1 стр. из 1

Социально-экономическое развитие нашей страны предусматривает более эффективное использование капитальных вложений в области строительства, снижение материалоемкости, трудоемкости и стоимости благодаря улучшению планирования и организации строительного производства. Большое внимание уделяется повышению производительности труда, а также качеству и надежности возводимых объектов.

Основание зданий и сооружений является наиболее важным и определяющим фактором в обеспечении надежности и долговечности сооружения при его эксплуатации. В общем объеме строительства устройство оснований и фундаментов имеет значительный удельный вес как по стоимости, так и по трудоемкости строительных работ. Поэтому необходимо производить рациональное проектирование оснований и фундаментов с рассмотрением возможных вариантов и их последующим технико-экономическим сопоставлением.

В последние годы в фундаментостроении широкое распространение получили свайные фундаменты. Они позволяют возводить здания и сооружения на слабых грунтах с недостаточной несущей способностью. Во многих случаях это единственный способ возведения сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.

Применение открытых снизу стальных трубчатых свай способствует сокращению объемов и сроков производства строительных мероприятий, затрат рабочей силы и материала свай за счет более рационального функционирования поперечного сечения ствола под расчетной нагрузкой.

Территория строительства в таких районах, как, например, Санкт-Петербург, в геологическом отношении представлена четвертичными отложениями на глубину 15–20 м, состоящими из напластований песков пылеватых, суглинков и супесей текучих, водонасыщенных. Грунты отличаются повышенной чувствительностью к различным техногенным воздействиям, низкой прочностью и неустойчивостью.

Современные технологии возведения фундаментов предлагают устройство буронабивных фундаментов. Однако подобный способ в грунтовых условиях центральной части Санкт-Петербурга приводит к значительному увеличению сроков и стоимости строительства. Помимо этого, технология устройства буронабивных фундаментов в условиях исторической застройки может вызвать неравномерную осадку близлежащих зданий, что в свою очередь повлечет возникновение крена и приведет прилегающую часть здания в аварийное состояние.

При строительстве Большого морского порта в Санкт-Петербурге были использованы преимущественно стальные трубчатые сваи диаметром до 1 420 мм и длиной до 30 м и более [1, 2, 3], которые характеризуются высокой несущей способностью, но при этом достаточно дороги (фото 1, 2). Железобетонные сваи прочны и экономичны, но их несущая способность по грунту невысока. Здесь уместно будет отметить, что есть примеры возведения высотных зданий в Китае, например 88-этажная башня Джин Мао высотой 420 м, построенная в 1988 г, фундаментная плита которой из железобетона толщиной 4 м базируется на 429 стальных трубосваях, которые уходят на глубину 65 м в илистую почву.

Надежность фундамента обеспечивается несущей способностью сваи. Несущая способность сваи — это максимальное сопротивление сваи вдавливанию в грунт основания. Сопротивление вдавливанию пропорционально сопротивлению погружения сваи. Это сопротивление для стальных трубчатых свай равно сумме сопротивлений в виде:
а) сопротивления прорезанию острия трубы в форме кольцевого сечения;
б) сил трения грунта на внешней поверхности трубы;
в) сил трения грунта на ее внутренней поверхности, контактирующей с грунтом.
Таким образом, несущая способность трубосваи определяется по формуле:

Fd = FdR + Fdf + FdЯ, (1)

где (выделим следующие составляющие): FdR — полное лобовое сопротивление по сечению стальной трубосваи, т.е. ножевое (по площади нетто); Fdf — полное боковое сопротивление по наружной поверхности; FdЯ — полное лобовое сопротивление грунтового ядра, заполняющего полость стальной трубосваи при ее забивке.

И здесь требование существенного повышения несущей способности сваи входит в техническое противоречие с необходимостью применения сваебойного (погружающего) оборудования соответствующей мощности. А последняя всегда ограничена жесткими рамками его наличия на момент строительства. Предлагаемая технология и направлена на разрешение этого противоречия.

