Свайные фундаменты. Новая технология "Свая в трубе"

Реферат

Свайные фундаменты. Новая технология «Свая в трубе»

Введение

Тип фундамента выбирается исходя из большого количества факторов. Проблема рационального проектирования фундаментов является одной из актуальных в области строительства. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых наиболее целесообразным является применение свайных фундаментов. Доля затрат на возведение подземной части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет до 20%. Развитие фундаментостроения направлено по пути разработки новых, экономичных и надежных конструкций фундаментов и методов их устройства, обеспечивающих повышение несущей способности грунтов в основаниях, более полного использования несущей способности материала фундаментов.

В своей работе я расскажу о новой технологии возведения свайных фундаментов «Свая в трубе», о преимуществах данного метода и истории его развития.

1. Что такое фундамент? Его виды

Фундамент, или основание, - несущая конструкция, часть здания, сооружения, которая воспринимает все нагрузки от вышележащих конструкций и распределяет их по основанию.

Основная классификация фундаментов - по назначению. По назначению фундаменты делятся на:

1.Несущий;

2.Комбинированный, то есть способный, в дополнение к несущим функциям, выполнять еще и функции сейсмической защиты;

.Неглубокого заложения на естественных основаниях или искусственных;

.Глубокого заложения;

.Специальные, например, экспериментальные антисейсмические «качающиеся» фундаменты; «плавающие» фундаменты, давление которых равно давлению вынутого грунта и другие.

По типу фундаменты классифицируются на:

1.Столбчатый фундамент

2.Ленточный (сборный или монолитный):

1.заглубленный (ниже глубины промерзания);

2.малозаглубленный (выше глубины промерзания);

3.Свайный (сборный или монолитный):

1.на забивных сваях;

2.на трубобетонных сваях;

.на буронабивных сваях;

.на набивных сваях;

.на сваях-оболочках;

.на винтовых сваях;

4.Свайно-ростверковый фундамент

5.Плитный

.Континуальные

В данной работе будет более подробно рассмотрен свайный тип фундаментов, и, как ранее уже было сказано, будет описан новый, предложенный Санкт - Петербуржскими конструкторами, метод «Свая в трубе». Но обо всем по порядку. Предлагаю рассмотреть, как все-таки развивалось свайное фундаментостроение.

2.Развитие свайного фундаментостроения

Применение свайных фундаментов имеет многовековую историю, однако широкое использование забивных свай в промышленном и гражданском строительстве началось только в конце XIX в. в связи с появлением и развитием железобетона. Для погружения железобетонных свай были созданы мощные копровые установки с паровыми молотами. В ходе развития техники свайных работ наряду с ударными методами стали использовать вибрацию, вдавливание и их комбинации.

В 1899 г. инженер А.Э. Страусс предложил устраивать сваи непосредственно в грунте, в подготовленных для этой цели скважинах. Такие сваи стали называть набивными. В качестве материалов для набивных свай используют не только бетон и железобетон, но и песок, щебень и другие материалы. При устройстве набивных свай имеется возможность оперативно менять их размеры (диаметр и длину) в зависимости от нагрузок и грунтовых условий, а также устраивать уширение в нижней части.

В ФРГ, Франции, Японии, Италии и ряде других стран созданы универсальные высокопроизводительные установки, позволяющие изготавливать набивные сваи диаметрами 0,2…2,0 м и длиной до 100 м и более практически в любых гидрогеологических условиях. Это привело к значительному увеличению объема применения набивных свай.

В то же время объем применения готовых (погружаемых) свай несколько снизился, что связано с ограничением применения ударных и вибрационных методов погружения в условиях плотной застройки и в глубоких котлованах (более 6 м).

Однако погружаемые сваи остаются вне конкуренции при строительстве на вечной мерзлоте, при производстве работ в зимнее время. Им отдается предпочтение при возведении гидротехнических сооружений. Большинство причалов в портах Балтийского, Охотского, Черного, Белого и Баренцевого морей стоят на сваях-оболочках или призматических сваях, погруженных вибрационными или ударными методами. Значительная часть морских нефтяных платформ также стоит на погружаемых сваях. В Мексиканском заливе на глубине 313 м установлена платформа на забивных сваях длиной более 450 м и массой более 600 т при погружении в грунт на 150 м.

