СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ СВАЙНОГО ВИНТОЛОПАСТНОГО ФУНДАМЕНТА СООРУЖЕНИЯ И ЕГО УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области строительства свайных фундаментов малоэтажных сооружений, возводимых на малопрочных грунтовых основаниях.

Известен способ сооружения свайного винтолопастного фундамента малоэтажного жилого здания на грунтах с низкой несущей способностью, заключающийся в том, что производят на участке строительства инженерные изыскания по глубине h грунтового основания с определением толщины верхнего слоя слабого основания и установления физических параметров подстилающего слабое основание более прочного грунта: угла φ_стр внутреннего трения, с_стр - структурного удельного сцепления, γ_стр - удельного веса, на глубину до отказа в подстилающее слабый грунт основание завинчивают рабочий наконечник винтолопастного свайного фундамента путем его наращивания по высоте из стыкуемых в колонну толстостенных труб, внутреннюю полость труб колонны и наконечника заливают цементным раствором или бетоном и устанавливают ростверк, при этом диаметр D винтовой лопасти наконечника и шаг t ее навивки выполнены постоянными по высоте наконечника, а диаметр лопасти подбирают с площадью ее опорной поверхности, обеспечивающей безопасное начальное (первое) критическое давление и соответствующее нормативное сопротивление грунта на подстилающий слабое основание прочный грунт, где р_Ф - давление под лопастью сваи от сооружения [1].

Недостатком известного способа сооружения свайного винтолопастного фундамента является трудоемкость его завинчивания на глубину, например, промерзающего слабого грунтового основания из-за большого сопротивления грунта резанию длинными лобовыми кромками лопасти сваи и большого трения грунта о ее боковую поверхность. До сих пор в «Механике грунтов» не установлено истинное значение начального (первого) критического давления , безопасное для грунтового основания под фундаментом сооружения.

Известно выражение Н.П. Пузыревского для предельно критического давления разрушения грунта под краями фундамента, поэтому для свайных винтолопастных фундаментов различного диаметра D для разновидностей грунтов опытным путем определяют несущую способность испытываемых разновидностей грунтовых оснований.

Известен способ сооружения свайного винтолопастного фундамента, заключающийся в том, что проводят инженерные изыскания грунтового основания фундамента сооружения, определяют по глубине h активной сжимаемой толщи величину φ_стр и с_стр - угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта ненарушенной структуры, γ_стр - удельный вес грунта, наконечник сваи изготавливают с увеличивающимся по его высоте диаметром D-varir прямой в поперечном сечении винтовой лопасти с постоянным шагом t, свайный наконечник завинчивают в грунтовое основание путем вращения и поступательного погружения на шаг t за один оборот в массив грунта на проектную глубину и далее до отказа, по мере погружения винтолопастного наконечника в грунт его наращивают колонной стыкуемых по высоте толстостенных труб, колонну труб после погружения в грунт наконечника заливают цементным раствором или бетоном, верхний конец труб закрывают ростверком, при этом максимальный диаметр D_max винтовой лопасти наконечника принимают с размером площади опорной поверхности верхнего витка, обеспечивающим начальное (первое) критическое давление на грунт и соответствующее нормативное сопротивление грунта на подстилающий слабое основание прочный грунт, где р_Ф - давление под лопастью сваи от сооружения, а несущую способность винтолопастной сваи в соответствии с таблицей (таблица 1).

В предлагаемом способе сооружения свайного фундамента его несущую способность определяют опытным путем из-за низкой точности определения нормативного сопротивления R грунта под лопастью сваи и несоответствия опытных данных расчетному начальному критическому давлению [3], за которое ошибочно принимают предельно критическое давление под краями винтовой лопасти, соответствующее пятому провально разрушающему фазововому напряженно-деформированному состоянию среды [4].

