способ возведения фундамента

Формула изобретения

1. Способ возведения фундамента, включающий формирование котлована с уплотненными стенками грунта путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности и смещения грунта с одновременным его уплотнением рабочим органом и заполнение котлована твердеющим раствором, отличающийся тем, что в качестве рабочего органа используют одну или несколько пластин, смещение грунта с одновременным его уплотнением осуществляют расхаживанием пластины в перпендикулярной дневной поверхности плоскости путем приложения силы к верхнему ее краю, при этом расхаживание проводят с увеличением амплитуды расхаживания пластины и возрастанием по абсолютной величине прилагаемой силы до формирования заданной формы котлована и механических характеристик его стенок.

2. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют последовательно пластины с различными механическими и геометрическими характеристиками.

3. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют пластины, выполненные по высоте с постоянной или переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны.

4. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют одновременно несколько пластин, установленных последовательно вдоль оси формируемого котлована.

5. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют одновременно несколько пластин, установленных попарно последовательно вдоль оси формируемого котлована.

6. Способ возведения фундамента по п.5, отличающийся тем, что каждая пластина по ее высоте имеет два противоположных друг другу изгиба и выполнена вдоль ее ширины на участке пластины между изгибами с прорезью и сквозным отверстием, причем прорезь выполнена длиной, равной половине ширины пластины, а сквозное отверстие выполнено в теле другой половины пластины соосно прорези, при этом пластины попарно соединены между собой крест-накрест прорезями и скреплены стержнем, продетым через сквозные отверстия пластин.

7. Способ возведения фундамента по п.1, или 2, или 3, или 6, отличающийся тем, что используют пластины, выполненные из съемных секций.

8. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что во время расхаживания в формируемый котлован вносят армирующий материал.

9. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что перед заполнением котлована твердеющим раствором в сформированный котлован помещают армирующий материал или арматурный каркас.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для возведения фундаментов в котлованах с уплотненными стенками на слабых грунтах для промышленных и гражданских зданий и сооружений, также изобретение может найти применение для усиления фундаментов действующих зданий и сооружений, образования набивных свай, устройства "стены в грунте" и прочее.

Известен способ образования протяженного котлована при устройстве стены в грунте, включающий предварительное образование по оси будущего котлована радиальным уплотнением грунта лидерных скважин диаметром, не превышающим проектной ширины котлована, и глубиной, превышающей проектную глубину котлована. При этом вокруг скважины образуется уплотненная зона. Образование лидерных скважин осуществляют с помощью раскатчика. Расстояние между лидерными скважинами выбирают из условия контакта зон уплотненного грунта в смежных лидерных скважинах. После образования лидерных скважин на ее устье образуют конусообразное расширение для размещения раскатчика, предназначенного для образования котлована. Форма конусообразного расширения соответствует форме конических катков раскатчика, а глубина конусообразного расширения составляет не менее 1/3 длины раскатчика. Затем с помощью раскатчика осуществляют образование рабочих скважин путем радиального уплотнения грунта в лидерных скважинах до диаметра, равного проектной ширине траншеи. Одновременно с образованием рабочих скважин производится срезание перемычек скважин, срезанный грунт осыпается на дно лидерных и рабочих скважин, расположенных ниже проектной глубины котлована. Причем при образовании рабочих скважин между смежными рабочими скважинами оставляют одну лидерную скважину (патент РФ №2000389, кл. Е 02 D 17/00, опубл. 1993 г.).

Недостаток известного способа заключается в большой трудоемкости работ, вызванной образованием большого количества скважин по оси будущего котлована и последующим срезанием каждой перемычки между скважинами.

Известен способ формирования котлована в грунте, позволяющий повысить безопасность работ при формировании котлована в стесненных условиях и включающий разработку выемки с вертикальными стенками и установку в ней у одной из ее стенок вертикального щита, покрытого антифрикционным материалом со стороны, обращенной к грунту, и распорных приспособлений, упирающихся в противоположную стенку. Далее проводят разработку грунта каждой заходки путем образования в грунте со стороны расположения щита стенки из наклонных и заглубленных ниже дна траншеи элементов и выдавливания грунтового клина, заключенного между щитом и стенкой при перемещении щита распорными приспособлениями (авт. св. СССР №1271952, кл. Е 02 D 17/00, от 1986 г.).

Недостаток известного способа заключается в том, что предварительно требуется изготовить выемку с вертикальными стенками для помещения в нее щита и распорных приспособлений, что ведет к усложнению технологии изготовления полости, а также то, что грунт, используемый для образования траншеи разрушается и выносится на поверхность, т.е. не используется в уплотнении стенок формируемой полости, ведущем к упрочнению грунта.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ возведения фундамента, включающий формирование котлована с уплотненными стенками грунта путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности и смещения грунта с одновременным его уплотнением рабочим органом, и заполнение котлована твердеющим раствором (авт. св. СССР №937703, кл. Е 21 В 7/28, от 1982 г.).

В качестве рабочего органа в известном способе используют устройство с раздвигающимися щеками.

В выполненную в грунте полость с вертикальными стенками опускают рабочий орган в исходном положении, раздвижение щек ведут при помощи поперечной к рабочей их плоскости нагрузки, при этом щеки прижимаются к стенкам и уплотняют их до образования необходимой полости.

Недостаток известного способа заключается в том, что предварительно требуется изготовить выемку с вертикальными стенками для помещения в нее вертикальных ребер со щеками, что ведет к усложнению технологии изготовления полости, повышению трудоемкости и себестоимости работ. Кроме того, невозможно в известном способе варьировать геометрическими параметрами формируемого котлована.

Изобретение направлено на снижение трудоемкости и себестоимости при возведении фундаментов различной конфигурации и глубины залегания.

Кроме того, изобретение направлено на повышение несущей способности возводимого фундамента.

Поставленная задача решается тем, что в способе возведения фундамента, включающем формирование котлована с уплотненными стенками грунта путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности и смещения грунта с одновременным его уплотнением рабочим органом и заполнение котлована твердеющим раствором, в качестве рабочего органа используют одну или несколько пластин, смещение грунта с одновременным его уплотнением осуществляют расхаживанием пластины в перпендикулярной дневной поверхности плоскости путем приложения силы к верхнему ее краю, при этом расхаживание проводят с увеличением амплитуды расхаживания пластины и возрастанием по абсолютной величине прилагаемой силы до формирования заданной формы котлована и механических характеристик его стенок.

Целесообразно использовать последовательно пластины с различными механическими и геометрическими характеристиками.

Предпочтительно использовать пластины, выполненные по высоте с постоянной или переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны.

Целесообразно использовать одновременно несколько одиночных или парных пластин, установленных последовательно вдоль оси формируемого котлована.

Целесообразно, чтобы каждая пластина по ее высоте имела два противоположных друг другу изгиба и была выполнена вдоль ее ширины на участке пластины между изгибами с прорезью и сквозным отверстием, причем прорезь выполнена длиной, равной половине ширины пластины, а сквозное отверстие выполнено в теле другой половины пластины соосно прорези, при этом пластины попарно соединены между собой крест накрест прорезями и скреплены стержнем, продетым через сквозные отверстия пластин.

Целесообразно использовать пластины, выполненные из съемных секций.

Целесообразно во время расхаживания в формируемый котлован вносить армирующий материал, а перед заполнением котлована твердеющим раствором в сформированный котлован помещать армирующий материал или арматурный каркас.

На Фиг.1 представлена схема формирования полости котлована расхаживанием рабочей пластины (вид сверху).

На Фиг.2 - схема формирования полости котлована расхаживанием рабочей пластины (вид сбоку).

На Фиг.3 - схема вертикального разреза сформированного котлована (аксонометрия).

На Фиг.4 - вертикальный разрез сформированного котлована с пластиной в рабочем положении.

На Фиг.5 - вертикальный разрез сформированного котлована (вид спереди).

На Фиг.6 - схема вертикального разреза возведенного фундамента (аксонометрия).

На Фиг.7 - вертикальный разрез возведенного протяженного фундамента.

На Фиг.8 - схема выполнения парных пластин.

На Фиг.9 - рабочий орган из трех пар пластин, объединенных одним стержнем (вариант расхаживания крайними парами пластин).

На Фиг.10 - схема изменения высоты парных пластин (представлен вариант увеличения высоты пластин установкой новых секций).

На Фиг.11 - варианты рабочих органов с различным положением по высоте стержней в парных пластинах.

На Фиг.12 - возможные варианты схем вертикальных разрезов сформированных котлованов предлагаемым рабочим органом.

На чертежах представлены следующие позиции:

1 - рабочая пластина

2 - полость сформированного котлована

3 - выпор грунта

4 - направления расхаживаний

5 - естественный грунт

6 - уплотненный грунт

7 - вертикальная ось формируемого котлована

8 - очертание полости формируемого котлована в пределах плоскости расхаживания

9 - возведенный фундамент

10 - парные пластины

11 - сквозное отверстие в полости пластины

12 - стержень (ось вращения)

13 - секции пластины

14 - монтажные элементы

Под последовательным использованием пластин 1 с различными механическими и геометрическими характеристиками подразумевается то, что при формировании котлована 2 используется последовательно несколько пластин 1. Т.е. вначале образования котлована 2 жесткость (на изгиб) первой пластины 1 максимальная, что приводит к образованию котлована 2 (в разрезе) с прямыми стенками, в процессе формирования котлована 2 заменяют пластиной 1 с меньшей жесткостью, что приводит к сглаживанию перегибов и округлению стенок (Фиг.12). Аналогичным образом можно изменить в процессе формирования котлована 2 толщину и кривизну пластины 1.

Пластину 1 вдоль ее оси выполняют с переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны, что приводит к формированию котлована 2 разных конфигураций (Фиг.12).

Использование одновременно двух пластин 1, составляющих рабочий орган, ведет к одновременному формированию двух стенок протяженного котлована 2 (Фиг.8).

Кроме того, использование парных пластин 1 влечет за собой более управляемую конфигурацию (в вертикальном разрезе) формируемой полости котлована 2, т.к. у этих пластин 1 в процессе образования полости будет общая ось (стержень 12) с минимальной амплитудой расхаживания (точка их соприкосновения в разрезе котлована 2). Положение оси вращения 12 пластин 1 можно регулировать, т.е. перемещать по вертикальной оси формируемого котлована 2, тем самым поднимать или опускать положение минимального горизонтального сечения полости котлована 2 по его вертикали (Фиг.12).

Перемещение оси вращения пластин 1 в рабочем органе по вертикальному направлению формируемого котлована 2 можно осуществлять также изменением высоты пластин 1 рабочего органа при установке или снятии секций 13, скрепленных между собой монтажными элементами 14 (Фиг.10,11).

Для удобства использования парных пластин 1 при погружении рабочего органа в грунт целесообразно выполнить изгибы пластин 1 таким образом, чтобы при сведении торцов пластин друг с другом образовалась одна пластина 1 с толщиной, равной сумме толщин двух составляющих рабочий орган пластин 1.

Для снижения трудоемкости и получения управляемой формы формируемых котлованов 2 целесообразно, чтобы рабочий орган собирался из отдельных пар пластин 1, расположенных вдоль оси котлована 2 и имеющих общую ось вращения (стержень 12).

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно задают геометрические параметры протяженного котлована 2 в грунте с его уплотнением под возведение протяженного фундамента, определяют последовательность формирования котлованов 2 на плане строительной площадки, задают требуемые физико-механические параметры грунта, уплотняемого вдоль стенок котлована 2. Таким образом, определяют количество проводимых стадий расхаживания пластины 1 и их параметры по устройству протяженного котлована 2 в грунте с его уплотнением до формирования заданной формы котлована 2 и механических характеристик его стенок.

Далее устройствами или механизмами различного принципа действия при помощи статической или ограниченной по величине динамической нагрузки, приложенной к пластине 1, ее погружают в массив грунта до расчетной глубины. Расчетной глубиной может быть как минимально, так и максимально возможное погружение пластины 1 в массив грунта, при этом расчетная глубина может иметь переменную величину в процессе формирования котлована 2.

После погружения пластины 1 на расчетную глубину производят формирование протяженного котлована расхаживанием пластиной 1 требуемой протяженной полости в массиве грунта, которое заключается в следующем.

К верхнему краю пластины 1 прикладывают статическую или ограниченную по величине динамическую нагрузку и проводят расхаживание пластины 1.

Расхаживание пластиной 1 полости в массиве грунта происходит путем ограниченного по величине перемещения пластины 1 в массиве грунта, приводящего к смещению грунта, попадающего в зону перемещения пластины 1 по направлению смещения ее рабочей поверхности и частично в стороны от ее рабочей поверхности. Вследствие этого происходит переупаковка частиц, слагающих грунт, и уплотнение грунта 6 в пространстве.

Амплитуду расхаживания определяют степенью уплотнения грунта 6 стенок образуемого котлована 2 и планируемой заранее его формой (Фиг.1, 2).

После этого рабочую пластину 1 возвращают в первоначальное (вертикальное) положение 7, вынимают из образованного протяженного котлована 2 и перемещают на следующее место устройства протяженного котлована 2 вдоль протяженной оси запланированного протяженного общего котлована.

Операции расхаживания полости котлована 2 с постоянным увеличением амплитуды расхаживания рабочей пластиной 1 (пластинами) в плоскости расхаживания и прилагаемой силы многократно повторяют до образования котлована 2 расчетных геометрических параметров и/или расчетных физико-механических характеристик уплотняемого грунта (Фиг.3, 4, 5).

Для предотвращения выпора грунта 3 в процессе формирования котлована 2 на поверхности устраивают пригрузочную конструкцию (различного вида плиты, ростверки и т.д.).

Операции погружения, расхаживания, выемки и перемещения рабочей пластины 1 повторяют на каждом участке запланированного протяженного котлована 2, в результате этого образуется единый протяженный котлован, образованный смыканием его отдельных котлованов 2, с переменными по глубине площадями горизонтальных его сечений, или поле из одиночно стоящих протяженных котлованов.

После образования котлованов приступают к формированию в них фундаментов 9, операция формирования фундаментов заключается в следующем.

В сформированный котлован 2 устанавливают готовый арматурный каркас (отдельная арматура). В некоторых случаях арматурный каркас (отдельная арматура) может сразу устраиваться внутри полости котлована 2, также в качестве усиливающей или армирующей конструкции фундамента может выступать оставленная в сформированной полости котлована 2 рабочая пластина 1 (пластины).

Сформированная полость котлована 2 разово или неоднократно, полностью или частично заполняется бетоном, в качестве материала фундамента 9 также могут быть использованы не только бетон, но и другой механически связный или несвязный материал, а также грунт и другие естественные и искусственные материалы (камень, дерево, кирпич, металл, пластик, стекло и т.п.) (Фиг.6, 7).

В качестве материала фундамента 9 могут быть использованы готовые бетонные или железобетонные конструкции или элементы конструкций, а также конструкции или элементы конструкций, сформированные из любого другого механически связного материала, а также в качестве материала фундамента 9 могут быть использованы любые скомбинированные между собой материалы и/или конструкции.

При необходимости получения в стенках формируемого котлована 2 зон из упрочненного грунта во время расхаживания полость котлована 2 могут разово или неоднократно, полностью или частично заполнять какими-либо материалами и/или какими-либо конструкциями с последующим разовым или неоднократным внедрением их в грунт.

При расположении отдельных фундаментов друг от друга на задаваемом переменном расстоянии с объединяющими их задаваемыми переменными связями в виде различного вида ростверков и/или плит и/или в виде смыкания между собой зон из упрочненного грунта, примыкающих извне к объемам одиночных фундаментов, фундамент представляет собой пространственную конструкцию, расположенную в массиве грунта с задаваемой переменной в пространстве структурой, жесткостью, прочностью, несущей способностью.

В результате получают поле одиночных протяженных фундаментов 9, стоящих в сформированных котлованах 2 на упрочненном грунте, или получают фундамент пространственной конструкции, расположенной в массиве грунта с задаваемой переменной в пространстве структурой, жесткостью, прочностью, несущей способностью.

Пример реализации способа.

При возведении одиночного фундамента 9 в условиях г. Тюмени формируют протяженный вдоль оси фундамента котлован 2 глубиной 1 метр, шириной 0.6 метра и длиной - 2 метра. При помощи домкрата в указанном по плану строительства месте перпендикулярно дневной поверхности на глубину 1 метр погружают рабочий орган в виде пластины 1 высотой 1 метр, шириной 0.5 метра, толщиной 0.1 метр и жесткостью EI=7000 кН·м². Характеристики грунта следующие:

Вид грунта - суглинок мягкопластичный;

Влажность грунта - 26%;

Удельный вес грунта - 1,74 т/м ³;

Угол внутреннего трения грунта - 22°;

Коэффициент пористости грунта - 0,86;

Показатель текучести грунта - 0,62;

Запланированный протяженный котлован разбивают на 4 последовательно расположенных вдоль оси котлована участка по 0,5 метра, т.е. длина каждого участка равняется ширине пластины 1, и на каждом участке последовательно производят операции формирования полости котлована 2.

Прилагая силу, равную 6 т, начинают расхаживать пластину 1 в плоскости перпендикулярной к дневной поверхности.

После получения первичного котлована увеличивают амплитуду расхаживания на 10 см и прикладывают к верхней части пластины 1 силу, равную 11,5 т. Это обусловлено уплотнением грунта на первом этапе и изменением физико-механических характеристик грунта.

На третьем этапе нагрузка увеличивается до величины 17 т, а амплитуда расхаживания - 10 см.

В результате был получен котлован 2, изображенный на фиг.3, 4, 5.

Сформированный котлован заполняют бетоном. Полученный в результате фундамент 9 изображен на фиг.6, 7.

Технический результат изобретения заключается в повышении несущей способности фундаментов, снижении трудоемкости их изготовления, снижении сейсмического воздействия на близрасположенные здания и сооружения при устройстве фундаментов, обеспечении надежности и экономичности строительства и эксплуатации основания и фундаментов для гражданских и промышленных зданий и сооружений.