В настоящее время для погружения свай используют высокопроизводительные установки, в том числе для работы под водой. Созданы молоты с массой ударной части 100 т и более.

Выбор типа свайного фундамента (количество и размеры свай, способ устройства) производится, как правило, на основе технико-экономического анализа с учетом стоимости материалов, механизмов и трудозатрат по различным вариантам.

При устройстве свайных фундаментов сваи в верхней части объединяют, как правило, монолитным ростверком в виде балки (однорядное расположение свай) или плиты. Перед устройством ростверка головы свай срезают (срубают) до проектной отметки. Различают низкие ростверки, полностью или частично расположенные в грунте, и высокие - не соприкасающиеся с грунтом.

Если нагрузка передается непосредственно на сваи выше уровня грунта, то такие сваи называют сваи-колонны.

По характеру работы в грунте различают сваи-стойки и висячие сваи. Сваи-стойки опираются нижними концами на практически несжимаемые грунты (скальные, плотные крупнообломочные, плотные пески) и передают нагрузку на грунт только по площади поперечного сечения. Боковая поверхность свай при этом в работу не вовлекается. Висячие сваи опираются на сжимаемые грунты и передают нагрузку на грунт не только по площади поперечного сечения, но и по всей боковой поверхности за счет сил трения.

В последние годы широко возводились причальные сооружения на металлических сваях-оболочках, так как они имеют много достоинств. Железобетонные цилиндрические полые сваи диаметром более 0,8 м называют сваями-оболочками (оболочками). Полые сван и оболочки небольшого диаметра после их погружения в грунт обычно заполняют бетонной смесью, в результате чего их поперечные сечения становятся сплошными.

фундамент свайной сооружение

3.Самые распространенные методы погружения свай

Ударный метод.

Метод основан на использовании энергии удара (ударной нагрузки), под действием которой свая нижней заостренной частью внедряется в грунт. По мере погружения она смещает частицы грунта в стороны, частично вниз, частично вверх (на дневную поверхность). В результате погружения свая вытесняет объем фунта, практически равный объему ее погруженной части, и таким образом дополнительно уплотняет фунтовое основание. Зона заметного уплотнения фунта вокруг сваи распространяется в плоскости, нормальной к продольной оси сваи, на расстояние, равное 2… 3 диаметрам сваи.

Ударную нагрузку на оголовок сваи создают специальными механизмами - молотами самых разных типов, основными из которых являются дизельные.

На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты.

Вибрационный метод.

Метод основан на значительном уменьшении при вибрации коэффициента внутреннего трения в грунте и сил трения по боковой поверхности свай. Благодаря этому при вибрировании для погружения свай требуется усилий иногда в десятки раз меньше, чем при забивке. При этом наблюдается также частичное уплотнение грунта (виброуплотнение). Зона уплотнения составляет 1,5…3 диаметра сваи (в зависимости от вида грунта и его плотности).

При вибрационном методе сваю погружают с помощью специальных механизмов - вибропогружателей. Вибропогружатель, представляющий собой электромеханическую машину вибрационного действия, подвешивают к мачте сваепогружающей установки и соединяют со сваей наголовником.

Действие вибропогружателя основано на принципе, при котором вызываемые дебалансами вибратора горизонтальные центробежные силы взаимно ликвидируются, в то время как вертикальные суммируются.

Амплитуда колебаний и масса вибросистемы (вибропогружатель, наголовник и свая) должны обеспечить разрушение структуры грунта с необратимыми деформациями.

Погружение свай завинчиванием.

Метод основан на завинчивании стальных и железобетонных свай со стальными наконечниками с помощью установок, смонтированных на базе автомобилей или автомобильных тягачей.

