепления бетона сваи с фундаментом по периметру отверстия в фундаменте. После заполнения скважины бетонной смесью, извлечения из нее заливочной колонны, обрабатывают электрическими разрядами зону контакта фундамент-грунт по следующей программе: мощность накапливаемой энергии не более 50-60 кДж. Длина кабеля от ГИТ до электродной системы не более 80 м (ВВР - 50м + КВИМ - 30 м), включая глубину сваи. Электродную систему опускают ниже подошвы фундаментной плиты и начинают обработку зоны контакта фундамент-грунт. Обработка производится до снижения уровня бетонной смеси в устье скважины не менее 16 см (2,8 л), затем до достижения «отказа», за «отказ» принимается понижение уровня бетонной смеси в устье скважины за последние 5 разрядов не более 1 см. Перед обработкой следует закрыть устье скважины листом с отверстием для прохода электродных штанг для уменьшения выбрасывания бетонной смеси в момент разрядов. Армирование сваи и узла сопряжения осуществляют после обработки.
Если существующая фундаментная плита не обеспечивает передачу на сваи усиления вертикальных нагрузок, т.е. плита не проходит по продавливанию, то вокруг сваи усиления с шагом 200 мм по нормали к плоскости, в которой прогнозируется образование и развитие трещин продавливания (вертикальные или наклонные по отношению к колонне или стене или к свае), сверлят отверстия диаметром 30…50 мм.
Заглубляют эти отверстия (скважины) в грунт ниже подошвы фундаментной плиты на 30…40 диаметров планируемых к установке в эти скважины арматурных стержней. Заполняют скважины мелкозернистым бетоном и устанавливают в них арматурные стержни. Для обеспечения правильного положения стержней в скважине они снабжены центраторами, а для увеличения степени анкеровки арматурных стержней в бетоне, на концах стержней устанавливают анкерные приспособления, например обжимные шайбы. Диаметр отверстий должен позволять беспрепятственное погружение арматурных стержней с анкерными приспособлениями на концах.
Таким образом, впервые предоставляется возможность с минимальными трудозатратами изготовить узел надежного сопряжения сваи усиления с фундаментной плитой, обеспечивающий высокую несущую способность, водонепроницаемость соединения и сохранность функционирующей дренажной системы под фундаментной плитой. Расположение наклонных кольцевых углублений в плоскости действия максимальных изгибающих моментов или поперечных сил обеспечивает существенное увеличение несущей способности узла сопряжения, а также значительное повышение несущей способности узла сопряжения сваи с плитой на действие вертикальных и горизонтальных сил, а также больших изгибающих моментов.