способ возведения фундамента

Формула изобретения

1. Способ возведения фундамента, включающий формирование котлована с уплотненными стенками грунта в виде щелевой полости путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности, расхаживания рабочего органа в перпендикулярной к дневной поверхности плоскости, заполнение котлована твердеющим раствором, отличающийся тем, что в качестве рабочего органа используют один или несколько стержней, формирование котлована осуществляют расхаживанием стержня с пошаговым смещением положения плоскости расхаживания путем изменения направления силы, прилагаемой к верхней части стержня, процесс повторяют до смыкания полученных в результате щелевых полостей, после чего проводят раскатывание котлована путем перемещения стержня по стенкам котлована, при этом расхаживание и раскатывание многократно повторяют с увеличением амплитуды расхаживания стержня 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 стержни с различными характеристиками.

3. Способ возведения фундамента по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют стержень, выполненный вдоль его оси с постоянной или переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны.

4. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют стержни, снабженные ограничителем амплитуды их расхаживания, установленным с возможностью смещения вдоль стержней.

5. Способ возведения фундамента по п.4, отличающийся тем, что ограничитель амплитуды расхаживания стержней выполнен в виде тора.

6. Способ возведения фундамента по п.1, отличающийся тем, что используют стержень, снабженный одной или более цилиндрическими оболочками, установленными коаксиально с внешней его стороны с возможностью вращения.

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

8. 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 промышленных и гражданских зданий и сооружений и может быть использовано для возведения свайных фундаментов на слабых грунтах без его выемки при кустовом и ленточном расположении свай в фундаменте, для усиления фундаментов действующих зданий и сооружений, образования набивных свай, устройства "стены в грунте" и т.д.

Известен способ образования котлованов под возведение фундаментов, включающий бурение грунта шнековым буром до образования котлована цилиндрической формы с последующей разработкой его стенок до образования котлована конусной формы путем планетарного вращения шнекового бура с удерживанием его породоразрушающего наконечника в центре забоя котлована (Авторское свидетельство. СССР №594247, кл. Е 02 D 17/14, опубл.1975 г.).

Недостатком известного способа является ослабление стенок формируемого котлована за счет неиспользования в уплотнении стенок котлована грунта, разрушенного и вынесенного на поверхность при формировании котлована, что приводит к неоправданному повышению трудозатрат, а следовательно, повышению стоимости строительства.

Известен способ возведения фундамента, включающий вытрамбовывание котлована, втрамбовывание в основание жесткого материала и заполнение котлована бетоном. При этом перед вытрамбовыванием котлована соосно с его контуром вытрамбовывают кольцевой котлован, втрамбовывают в основание кольцевого котлована жесткий материал и заполняют с уплотнением кольцевой котлован грунтом (Авторское свидетельство СССР №844692, кл. Е 02 D 27/01, опубл.1979 г.).

Недостаток известного способа заключается в том, что для образования котлована используется динамическое воздействие на грунт, что может привести при строительстве в стесненных условиях городской застройки к ущербу фундаментам и конструкциям близ расположенных зданий и сооружений.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ возведения фундамента, включающий формирование котлована с уплотненными стенками грунта в виде щелевой полости путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности, расхаживания рабочего органа в перпендикулярной к дневной поверхности плоскости, и заполнение котлована твердеющим раствором [Авторское свидетельство СССР №1276754, кл. E 02 D 7/00, 27/12, опубл.1986 г.].

В известном способе рабочий орган в виде сваи погружают в грунт, перемещают верхнюю ее часть последовательно во взаимно противоположном горизонтальном направлении в процессе погружения и одновременно заполняют образующуюся щель твердеющим раствором.

Недостатком известного способа является снижение несущей способности формируемого фундамента за счет препятствия полному заполнению образованной щели твердеющим раствором вследствие разрыхления грунта вдоль сваи и обрушения его в образованную щель с частичным ее заполнением разрыхленным грунтом, ограниченности отклонения верхней части сваи от ее исходного положения, приводящее к уплотнению минимальной области грунта, окружающей сваю, и невозможности образования щели требуемых геометрических параметров, а следовательно, требуемое уплотнение грунта вдоль сваи.

Известный способ не позволяет изменять в процессе возведения фундамента его конфигурацию и глубину залегания.

Кроме того, недостатком известного способа является возможность разрушения сваи при приложении в горизонтальном направлении циклической нагрузки на ее верхнюю часть.

Изобретение направлено на повышение несущей способности возводимого фундамента, снижение трудоемкости и себестоимости при возведении фундаментов различной конфигурации и глубины залегания.