Метод - применяют главным образом при устройстве фундаментов под мачты линий электропередачи, радиосвязи и других сооружений, где в достаточной мере могут быть использованы несущая способность винтовых свай и их сопротивление выдергиванию. Эти установки имеют рабочий орган, четыре гидравлические выносные опоры, привод вращения и наклона рабочего органа, гидросистему, пульт управления и вспомогательное оборудование.

Конструкция рабочего органа позволяет выполнять следующие операции: втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую оболочку), обеспечивать заданный угол погружения сваи в пределах 0…450 от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одновременным использованием осевого усилия, при необходимости вывертывать сваю из грунта. Вращение рабочего органа и его наклон осуществляют от коробки отбора мощности автомобиля через соответствующие редукторы.

Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай методом забивки или вибропогружением. Только вместо установки и снятия наголовника здесь надевают и снимают оболочки.

.Свая в трубе

Данный метод, не имея еще названия «Свая в трубе «впервые был описан в реферате-патенте в 2005 году Булатовым Георгием Яковлевичем, преподавателем ГОУ «СПбГПУ». В качестве описания патента была представлена данная статья с аналогичным названием.

«ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к области строительства, в частности к возведению свайных фундаментов, конкретно к применению трубчатых свай, погружаемых с открытым нижним концом в слабые грунты.

Известно устройство, представляющее собой трубчатую сваю [А.с. 129549 СССР, МКИ Е 02 D 27/44. Свая], содержащую в полости поперечную диафрагму, жестко закрепленную на стенках трубы.

Известен способ возведения фундамента [А.с. 129549 СССР, МКИ Е 02 D 27/44. Свая], по которому в полости трубчатой сваи устраивают поперечную диафрагму, погружают сваю в грунт до уровня диафрагмы и возводят ростверк.

Недостатком данного устройства и способа является повышенная осадка трубчатой сваи на слабых грунтах основания.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, которое содержит трубчатую сваю [А.с. 542790 СССР, МКИ Е 02 D 5/24. Свая], в нижней части полости которой жестко закреплены на стенках вертикальные продольные перегородки.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ возведения фундамента [А.с. 542790 СССР, МКИ Е 02 D 5/24. Свая], по которому в полости трубчатой сваи устраивают вертикальные продольные перегородки, погружают сваю в грунт глубже верхней границы перегородок и устраивают ростверк.

Недостатком устройства и способа [А.с. 542790 СССР, МКИ Е 02 D 5/24. Свая] являются повышенные энергоемкость погружения трубчатой сваи и динамическое воздействие на окружающий грунт, опасное для окружающей среды.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение эффективности и безопасности способа и устройства для окружающей среды.

Поставленная задача в части устройства решена за счет того, что в известном устройстве, содержащем трубчатую сваю и закрепленные внутри ее полости твердые вертикальные продольные элементы-перегородки, упомянутые элементы установлены с возможностью перемещения относительно стенок сваи и выполнены с утолщениями на уровне нижней части ядра, а в ячейки между перегородками и (или) стенками сваи введены дополнительные объемы материалов, например, в виде свай, причем утолщения выполнены в виде лопастей и (или) патрубков, установленных по винтовой линии относительно оси сваи. Указанные признаки позволяют управлять степенью упрочнения грунтового ядра в процессе возведения свай путем изменения числа дополнительных свай, их диаметра и глубины погружения.

Поставленная задача в части способа решена за счет того, что в известном способе, включающем операции погружения трубчатой сваи с открытым нижним концом и возведение ростверка, после погружения сваи в образовавшееся внутри ее полости грунтовое ядро вводят продольные перегородки, а в грунтовые ячейки между перегородками и (или) стенками сваи вводят дополнительные объемы материалов и подают дополнительную энергию, преимущественно в нижнюю часть ядра, чем упрочняют грунтовое ядро, создают дополнительные радиальные сжимающие напряжения в грунте ядра, обеспечивают дополнительные трение и сцепление его со стенками сваи и превращают ее в квазимонолитный фундамент глубокого заложения»