Практика применения свай показывает, что заметное влияние на ее несущую способность оказывает форма острия сваи. При этом использование наконечников в трубосвае приводит к максимальному снижению энергоемкости погружения трубосваи и расширению ее функциональных возможностей.

В данной работе задача снижения энергоемкости погружения сваи решена за счет того, что наконечник трубосваи дополнительно снабжен утолщением и с внутренней стороны, при этом поперечное сечение наконечника выполнено в виде криволинейного клина, в т.ч. со сторонами двоякой кривизны. Дополнительно в наконечнике может быть выполнена полость с отверстиями для выпуска жидкости, а труба снабжена системой поясов аналогичных утолщений с внешней и внутренней ее стороны. Между поясами выполнена перфорация трубы или вмятины на ее поверхности в шахматном порядке. Другой вариант трубосваи содержит размещенные в полостях утолщений элементы накаливания и покрытие утолщений слоем антифрикционного материала.

Сущность работы поясняется чертежами (рис. 1, 2).

Рассмотрим устройство в статике.
Внешние утолщения, например, 2, 4 (рис. 1, а–в) и внешние грани других наконечников (рис. 1, д–к) и поясов 8 (рис. 1, д) создают зазор между трубой 1 и грунтовым массивом, тем самым снижая усилия трения между ними и, соответственно, энергозатраты на погружение трубосваи.

Внутренние утолщения, например, 2, 4 (рис. 1, а, б) и внутренние грани других наконечников (рис. 1, д–к) и поясов 7 (рис. 1, ж) создают зазор между трубой 1 и грунтовым ядром внутри нее и тем самым снижают силы трения по внутренней поверхности трубы 1.

Увеличение диаметра наконечника, создаваемое гранью 3а (рис. 1, г) по сравнению с внешним диаметром трубы 1, и аналогичное уменьшение диаметра наконечника, создаваемое гранью 3а (рис. 1, в) по сравнению с внутренним диаметром трубы 1, в нашем случае выполняют роль утолщений наконечника соответственно с внешней и внутренней сторон трубы 1, поскольку обеспечивают зазоры между поверхностью трубы 1 и грунтом.
Утолщения в зависимости от многообразия грунтовых условий могут быть выполнены с прямыми гранями 5–10 (рис. 1, д–ж), с криволинейными –11, 18 (рис. 1, з, к) и гранями двоякой кривизны 16 (рис. 1, и).
В наконечнике 11 (рис. 1, з) выполнена полость 12, соединенная трубкой 13 с насосом (на рис. не показан) и снабженная отверстиями 14, 15 и 15а для выпуска жидкости.
В полостях 17 наконечников 16 и 18 (рис. 1, и, к) могут быть встроены элементы накаливания, например, типа спиралей электронагревательных приборов и т. п. Наконечник 18 может быть выполнен из отрезка трубы.
Поверхностям контакта утолщений с грунтом могут быть приданы зубчатая форма и покрытие слоем антифрикционного материала.

Утолщения поясов 7 и 8 на трубе 1 (рис. 1, д) также выполнены в форме клиньев, острые концы которых обращены в сторону наконечника. Эти утолщения могут иметь различные формы и полости, отмеченные выше. Пояса по окружности стенки трубы могут быть выполнены прерывистыми из отрезков проката, например, типа уголка.

Вариантом трубы будут ее перфорированные стенки с частотой, уменьшающейся в направлении от наконечника, и отверстиями, вытянутыми вдоль трубы, имеющими преимущественно круглую или близкую к эллиптической форму и расположенными в шахматном порядке. Отверстия могут иметь и треугольную форму, например, в виде прямоугольного 19 (рис. 2, а), равнобедренного 20 (рис. 2, б) или равностороннего 21 (рис. 2, в) треугольников, а также иную форму.

