Результат интеллектуальной деятельности: Забивная антикоррозийная сейсмостойкая свая

Изобретение относится к области строительства преимущественно в условиях вечной мерзлоты и увлажненного подвергающего сейсмическому воздействию грунта, а также может быть использовано для погружения сборных железобетонных свай сплошного сечения в грунт способом забивки.

Известна забивная свая (см. патент РФ №2082851, МПК Е02D 5/54, опубл. 27.06.1997), включающая ствол с раздвигающейся нижней частью и размещенным внутри последней клиновидным элементом, очертания которого повторяют внутренние очертания нижней части ствола на фиксирующие штыри. Недостатком является низкая эксплуатационная надежность при воздействии вибрационных колебаний грунта, например землетрясения, когда сейсмические волны беспрепятственно перемещаются снизу вверх по наружной поверхности сваи, что приводит к разрушению не только самой сваи, но и конструкций сооружений, контактирующих с ней.

Известна забивная сейсмостойкая свая (см. патент РФ №2568462, МПК Е02D 5/54, опубл. 20.11.15. №32), включающая ствол с раздвигающейся нижней частью и размещенным внутри последней клиновидным элементом, очертания которого повторяют внутренние очертания нижней части ствола, причем нижняя раздвигающаяся часть ствола выполнена с тремя парами треугольных пазов на поверхности и расположенными в их зоне дополнительными хомутами и арматурными сетками, причем клиновидный элемент выполнен с нижней частью в виде четырехугольной пирамиды и снабжен двумя фиксирующими штырями на закладной детали в верхней части острия, а нижняя часть ствола снабжена трубками, надеваемыми на фиксирующие штыри, причем на внешней поверхности ствола выполнены количеством не менее четырех криволинейные канавки в виде синусоид, продольно вытянутых от нижней раздвигающейся части в верх ствола, полости которых являются концентратами перемещающихся сейсмических колебаний, причем участки наибольшего сближения попарно расположенных криволинейных канавок составляют узлы, вызывающие образование поперечных стоячих волн.

Недостатком является снижение эксплуатационной надежности при длительном нахождении нижней части ствола сваи во влажном грунте и, особенно, в условиях вечной мерзлоты и подвергающемся сейсмическому воздействию, когда на поверхности металлических фиксирующих штырей закладной детали клиновидного элемента наблюдается интенсивное коррозийное разрушение, приводящее к последующему неустойчивому положению сваи.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание надежностных параметров длительной эксплуатации зданий и сооружений, расположенных в климатических зонах вечной мерзлоты и/или увлажненного грунта, особенно с сейсмическими воздействиями, интенсифицирующими коррозийное разрушение металлических фиксирующих штырей.

Технический результат достигается тем, что забивная сейсмостойкая свая, включающая ствол с раздвигающейся нижней частью и размещенным внутри последней клиновидным элементом, очертания которого повторяют внутренние очертания нижней части ствола, причем нижняя раздвигающаяся часть ствола выполнена с тремя парами треугольных пазов на поверхности и расположенными в их зоне дополнительными хомутами и арматурными сетками, причем клиновидный элемент выполнен с нижней частью в виде четырехугольной пирамиды и снабжен двумя фиксирующими штырями на закладной детали в верхней части острия, а нижняя часть ствола снабжена трубками, надеваемыми на фиксирующие штыри, причем на внешней поверхности ствола выполнены количеством не менее четырех криволинейные канавки в виде синусоид, продольно вытянутых от нижней раздвигающейся части в верх ствола, полости которых являются концентратами перемещающихся сейсмических колебаний, причем участки наибольшего сближения попарно расположенных криволинейных канавок составляют узлы, вызывающие образование поперечных стоячих волн, при этом наружная поверхность фиксирующих штырей покрыта оксидом тантола, выполненным в виде стеклоподобной наноподобной пленки.

На фиг. 1 изображена свая, продольный разрез сваи в грунте до момента отказа; на фиг. 2 – продольный разрез сваи после забивки; на фиг. 3 – поперечный разрез нижнего конца сваи, на фиг 4 – фиксирующий штырь с нарушенной поверхностью, покрытый оксидом тантола в виде стеклоподобной нанообразной пленки.

Забивная свая включает полнотелый железобетонный ствол 1 с раздвигающейся нижней частью и размещенным внутри нее клиновидным элементом 2. В верхней части острия клиновидного элемента имеется закладная деталь с приваренными к ней двумя металлическими фиксирующими штырями 3 по концам. Нижняя часть клиновидного элемента имеет форму четырехугольной пирамиды, аналогичной острию типовой железобетонной сваи сплошного сечения, облегчающему забивку сваи в грунт. Нижняя часть ствола сваи по формуле повторяет верхнюю часть клиновидного элемента с углом выемки, равным углу клина. Для фиксации ствола сваи относительного элемента и обеспечения их совместной работы при забивке нижняя часть ствола снабжена трубками 4, надеваемыми на фиксирующие штыри 3. Для создания концентрации напряжения в местах будущего разреза нижняя раздвигающаяся часть ствола выполнена с тремя парами треугольных пазов 5 и 6, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для обеспечения сохранности раздвигающейся нижней части ствола при забивке до момента отказа в месте выемки расположены арматурные сетки косвенного армирования 7. Для предотвращения развития трещин в бетоне в момент разрезания в зоне треугольных пазов расположены сетки косвенного армирования 8 и хомуты 9. На внешней поверхности 10 ствола 1 выполнены количеством не менее четырех криволинейные канавки 11 в виде синусоид, продольно вытянутых от косвенного армирования нижней раздвигающейся части в верх ствола 1. Полости 12 криволинейных канавок 11 являются концентратами перемещающихся сейсмических колебаний, а места наибольшего сближения попарно расположенных криволинейных канавок 11 составляют узлы 13, вызывающие образование стоячих волн 14.