Данная разработка не могла остаться лишь теоретической, идее было необходимо продвижение, и в итоге она его получила. Помимо теоретического обоснования необходимо было описать именно технологию погружения сваи, и, наконец придать методу название. «Свая в трубе»

Проблема рационального проектирования фундаментов является одной из актуальных в области фундаментостроения. Особенно остро эта проблема стоит при строительстве в сложных инженерно-геологических условиях, в которых наиболее целесообразным является применение свайных фундаментов. Доля затрат на возведение подземной части зданий и сооружений в таких грунтовых условиях составляет до 20%. Развитие фундаментостроения направлено по пути разработки новых, экономичных и надежных конструкций фундаментов и методов их устройства, обеспечивающих повышение несущей способности грунтов в основаниях, более полного использования несущей способности материала фундаментов. В последние годы широко возводились причальные сооружения на металлических сваях-оболочках, так как они имеют много достоинств. Стальные сваи лучше выдерживают динамические нагрузки и воспринимают большие изгибающие моменты по сравнению с железобетонными сваями. Применение открытых снизу стальных трубчатых свай способствует сокращению объемов и сроков производства строительных работ, расходов рабочей силы и материала свай за счет более рациональной работы поперечного сечения ствола под расчетной нагрузкой. Основным недостатком металлических свай-оболочек является их коррозия. Железобетонные сваи экономичны, но их несущая способность невысока. Технической задачей технологии было желание объединить преимущества того и другого вида свай. Один из вариантов такого объединения рассмотрен ниже. В данной технологии погружают в грунт стальную трубчатую сваю с открытым нижним концом и возводят ростверк. После погружения трубчатой сваи в образовавшееся внутри её полости грунтовое ядро вводят продольные перегородки, а в грунтовые ячейки между перегородками и стенками сваи вводят дополнительные объемы материалов и подают дополнительную энергию, преимущественно в нижнюю часть ядра. Таким образом упрочняют грунтовое ядро, создают дополнительные радиальные сжимающие напряжения в грунте ядра, обеспечивают дополнительные трение и сцепление его со стенками сваи и превращают её в квазимонолитный фундамент глубокого заложения. Сущность предложения поясняется чертежами. Устройство на рис. 1 и 2 содержит ростверк 1 на бетонной подготовке толщиной S0, опирающийся на трубчатую сваю 2 и грунтовое ядро 3, в которое погружены дополнительные внутренние сваи: например, свая 4 с продольными лопастями 5 и монолитные сваи 6 и 7. На рис. 3, 4 дополнительная свая 8 снабжена утолщением в виде нескольких соединенных с ней патрубков 9, которые одновременно служат и направляющими. В качестве дополнительных внутренних свай 4, 6, 7 и 8 могут быть применены сваи любого рода и конфигурации. Рис. 1 - 4. Технология возведения фундаментов - «свая в трубе» В качестве материалов могут быть использованы твердые (все типы свай и др. устройства), сыпучие (грунтовые, бетонные, порошковые и др.), жидкие (расширяющиеся цементные растворы и др. закрепляющие составы), газообразные (воздух, закрепляющие смеси), причем текучие материалы могут быть применены в оболочках. В качестве энергии можно использовать тепловую и электрическую для обжига, плавления, замораживания и электрохимического закрепления грунтов ядра в полости трубчатой сваи, чем обеспечивают упрочнение и сцепление ядра со стенками сваи и исключают возможность проталкивания ядра вверх при осадке сваи под воздействием сжимающих нагрузок, передаваемых от ростверка. Рассмотрим работу предлагаемого способа, используя рис. 1 и 2. При погружении трубчатой сваи 2 в её полость входит грунт в виде ядра 3 цилиндрической формы, поскольку свая легко прорезает толщу грунта основания своими тонкими стенками. При этом несущая способность её по грунту будет малой. Для повышения эффективности трубчатой сваи 2 в грунтовое ядро 3 погружают вторую трубчатую сваю 4, усиленную лопастями 5, и тем самым упрочняют грунтовое ядро. Трение грунта в узких ячейках между трубами 2 и 4 тормозит его проталкивание вверх и повышает несущую способность устройства. Дополнительно грунтовое ядро внутри трубы 4 закрепляют погружением дополнительной сваи второго порядка, например монолитной сваи 6 (рис. 1 и 2). Для закрепления ядра в ячейках между трубчатой сваей 2 и трубчатой сваей 4 с лопастями 5 в ячейки погружают дополнительные сваи третьего порядка, например, монолитные сваи 7. И в этом случае трубчатая свая 2 будет работать как монолитный фундамент глубокого заложения, поскольку весь грунт ядра будет заклинен в узком зазоре между трубами 2 и 4 и напряжен сжатием в радиальном направлении, при введении сваи 6 в грунтовое ядро трубы 4. Устройство на рис. 3 и 4 работает следующим образом. Дополнительная свая 8 и её трубчатое утолщение в виде патрубков 9 выполняют роль перегородок и расчленяют грунтовое ядро 3 в поперечном сечении на отдельные ячейки, грунт в которых «самозапирается» за счет сил трения и сцепления со стенками патрубков 9 и тем препятствует его проталкиванию вверх. Для повышения эффекта «самозапирания» грунта патрубки могут быть выполнены изогнутыми по винтовой линии. В этом случае утолщение играет роль плиты, перекрывающей поперечное сечение грунтового ядра 3 и тем самым омоноличивающей его с трубчатой сваей 2. Вариантом устройства перегородок может быть их выполнение в виде шпунтовых стенок. Расчет площади сечения дополнительной сваи Дополнительная свая предназначена для получения дополнительной несущей способности по сравнению с обычной трубчатой сваей (если не произошло «самозапирание» ядра).