Другим вариантом служит замена отверстий перфорации выпуклостями и/или вмятинами на стенках трубы с сохранением их формы и расположения, включая форму клина.

Устройство работает следующим образом.

При погружении сваи с наконечником (рис. 1, а) поверхность 3 внешнего утолщения 2 плавно отжимает набегающий грунт наружу от стенки трубы 1, образуя зазор и снимая тем самым силы трения грунтового массива по боковой поверхности трубосваи. Поток же грунта, пропускаемый внутрь трубосваи, проходит суженную цилиндрическую часть 4 наконечника и расслабляется за счет расширения полости трубы 1.

При этом снижаются силы трения грунта ядра по внутренней поверхности трубы 1, что практически исключает возникновение эффекта «самозапирания» грунтового ядра в полости трубы при ее погружении. Соответственно существенно уменьшается и энергоемкость погружения.

Аналогично работают и наконечники других вариантов, отличие которых друг от друга заключается в большей или меньшей степени отжатия грунта от стенок трубы 1.

Дополнительное снижение удельной энергоемкости погружения достигается (рис. 1, з) путем нагнетания воды, глинистого или цементного раствора через трубку 13 в полость 12 и выпуска его через отверстия 14, 15 и 15а для смазки стенок трубы 1 в процессе погружения трубосваи. При этом цементный раствор после его твердения существенно повысит и несущую способность трубосваи.

Наличие ряда поясов утолщений 7 и 8 по длине трубы 1 (рис. 1, д) обеспечит отжатие грунта от стенок трубы по всей ее длине, повысит устойчивость и скорость погружения. Размещенные в полости 17 наконечников (рис. 1, и, к) элементы накаливания позволят часть грунтовой воды превратить в пар, который уменьшит трение наконечника по грунту.

Восстановление несущей способности грунтового ядра трубосваи производят смятием столба грунта ядра вертикальной пригрузкой или погружением в него свай любого рода и конфигурации [4]. При этом в случае наличия перфорации стенок трубы грунт ядра через отверстия будет выдавливаться наружу и увеличивать силы трения по внешней поверхности трубосваи.

Для проверки достоверности и качественного совпадения результатов теоретических расчетов рассчитаем несколько свай нефтеналивного терминала в г. Приморске, несущая способность которых была испытана «ЛенморНИИпроектом».

Сравнение несущей способности трубо-свай, полученной методом статических испытаний и с помощью расчета по предлагаемой методике, представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что значения несущей способности трубосвай, вычисленные по предлагаемой методике, близки к значениям, полученным натурными испытаниями, что подтверждает правильность нашего подхода к расчету.

Использование предлагаемых наконечников позволяет расширить область применения трубосвай на большие их диаметры, на повышенные глубины погружения, труднопроходимые грунты и более полно использовать резервы трубосвай в части их несущей способности по грунту с одновременным снижением удельной энергоемкости погружения и соответственным уменьшением динамического воздействия на окружающую среду.

Литература
1. Крамаренко А. В. «Особенности работы свай кольцевого сечения в процессе их осевого статического нагружения». // Сб. научн.тр. ОАО «Ленморниипроект», СПб, 2000 г., с. 114–122.
2. Долинский А. А., Зайончковский В. И., Николаевский М. Ю., Рябинин А. В. «Нетрадиционные конструкции фундаментов портовых складов, возведенных на слабых илистых грунтах прибрежно-морских отложений». // Сб. научн. тр. под ред. И. И. Сулейманова. К 120-летию ОАО «Ленморниипроект».— СПб.: «Судостроение», 2005 г., с. 324–330.
3. Гожа В. И., Наймарк О. С. «Глубоководный причал комбинированной конструкции из стальных элементов». Там же., с. 192–197.
4. Булатов Г. Я., Ватин Н. И. «Новая технология возведения фундаментов — «свая в трубе». // «СтройПРОФИль», № 5, 2007 г., с. 24–25.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!