Погружение винтолопастных свай вручную до отказа в грунт может происходить до глубины менее 1,5…2,0 м, не превышающее величину h>с_стр/γ_стр, когда грунт в массиве находится в состоянии растяжения, в связи с чем происходит явление выдавливания сваи из основания, ошибочно объясняемое либо морозным выдавливанием сваи из основания, либо набуханием грунта из-за большой влажности. Эпюры контактных напряжений под прямыми в поперечном сечении лопастями сваи крайне неравномерны при начальном (первом) критическом давлении и достигают своих пиков в зоне сдвиговых деформаций на ½ радиуса витка сваи, из-за чего рабочая опорная площадь сваи сокращается вдвое.

С целью достижения равномерного распределения давления под винтолопастным свайным фундаментом и повышения его несущей способности и вдвое устойчивости предлагается новый способ сооружения свайного фундамента.

Технический результат по способу сооружения свайного винтолопастного фундамента, заключающемуся в том, что проводят инженерные изыскания грунтового основания фундамента сооружения, определяют на глубине h активной сжимаемой толщи величину φ_стр и с_стр - угла внутреннего трения и удельного сцепления грунта ненарушенной структуры, γ_стр - удельный вес грунта, наконечник сваи с увеличивающимся по его высоте диаметром D-varir винтовой лопасти с постоянным шагом t завинчивают в грунтовое основание путем вращения и поступательного погружения на шаг t за один оборот в массив грунта на проектную глубину и далее до отказа, но по мере погружения винтолопастного наконечника в грунт его наращивают колонной стыкуемых по высоте толстостенных труб, колонну труб после погружения в грунт наконечника заливают цементным раствором или бетоном, верхний конец труб закрывают ростверком, при этом наибольший диаметр D_max верхнего витка винтовой лопасти принимают обеспечивающим безопасное первое (начальное) критическое давление на грунт , где р_Ф - давление под свайным фундаментом от сооружения, достигается тем, что наконечник свайного фундамента изготавливают с выпуклой полусферической опорной поверхностью винтовой лопасти с углом полуконтакта витков с сжимаемым грунтовым основанием φ_к=φ_н=arcsin[2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр)]-φ_стр, где φ_н и φ_стр - углы внутреннего трения грунта нарушенной и ненарушенной структуры, наконечник сваи с винтовой лопастью погружают в массив грунта с дневной поверхности на глубину h≥с_стр/γ_стр, а максимальный диаметр верхнего витка винтовой лопасти сваи принимают обеспечивающей опорную полусферическую площадь контакта с грунтом под давлением , где удельное сцепление грунта основания с нарушенной структурой с_н=с_стр[2-tgφ_н/tgφ_стр], с_стр - удельное сцепление структурированного грунта, р_б=(γ_стрh-с_стр)сепφ_стр - гравитационное (бытовое) давление грунта.

Полусферическая опорная поверхность винтолопастной сваи с углом φ_к=φ_н полуконтакта витков с грунтом, глубина погружения сваи h≥с_стр/γ_стр и величина безопасного для основания свайного фундамента начального критического давления получены на базе развития научного направления «Физики материального контактного взаимодействия» и установления границ пяти фазовых напряженно-деформированных состояний материальной среды, в том числе величины начального критического давления . При этом установлено, что величина давления под лопастью сваи становится равномерной при угле контакта полусферических лопастей сваи с грунтом φ_к=φ_н, а несущая способность лопастей сваи повышается на 20% при увеличении вдвое начальной критической устойчивости фундамента. Впервые учитывается явление природного растяжения по вертикали поверхностных слоев грунта на глубину h≤с_стр/γ_стр в массиве поверхностных слоев Земли в условиях гравитационного воздействия, а также установленная закономерность предельного состояния материальной среды с нарушенной структурой, существенно уточняющей закон Ш.Кулона.

Известно устройство свайного винтолопастного фундамента, состоящее из рабочего наконечника, выполненного из толстостенной трубы с коническим наконечником, на боковой поверхности которого приварена плоская в поперечном сечении винтовая лопасть с постоянным диаметром D-const и с постоянным шагом t по высоте наконечника, трубчатый наконечник выполнен стыкуемым с наращиваемой по высоте колонной толстостенных труб, заливаемых цементным раствором или бетоном, и с ростверком на верхнем конце колонны труб [1].

Прямые в поперечном сечении лопасти свайного фундамента работают под нагрузкой как плоский жесткий штамп с развитием при безопасном первом критическом давлении зон сдвиговых пластических деформаций грунта из-под ½ площади лопасти сваи за ее края с возможностью потери устойчивости основания и опрокидыванием мелкозавинченного в грунт ствола сваи под нагрузкой.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство свайного винтолопастного фундамента, состоящее из рабочего наконечника, выполненного из толстостенной трубы с коническим наконечником, на боковой поверхности которого приварена плоская в поперечном сечении винтовая лопасть с постоянным шагом t витков лопасти по высоте ствола наконечника и увеличивающимся диаметром D-varir винтовой лопасти по высоте наконечника, трубчатый наконечник выполнен стыкуемым с наращиваемой по высоте колонной толстостенных труб, заливаемых цементным раствором или бетоном, и с ростверком на верхнем конце колонны труб [2, 5].

Прямые в поперечном сечении лопасти винтовых свай обладают низкой несущей способностью из-за малой начальной критической способности сваи ввиду развития от краев под ½D диаметра лопасти зон сдвиговых пластических деформаций плотного подстилающего слоя грунта с возможной потерей начальной устойчивости основания и опрокидыванием свайного фундамента.

Технический результат по устройству свайного винтолопастного фундамента, состоящего из трубчатого металлического наконечника сваи с увеличивающимся по высоте диаметром D-varir винтовой лопасти с постоянным шагом t, набора стыкуемых с наконечником секций толстостенных труб, цементного раствора или бетона для заливки полости стыкуемых труб, ростверка, достигается тем, что винтовые лопасти рабочего наконечника выполнены с выпуклой полусферической опорной поверхностью с углом полуконтакта витков с сжимаемым грунтовым основанием φ_к=φ_н=arcsin[2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр)]-φ_стр, где φ_н и φ_стр - углы внутреннего трения грунта нарушенной и ненарушенной структуры.

Угол полуконтакта опорной поверхности лопасти винтовой сваи, равный углу внутреннего трения грунта нарушенной структуры под лопастью сваи φ_к=φ_н, позволяет эпюру контактных напряжений сделать равномерной и при давлении сделать безопасной без развития под лопастью линий сдвиговых (пластических) деформаций. Высокую несущую способность предложенной сваи обеспечивает вся опорная полусферическая поверхность лопастей, в то время как прямые в поперечном сечении лопасти работают на 50%, когда линии сдвиговых деформаций развиваются при давлении из-под ½ радиуса лопасти сваи. Вдвое повышается и устойчивость основания под сферической поверхностью лопасти сваи.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлен общий вид конструкции свайного винтолопастного фундамента (одиночная свая) с винтовой лопастью рабочего наконечника полусферической формы; на фиг.2 - поперечный разрез A-A свайного винтолопастного наконечника с эпюрой контактного начального (первого) критического давления под полусферической в поперечном сечении винтовой лопастью свайного фундамента; на фиг.3 - эпюры контактного начального (первого) критического давления с центральной зоной (D^max/2) упругих и краевой зоной сдвиговых пластических деформаций под прямой в поперечном сечении винтовой лопастью известного свайного фундамента.

Свайный винтолопастной фундамент сооружения состоит (фиг.1) из трубчатого металлического наконечника 1 сваи с увеличивающимся по высоте диаметром D-varir винтовой лопасти 2 с постоянным шагом t, набора стыкуемых с наконечником секций труб 3, цементного раствора или бетона (не показаны). Винтовая лопасть 2 рабочего наконечника 1 выполнена с выпуклой полусферической опорной поверхностью радиусом R_сф с углом полуконтакта витков с сжимаемым грунтовым основанием φ_к=φ_н=arcsin[2sinφ_стр/1+sin²φ_стр)]-φ_стр, где φ_н и φ_стр - углы внутреннего трения грунта нарушенной и ненарушенной структуры.

Сооружение свайного винтолопастного фундамента производят следующим образом. Проводят инженерные изыскания грунтового основания под фундамент сооружения с определением по глубине активной сжимаемой толщи грунта величины φ_стр и с_стр - его угла внутреннего трения и удельного сцепления ненарушенной структуры, γ_стр - удельный вес грунта. Рассчитывают глубину погружения свайного фундамента h≥с_стр/γ_стр и максимальный диаметр D_max верхнего витка винтовой лопасти сваи, обеспечивающей опорную полусферическую площадь контакта с грунтом под расчетным начальным (первым) критическим давлением , где удельное сцепление с_н=с_стр[2-tgφ_н/tgφ_стр] грунта с нарушенной структурой, р_б=(γ_стрh-с_стр)ctgφ_{стр -} гравитационное (бытовое) давление. Винтолопастные сваи с отобранным диаметром D_max завинчивают в грунт на проектную глубину h и далее до отказа путем последовательного наращивания наконечником 1 секциями толстостенных полых труб 3. После погружения сваи в грунт внутреннюю полость 4 наконечника 1 и секций труб 3 заливают цементным раствором или бетоном, после установки ростверков свайного фундамента производят обвязку фундамента и возведение сооружения.

Предлагаемый способ сооружения свайного винтолопастного фундамента позволяет вдвое повысить его устойчивость, когда эпюры контактных напряжений под полусферическими лопастями сваи становятся равномерными, в отличие от известных прямобочных лопастей (фиг.3), где пики контактных напряжений приходятся на ½ радиуса витков винтовой лопасти и возможно опрокидывание ствола сваи в одну из сторон при превышении давления сверх .

Пример реализации способа. Торф, осушенный с поверхности, залегает на глубину 1,0 м и подстилается суглинком до 3 м, удельный вес суглинка , удельное сцепление , угол внутреннего трения , для торфа - , , .

Проектная глубина погружения винтолопастной сваи . Таким образом наконечник сваи следует завинчивать на глубину 1,0 м, проходя слой торфа, и далее до отказа в суглинок, например, на 2,0 м от поверхности основания. На глубине h=2,0 м бытовое давление составляет величину

. Начальное (первое) критическое давление суглинка , где ,

.

При диаметре винтолопастной сваи D_max=30 см площадь плоской опорной поверхности F_пл=πD²/4=706,86 см², а допускаемая нагрузка на сваю составляет . Зная вес N=7749 кг сооружения, легко определить необходимое минимальное количество свай n_min=N/P=7749/30=18 шт. Применение полусферической поверхности лопастей свай: при D_max=30 см площадь ее опорной поверхности F_сф=2πR_сфh_c=2π42,2·2,75=729,2 см,

где R_сф=(D_max/2)sinφ_н=(30/2)sin20,°8196=42,2 см;

h_c=R_сф-(D_max/2)/tg20,°8196=42,2-39,45=2,75 см - высота сегмента, а допускаемая нагрузка на сваю равна . Несущая способность полусферической сваи повысилась на 3,15%, количество свай требуется 18 шт, однако устойчивость свайного фундамента увеличилась вдвое.

Полусферические винтолопастные сваи новой конструкции следует изготавливать и подбирать по заданному диаметру D_max и заданному углу ≈φ_н внутреннего трения грунта нарушенной структуры.

Источники информации

1. Метелюк Н.С., Шишко Г.Ф., Соловьева А.Б., Грузинцев В.В. Сваи и свайные фундаменты. - Киев, «Будивельник», 1977. - С.29-30.

2. Железков В.Н. Винтовые сваи в энергетических и других областях строительства - СПб.: Изд-во: дом «ПРАГМА», 2004 г. - 128 с.

3. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / Учебное пособие - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. - С.391-392.

4. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. ч.I: Несущая способность оснований сооружений. - Тверь, ТГТУ, «Золотая буква», 2004. - С.78, 80.

5. Патент РФ на полезную модель №93412 «Винтовая свая».