В зависимости от площади сечения дополнительной сваи Отметим следующие преимущества предлагаемых технических решений: - они сочетают в себе положительные свойства двух типов свай (стальные трубчатые и железобетонные монолитные) и уменьшают их отрицательные свойства за счёт того, что трубчатая свая будет работать как фундамент глубокого заложения с площадью опирания на грунт, равной площади сечения «брутто» трубчатой сваи. Несущая же способность такого фундамента по материалу будет складываться из несущей способности стали и железобетона; - они позволяют создать фундамент с высокой несущей способностью с помощью обычных строительных средств; - погружение внутренних дополнительных свай позволяет управлять степенью упрочнения грунтового ядра в процессе возведения трубчатых свай путем изменения числа дополнительных свай, их диаметра и глубины погружения; - способ относится к щадящим окружающую среду технологиям, поскольку предусматривается лишь погружение тонкостенных (режущих) трубчатых свай. Погружение элементов сваи производится поэтапно, а влияние динамики погружения внутренних дополнительных свай при этом локализуется грунтовым ядром внутри трубчатой сваи. При этом внутренние сваи имеют и относительно меньшие параметры, и, соответственно, меньшую динамику их погружения.

Заключение

Развитие свайного фундаментостроения крайне необходимо в нашей стране. Очень часто приходится возводить здания в очень сложных грунтовых условиях, где ленточные фундаменты не могут дать необходимую несущую способность. К сожалению, сейчас очень редко предлагаются новые разработки в данной области. Я считаю, что метод «Свая в трубе», описанный в моей работе весьма интересен. Интересен прежде всего тем, что он сочетает в себе только положительные стороны материалов, которые используются в данном виде фундамента. На практике этот метод еще не применялся, но я надеюсь, что в ближайшем будущем эта конструкторская разработка найдет свое применение.

Библиографический список

1. СНиП 2.02.01-83* «Основания зданий и сооружений».

. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаментны».

. А.Ю Костюкова. «Свая в трубе» Инженерно-строительный журнал, №1, 2008 г.

. Патент от 18.07.2005, «Фундаменты глубокого заложения»

. http://bd.patent.su/2295000-2295999/pat/servl/servlet8ee2.html

Больше работ по теме: