Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТА

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для усиления свайных фундаментов зданий и сооружений, возведенных в любых нескальных грунтах для недопущения развития дополнительных деформаций грунтового основания при увеличении нагрузок на фундаменты или ухудшении физико-механических характеристик грунтов.

Известен «Способ усиления свайного фундамента» (Патент РФ №2301302, МПК E02D 3/12, 20.06.2007 г), включающий увеличение несущей способности свай посредством смещения концов свай в противоположных направлениях относительно их первоначального положения, перпендикулярно осям свай. Смешение нижних концов свай производят посредством нагнетания через инъектор закрепляющего раствора в пространство между сваями выше их концов, при этом нагнетание ведут в два этапа. На первом этапе раствор нагнетают под давлением 0,1-0,2 МПа, а на втором этапе нагнетание производят под давлением свыше 2 МПа или путем нагнетания закрепляющего или инертного раствора через инъектор с теряемой оболочкой в пространство между сваями выше их концов для образования цилиндрического или сферического тела. После частичного твердения раствора инъектор извлекают из грунта.

Недостатком описанного способа является высокая трудоемкость при относительно низкой эффективности получаемого результата (повышение несущей способности свай только за счет трения по боковой поверхности при возможности лишь относительно малых смешений концов свай), а также развитие дополнительных деформаций грунтового основания за счет увеличения массы условного фундамента.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является «Способ повышения несущей способности висячих свай» (Патент РФ №2275470, МПК Е 02 D 27/34, Е 02 D 3/12, 27.04.2006 г.) (прототип), включающий подачу твердеющего раствора в грунт через расположенные с шагом 1,5-2,0 м инъекторы, находящиеся в межсвайном пространстве в основании свай под возрастающим давлением до образования в грунте полостей гидроразрыва радиусом 1,5-2,0 м вокруг каждого инъектора, а дальнейшую подачу осуществляют под постоянным давлением 2-10 атм., причем инъекторы погружают на 1-2,5 м глубже отметки погружения острия свай. При создании плитного фундамента на сваях инъекторы погружаются по всему свайному полю по сетке 1,5×1,5; 2×2; 2×3 м через металлические патрубки, вмонтированные в фундаментную плиту при ее создании. При увеличении несущей способности свай построенных сооружений установку инъекторов производят из подвала сооружения.

К недостаткам способа-прототипа относятся появление и развитие дополнительных деформаций грунтового основания усиливаемого свайного фундамента в процессе усиления за счет увеличения его веса (вследствие нагнетания раствора в межсвайное пространство) и возрастание давления на опорные слои грунта, практическая трудоемкость усиления свайных фундаментов, состоящих из большого количества свай, объединенных крупногабаритными ростверками, а также относительная сложность и дороговизна устройства полостей гидроразрыва за счет создания высоких давлений нагнетания твердеющего раствора.

Задачей заявляемого изобретения является создание возможности усиления свайных фундаментов путем недопущения появления и развития опасных деформаций грунтового основания на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи.

Поставленная задача решается тем что, в «Способе усиления свайного фундамента №2» на слабых дисперсных грунтах, включающем поэтапное нагнетание твердеющего раствора под давлением в зону грунтового массива под сваями через инъекторы погруженные на глубину, превышающую глубину погружения свай, причем инъекторы вводятся в грунт в пределах ростверка через образованные сквозные отверстия в фундаменте, согласно изобретению нагнетание твердеющего раствора производят на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи снизу вверх через несколько инъекционных горизонтов, количество которых, их высотное положение и объем закачиваемого твердеющего раствора назначается в зависимости от инженерно-геологических условий площадки, геометрических параметров свайного фундамента и величины действующих на сжимаемую грунтовую толщу нагрузок, причем сквозные отверстия в фундаменте выполнены в теле свай по их центру и в ростверке над ними по всей высоте фундамента, при этом нагнетание твердеющего раствора производят в два этапа по контурным сваям и по внутренним сваям.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что нагнетание твердеющего раствора производят на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи снизу вверх через несколько инъекционных горизонтов, количество которых, их высотное положение и объем закачиваемого твердеющего раствора назначается в зависимости от инженерно-геологических условий площадки, геометрических параметров свайного фундамента и величины действующих на сжимаемую грунтовую толщу нагрузок, причем сквозные отверстие в фундаменте выполнены в теле свай по их центру и в ростверке над ними по всей высоте фундамента, при этом нагнетание твердеющего раствора производят в два этапа по контурным сваям и по внутренним сваям.

Первый новый признак, заключающийся в том, что нагнетание твердеющего раствора производят на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи снизу вверх через несколько инъекционных горизонтов, количество которых, их высотное положение и объем закачиваемого твердеющего раствора назначаются в зависимости от инженерно-геологических условий площадки, геометрических параметров свайного фундамента и величины действующих на сжимаемую грунтовую толщу нагрузок, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что достигается оптимальность нагнетания раствора в грунтовое основание, так как слабые грунтовые основания свайных фундаментов по глубине обладают различными физико-механическими свойствами и сжимающие нагрузки на различные слои по глубине основания различны, причем распределение этих нагрузок зависит от геометрических параметров свайного фундамента, поэтому обработка всей инженерно-геологической и геотехнической информации позволяет выбрать строго ограниченные зоны в грунтовом основании, в каждую из которых производится отдельное нагнетание определенного количества закрепляющего раствора, а также экономичность, так как при нагнетании раствора снизу вверх перерасход закрепляющего раствора за счет утечек в нижний горизонт по скважине исключается. Второй новый признак предложенного технического решения, заключающийся в том, что сквозные отверстия в фундаменте выполнены в теле свай по их центру и в ростверке над ними по всей высоте фундамента, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что создается наиболее простая возможность введения инъекторов непосредственно в слабое грунтовое основание под сваями после их возведения. Третий новый признак, заключающийся в том, что нагнетание твердеющего раствора производят в два этапа по контурным сваям и по внутренним сваям, позволяет предложенному техническому решению проявить новое свойство, заключающееся в создании наиболее простого условия предотвращения утечки закрепляющего раствора за пределы укрепляемой зоны грунтового основания свайного фундамента, что позволяет равномерно укрепить слабое грунтовое основание на всю глубину под сваями, избежать перерасхода материалов и сэкономить средства.

Указанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению проявить эффективность, заключающуюся в создании возможности усиления свайных фундаментов путем недопущения появления и развития опасных деформаций грунтового основания на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи.

Вышеизложенное позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлена принципиальная схема усиления свайного фундамента.

На фиг. 1 показаны: свайный фундамент, состоящий из свай - 1 и ростверка - 2; 3 - сквозные отверстия, выполненные в сваях и в ростверке; 4 - инъекционные тела закрепления, выполняемые на первом этапе работ; 5 - инъекционные тела закрепления, выполняемые на втором этапе работ; ABCD - условный фундамент; PL - высотная отметка нижнего конца свай; IL - высотная отметка каждого инъекционного горизонта; Н - глубина сжимаемой толщи грунтового основания фундамента; b - ширина деформируемой области грунтового основания свайного фундамента.

В случае необходимости усиления свайного фундамента, состоящего из свай 1 и ростверка 2, производят анализ строительной ситуации, включающий построение условного фундамента ABCD (в соответствии с п. 7.4.7 СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты»), определение величины давления по его подошве - плоскости DC и вертикальных напряжений от собственного веса грунта на глубине PL. Определяют геометрические параметры деформируемой области грунтового основания свайного фундамента: ее ширину - b и глубину (глубину сжимаемой толщи Н). В зависимости от инженерно-геологических условий площадки назначают количество и высотные отметки инъекционных горизонтов IL, а также объем цементно-песчаной смеси 4 и 5. Усиление свайного фундамента производят в два этапа. На первом этапе нагнетание подвижной цементно-песчаной смеси 4 производят инъекторами (не показаны), погружаемыми через сквозные отверстия 3, выполненные в контурных (крайних) сваях и ростверке с образованием инъекционных тел 4. На втором этапе нагнетание подвижной цементно-песчаной смеси производят инъекторами, погружаемыми через сквозные отверстия 3, выполненные во внутренних сваях и ростверке с образованием инъекционных тел 5. В каждой инъекционной точке нагнетание ведется на всю глубину сжимаемой толщи Н снизу вверх, при этом на каждом инъекционном горизонте IL закачивается требуемый объем 4 и 5 цементно-песчаной смеси.

Экспериментальная проверка эффективности предлагаемого способа усиления свайного фундамента была выполнена на моделях свайного фундамента в натурных условиях. На моделях в качестве свай использовались металлические трубы круглого сечения диаметром 10 см, длиной 3 м. Свайный фундамент состоял из 9 свай, забитых с шагом 60 см и объединенных ростверком, выполненным из монолитного железобетона. Размеры ростверка в плане составляли 1,4×1,4 м, а высота 0,5 м. Сквозные отверстия в металлических сваях и в ростверке были образованы при помощи металлических кондукторов осесимметрично установленных в полости металлических свай и проходящих насквозь всю толщу ростверка, т.е. высота кондукторов была 3,5 м. Внутренний диаметр кондукторов выполнялся таким, чтобы в него свободно с минимальным зазором проходил трубчатый инъектор. Инженерно-геологические условия первой площадки были представлены суглинком тяжелым, пылеватым, насыщенным водой (γ=19,5 кН/м³; ϕ=18°; с=16 кПа; Е=5,0 МПа; I_L>1). Свайный фундамент был загружен до давления, действующего по подошве условного фундамента, величиной Р=75 кПа. При этом, как расчетное значение осадки, определенное по СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», так и ее фактическая величина оказались менее 0,2 см. На втором этапе эксперимента был проведен расчет осадок свайного фундамента в случае его дополнительного нагружения до давления, действующего по подошве условного фундамента, величиной Р=250 кПа. При этом свайный фундамент, согласно расчету по СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», получал дополнительную осадку 4,7 см. На третьем этапе эксперимента было проведено усиление деформируемой области грунтового основания свайного фундамента нагнетанием цементно-песчаной смеси с целью предотвращения развития дополнительных деформаций. Вначале нагнетание производилось инъекторами, погруженными в восьми точках через крайние восемь свай, после чего было проведено нагнетание инъектором, погруженным через центральную сваю. В каждой точке инъецирование производилось на всю глубину сжимаемой толщи, определенную расчетом Н=3,6 м, цементно-песчаная смесь нагнеталась на трех инъекционных горизонтах, начиная с нижнего. На каждом инъекционном горизонте было закачено около 2,0 м смеси. В результате проведенного усиления было достигнуто существенное улучшение физико-механических характеристик грунтового основания, в том числе эквивалентный модуль общей деформации был повышен более чем в 5,5-6,0 раз (до значения Е=28-30 МПа). На четвертом этапе было произведено увеличение нагрузки на свайный фундамент, до давления, действующего по подошве условного фундамента, величиной Р=250 кПа. В процессе нагружения производилась фиксация осадок свайного фундамента, замеры также производились в течение 3-х месяцев после окончания эксперимента. В итоге дополнительные осадки усиленного свайного фундамента не превысили 0,1 см. В грунтовых условиях второй площадки, представленной супесью пылеватой, малой степени водонасыщения (γ=16,84 кН/м³; ϕ=27°; с=17 кПа; Е=14,4 МПа; I_L<0), при увеличении давления по подошве условного фундамента до Р=250 кПа, дополнительная осадка, определенная согласно указаниям СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений», составила 1,8 см. В результате проведенного усиления грунтового основания свайного фундамента нагнетанием подвижной цементно-песчаной смеси в опорный слой грунта эквивалентный модуль общей деформации был повышен более чем в 2,0-2,15 раза (до значения Е=29-32 МПа) и при нагрузке на свайный фундамент, соответствующей давлению по подошве условного фундамента, величиной Р=250 кПа, его дополнительные осадки также не превышали 0,1 см.

Таким образом, предложенный «Способ усиления свайного фундамента №2» позволяет резко снизить величину дополнительных осадок при существенном увеличении нагрузок.

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, по сравнению со способом-прототипом, заключается в том, что создается возможность усиления свайных фундаментов путем недопущения появления и развития опасных деформаций грунтового основания на всю глубину сжимаемой грунтовой толщи.