Прогрессирующее в настоящее время строительство в заполярье с вечной мерзлотой и на грунтах с повышенной влажностью приводит к наблюдаемому снижению нормативных сроков эксплуатации зданий и сооружений из-за снижения надежности сваи вследствие коррозийного разрушения ее металлических элементов, особенно фиксирующих штырей 3/13, обеспечивающих устойчивость конструкции. В связи с тем, что вначале клиновидный элемент 2 опускают в предварительно подготовленную в грунте с повышенной влажностью лунку, мелкодисперсные каплеобразные частицы жидкости и каплеобразная влага насыщенного окружающего лунку атмосферного воздуха налипают на внутреннюю поверхность трубок 4 и по мере опускания ствола 1 сваи до непосредственного соприкосновения переходят на внешнюю поверхность 15 штырей 3, образуя «пятна гибкости» с последующим коррозионным разрушением материала. В результате покрытия внешней поверхности 15 штырей 3 трубками 4 сконденсируются из воздуха окружающей среды влага и мелкодисперсные частицы жидкости лунки увлажненного грунта в изолированной адиабатной системе без теплообмена с окружающей средой, вследствие чего наблюдается интенсификация коррозийного разрушения металлического фиксирующего штыря 3 (см., например, стр. 294. В.П. Исаченко и др. Теплопередача – М.: Энергоатомиздат, 1981 – 416 с. ил.) с последующим аварийным разрушением здания или сооружения.

Кроме того, если дополнительно осуществлено сейсмическое воздействие на клиновидный элемент 2 с последующим переходом на ствол 1, то фиксирующие штыри 3, вибрируя, перемещаются в трубках 4, вызывая появление теплоты трения, способствующей возрастанию скорости коррозионного разрушения.

При покрытии наружной поверхности 15 штырей 3 оксидом тантола в виде стеклоподобной нанообразной пленки 16 сконденсирующаяся из воздуха окружающей среды и мелкодисперсных частиц влага увлажненного грунта не накапливается на наружной поверхности 15 штырей 3, а при вхождении штырей 3 в трубки 4 скользит по стеклоподобной нанообразной пленке (см., например, Литвинова В.А., Саврук Е.Н., Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом// Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике.» - Томск: ТСХИ НГАУ. – Вып. 12-2010 - с. 299-301) и выбрасывается в окружающую среду. В результате не происходит коррозионное разрушение материала фиксирующих штырей 3 и сваи обеспечивают нормированные сроки эксплуатации зданий и сооружений в условиях размещения увлажненного грунта с сейсмическими воздействиями.

При наличии механического воздействия со сторон грунта, например, при землетрясении сейсмические волны перемещаются по внешней поверхности 10 ствола 1 забивной сваи к контактирующим с ней элементам здания и сооружения. В результате забивная свая со зданием или сооружением разрушаются. При выполнении криволинейных канавок 11 в виде синусоид, продольно вытянутых по внешней поверхности 10 ствола 1, сейсмические волны перемещаются от косвенного армирования 8 раздвигающейся нижней части снизу вверх, преимущественно концентрируясь в полостях 12, таких как выемки железобетонных свай, из-за перераспределения напряжений, обусловленных уменьшением поперечного сечения конструкции. Расположение криволинейных канавок 11 на внешней поверхности 10 ствола 1 в виде продольно вытянутых синусоид приводит к наличию участков наибольшего их сближения для попарно находящихся рядом полостей 12 с концентрированными сейсмическими волнами, то есть создаются узлы 13, вызывающие образование стоячих волн (см., например, Ландау Л. Д., Лившиц Е. Н. Теоретическая физика, 1986, 836 с., ил.), перпендикулярно распространяющихся с одинаковой частотой под действием вибрации.

В результате того, что на пути продольно перемещающихся сейсмических волн снизу вверх по внешней поверхности 10 ствола 1 находятся узлы 13, способствующие образованию стоячих поперечных волн, наблюдается частичное гашение вибрационных воздействий на забивную сваю и соответственно на контактирующие с ней элементы здания и сооружения в виде фундамента или опор. При размещении забивной сваи клиновидный элемент 2 опускают в предварительно подготовленную в грунте лунку так, чтобы вся нижняя часть его погрузилась. На острие элемента опускают ствол 1 сваи до их непосредственного соприкосновения, при этом фиксирующие штыри 3 входят в трубки 4. Затем производится забивка сваи ударным механизмом в соответствие с типовой технологической картой на забивку сборных железобетонных свай квадратного или прямоугольного сечения. После получения отказа фиксируется положение сваи относительно уровня земли и от этого уровня на свае откладывается вверх расстояние "1", учитывающее необходимый угол раздвижения нижней части сваи. Благодаря увеличению ударной нагрузки поперечные сетки 7 не выдержат концентрации напряжения, что приведет к их разрыву. Это немедленно повлечет за собой образование трещин в вертикальных 6 и горизонтальных 5 пазах. Благодаря наличию поперечных сеток 8 и хомутов 9 трещины будут раздвигаться только в пределах пазов. Под воздействием нагрузки нижняя часть ствола будет раздвигаться, образуя две лопасти, стремящиеся к переходу от вертикального положения к горизонтальному. Окончательное положение, которое займут лопасти, будет зависеть от величины "1" погружения сваи в грунт при забивке сверх отказа.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что покрытие нагруженной поверхности фиксирующих штырей оксидом тантала в виде стеклообразной наноподобной пленки устраняет интенсификацию коррозийного разрушения металлического элемента сваи, что сохраняет её устойчивое положение даже при размещении в увлажненном грунте и сейсмических воздействиях, а это обеспечивает поддержание нормируемых сроков эксплуатации зданий и сооружений.