Указанный технический результат достигается тем, в способе возведения фундамента, включающем формирование котлована с уплотненными стенками грунта в виде щелевой полости путем погружения рабочего органа в грунт перпендикулярно дневной поверхности, расхаживания рабочего органа в перпендикулярной к дневной поверхности плоскости, и заполнение котлована твердеющим раствором, в качестве рабочего органа используют один или несколько стержней, формирование котлована осуществляют расхаживанием стержня с пошаговым смещением положения плоскости расхаживания путем изменения направления силы, прилагаемой к верхней части стержня, процесс повторяют до смыкания полученных в результате щелевых полостей, после чего проводят раскатывание котлована путем перемещения стержня по стенкам котлована, при этом расхаживание и раскатывание многократно повторяют с увеличением амплитуды расхаживания стержня и возрастанием по абсолютной величине прилагаемой силы до формирования заданной формы котлована и механических характеристик его стенок.

Предпочтительно использовать последовательно стержни с различными характеристиками.

Предпочтительно использовать стержень, выполненный вдоль его оси с постоянной или переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны.

Целесообразно использовать стержни, снабженные ограничителем амплитуды их расхаживания, установленным с возможностью смещения вдоль стержней и выполненным в виде тора.

Целесообразно использовать стержень, снабженный одной или более цилиндрическими оболочками, установленными коаксиально с внешней его стороны с возможностью вращения.

Целесообразно во время расхаживания и раскатывания 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 щелевой полости котлована расхаживанием рабочим стержнем (вид сверху).

На фиг.2 - схема формирования щелевой полости котлована расхаживанием рабочим стержнем (вид сбоку).

На фиг.3 - схема формирования котлована раскатыванием рабочим стержнем по стенкам сформированной расхаживанием полости котлована (вид сверху).

На фиг.4 - схема формирования котлована раскатыванием рабочим стержнем по стенкам сформированной расхаживанием полости котлована (вид сбоку).

На фиг.5 - схема вертикального разреза сформированного котлована (аксонометрия).

На фиг.6 - вертикальный разрез сформированного котлована с рабочим стержнем в его полости.

На фиг.7 - схема вертикального разреза возведенного фундамента (аксонометрия).

На фиг.8 - вертикальный разрез возведенного фундамента.

На фиг.9 - вид сбоку возведенного фундамента.

На фиг.10 - варианты рабочего органа, состоящего из двух рабочих стержней с изменяющимся по высоте положением ограничителя амплитуды расхаживания.

На фиг.11 - возможные варианты схем вертикальных разрезов сформированных котлованов.

На фиг.12 - возможные варианты стержней.

На фиг.13 - продольный разрез стержня с цилиндрической оболочкой.

На чертежах представлены следующие позиции:

1 - рабочий стержень,

2 - плоскости расхаживания,

3 - разуплотненный грунт (выпор грунта),

4 - очертания щелевой полости формируемого котлована в пределах плоскости расхаживания,

5 - направления расхаживаний вдоль плоскостей расхаживания,

6 - естественный грунт,

7 - уплотненный грунт,

8 - вертикальная ось формируемого котлована,

9 - направление раскатывания полости формируемого котлована,

10 - очертание полости формируемого котлована раскатыванием,

11 - полость сформированного котлована,

12 - возведенный фундамент,

13 - ограничитель амплитуды,

14 - цилиндрическая оболочка,

15 - ролики.

Использование в качестве рабочего органа двух и более стержней 1 влечет за собой более управляемую конфигурацию (в вертикальном разрезе) образуемой полости котлована 11, т.к. у этих стержней 1 в процессе образования полости 11 будет общая точка с минимальной амплитудой расхаживания (место их пересечения в разрезе котлована). Точку пересечения стержней 1 можно регулировать ограничителем амплитуды 13, например ограничительной скобой (в виде тора) от круговой до щелевой формы плоскости ограничения положения стержней 1, перемещая его по вертикальной оси формируемого котлована 8, тем самым поднимая или опуская минимальное по площади горизонтальное сечение котлована по вертикальному направлению (фиг.10, 11).

Под последовательным использованием стержней 1 с различными характеристиками подразумевается то, что при формировании котлована 11 используется последовательно несколько стержней 1. Т.е. вначале образования котлована жесткость (на изгиб) первого стержня 1 максимальная, что приводит к образованию котлована (в разрезе) с прямыми стенками, а в процессе заменяют стержнем 1 с меньшей жесткостью, что приводит к сглаживанию перегибов и округлению стенок (фиг.11). Аналогичным образом можно изменить в процессе формирования котлована 11 толщину и кривизну стержня 1.

Стержень 1 вдоль его оси выполняют с переменной характеристикой жесткости, или толщины, или кривизны, что приводит к формированию котлована 11 разных конфигураций (фиг.11).

Использование стержня 1 с ограничителем амплитуды его расхаживания, например шарниром, приводит к управляемому перегибу стержня 1 во время формирования котлована 11. Кроме того, жесткость шарниров может меняться в процессе возведения котлована 11, например вначале образования котлована 11 жесткость шарниров максимальная (например, шарнир абсолютно жесткий), а в процессе она уменьшается до какого-либо значения, что приводит к управляемому перегибу стержня 1, а также возможны комбинации (из-за условий образования конфигурации полости: с прямыми стенками, с округленными или др.) (фиг.11).

Использование стержня 1, снабженного одной или двумя цилиндрическими оболочками 14, установленными коаксиально с внешней его стороны с возможностью вращения, необходимо для организации уплотнения грунта стенок котлована путем качения по ним оболочки 14, вращающейся относительно сердечника - стержня 1.

При раскатывании котлована стержнем 1 по стенкам сформированного расхаживанием котлована скорость вращения цилиндрической оболочки 14 (при варианте одной цилиндрической оболочки 14 на стержне 1) одинакова вдоль всей оси стержня 1, но из-за специфики геометрии котлована 11 в разных горизонтальных сечениях полости котлована 11 - разные значения диаметра котлована 11. Поэтому вращающаяся относительно сердечника оболочка 14 может быть разрезана на кольца, скользящие друг относительно друга для синхронизации параметров качения каждого кольца с формой котлована 11. При раскатывании это приводит к дополнительному уплотнению грунта.

Вариант с двумя цилиндрическими оболочками 14, надетыми на два стержня 1, нужен для того, чтобы раскатывание и расхаживание осуществлялось ускоренно с взаимным уравновешиванием сил прижатия стержней 1 к стенкам котлована 11 для такой пары стержней, расхаживаемых в противофазе.

Способ возведения фундамента 12 заключается в следующем.

Предварительно задаются геометрические параметры возводимого одиночно стоящего фундамента 12, степень уплотнения грунта по его контуру в процессе его возведения с требуемыми физико-механическими параметрами грунта, определяющими количественную и качественную величину основных операций по устройству фундамента 12, места расположения одиночно стоящих фундаментов 12, расстояние между ними и последовательность их возведения на плане строительной площадки.

Далее устройствами, механизмами различного принципа действия при помощи статической или ограниченной по величине динамической нагрузки, приложенной к стержню (стержням) 1, он погружается в массив грунта перпендикулярно дневной поверхности до расчетной глубины. Расчетной глубиной может быть как минимально, так и максимально возможное погружение стержня (стержней) 1 в массив грунта, при этом расчетная глубина может иметь переменную величину в процессе возведения фундамента 12.

После погружения стержня (стержней) 1 производят формирование полости котлована расхаживанием в перпендикулярной к дневной поверхности плоскости с одновременным раскатыванием стержнем требуемого котлована в массиве грунта, которое заключается в следующем.

К верхнему концу рабочего стержня (стержней) 1 прикладывают статическую или ограниченную по величине динамическую силу переменного направления. Расхаживание стержнем (стержнями) 1 щелевой полости 4 в массиве грунта происходит путем ограниченного по величине перемещения стержня (стержней) 1 в массиве грунта, приводящего к смещению грунта, попадающего в зону перемещения рабочего стержня (стержней) 1 по направлению смещения его рабочей поверхности и частично в стороны от его рабочей поверхности, и вследствие этого происходящей переупаковки частиц, слагающих грунт, и переменного в пространстве уплотнения грунта.

После расхаживания стержнем (стержнями) 1 ограниченной по геометрическим параметрам щелевой полости 4 в массиве грунта вдоль одной плоскости расхаживания 2 рабочий стержень (стержни) 1 возвращают в свое первоначальное положение по оси 8, меняют направление прилагаемой к верхнему концу стержня 1 силы (тем самым изменяя на требуемую величину пространственную ориентацию плоскости расхаживания 2) и повторяют операцию расхаживания стержнем (стержнями) 1 следующей щелевой полости 4 в массиве грунта в новой плоскости расхаживания 2 (фиг.1, 2).

Процесс расхаживания выполняют по всем возможным плоскостям расхаживания 2 до смыкания щелевых полостей 4 между собой, т.е. до образования единой полости котлована.

Амплитуду расхаживания определяют степенью уплотнения грунта стенок формируемого котлована и планируемой заранее его формой.

После формирования требуемого или близкого к нему по геометрическим параметрам котлована расхаживанием, в целях доуплотнения некоторого объема разрыхленного грунта при расхаживании, достижения требуемой формы и/или в целях предотвращения дальнейшего обрушения стенок сформированной полости дополнительно применяют операцию формирования котлована раскатыванием, которая заключается в следующем.

В уже образованном расхаживанием ограниченном по геометрическим параметрам котловане стержень (стержни) 1 возвращают в свое первоначальное (вертикальное) положение по оси 8, после этого его наклоняют до соприкосновения рабочей поверхности стержня (стержней) 1 со стенкой образованного при расхаживании котлована.

К верхней части стержня (стержней) 1 прикладывают статическую или ограниченную по величине динамическую силу переменного направления (направленную по касательной к стенкам сформированного расхаживанием котлована), что влечет за собой перемещение рабочей поверхности стержня (стержней) 1 по поверхности котлована, дополнительно уплотняя грунт поверхности котлована и выравнивая его стенки (фиг.3, 4).

Раскатывание стержнем (стержнями) 1 полости в массиве грунта происходит путем заданного по величине перемещения рабочего стержня (стержней) 1 в массиве грунта, приводящего к смещению грунта, попадающего в зону перемещения стержня (стержней) 1 по направлению 9 смещения его рабочей поверхности и частично в стороны от его рабочей поверхности, и вследствие этого происходящей переупаковки частиц, слагающих грунт, и управляемого переменного в пространстве уплотнения грунта.

Продолжительность раскатывания определяют степенью уплотнения грунта стенок формируемого котлована и требуемой его формой.

При необходимости для изменения характеристик грунта стенок возводимого фундамента во время расхаживания и раскатывания полость котлована может разово или неоднократно, полностью или частично заполняться каким-либо материалами и/или какими-либо конструкциями.

После формирования требуемого по геометрическим параметрам котлована расхаживанием и раскатыванием, повторяют операцию расхаживания и раскатывания котлована, увеличив амплитуду расхаживания стержнем (стержнями) 1 полости по всем возможным плоскостям расхаживания 2 до образования котлована 11 большего рабочего объема.

Операции расхаживания и раскатывания полости котлована многократно повторяют до образования котлована 11 расчетных геометрических параметров и/или расчетных физико-механических характеристик уплотняемого грунта (фиг.5).

При необходимости операции повторяют с новым положением по вертикали рабочего стержня (стержней) 1.

Для предотвращения выпора грунта на поверхность в процессе формирования котлована 11 на поверхности устраивают пригрузочную конструкцию (различного вида плиты, ростверки и т.д.).

После этого рабочий стержень (стержни) 1 возвращается в первоначальное положение по оси 8, вынимается из образованного котлована и перемещается на следующее место устройства котлована.

Операции погружения, расхаживания, раскатывания, выемки и перемещения рабочего стержня (стержней) 1 повторяют на каждом месте запланированного одиночно стоящего котлована 11, в результате этого образуется поле с одиночно расположенными котлованами.

После образования котлованов приступают к формированию в них фундаментов 12, операции формирования фундаментов 12 заключается в следующем.

В сформированный котлован 11 устанавливается готовый арматурный каркас, или арматурный каркас (отдельная арматура) может сразу устраиваться внутри полости котлована 11, также в качестве усиляющей или армирующей конструкции фундамента 12 может выступать оставленный в сформированной полости котлована стержень (стержни) 1.

Сформированная полость котлована 11 разово или неоднократно, полностью или частично заполняется бетоном. В качестве материала фундамента 12 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.).

В качестве материала фундамента 12 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 12 могут быть использованы любые скомбинированные между собой материалы и/или конструкции.

При расположении отдельных фундаментов 12 друг от друга на задаваемом расстоянии с объединяющими их задаваемыми переменными связями в виде различного вида ростверков, и/или плит, и/или в виде смыкания между собой зон из уплотненного (упрочненного) грунта, примыкающих извне к объемам одиночных фундаментов, фундамент 12 представляет собой пространственную конструкцию, расположенную в массиве грунта с задаваемой переменной в пространстве структурой, жесткостью, прочностью, несущей способностью.

В результате получают поле одиночных фундаментов 12, стоящих в сформированных котлованах на уплотненном (упрочненном) грунте, или получают фундамент пространственной конструкции, расположенной в массиве грунта с управляемой (задаваемой) переменной в пространстве структурой, жесткостью, прочностью, несущей способностью.

Пример реализации способа.

При возведении одиночного фундамента 12 в условиях г. Тюмени формируют котлован 11 глубиной 1 метр и диаметром на уровне поверхности грунта равным 0,6 м. При помощи домкрата (любой вдавливающей нагрузки) в указанном по плану строительства месте перпендикулярно дневной поверхности на глубину 1 метр погружают рабочий орган в виде стержня 1 внешним диаметром 0,1 м и жесткостью EI=1000 кН·м². Характеристики грунта следующие:

вид грунта - суглинок мягкопластичный;

влажность грунта - 26%;

удельный вес грунта - 1,74 т/м³ ;

угол внутреннего трения грунта - 22°;

коэффициент пористости грунта - 0,86;

показатель текучести грунта - 0,62.

Прилагая силу, равную 1,2 тонны, начинают расхаживать стержень 1 в плоскости, перпендикулярной к дневной поверхности. Далее, сменяя расположение плоскости расхаживания шагом 5°, расхаживают стержень 1 до смыкания полученных в результате щелевых полостей 4.

После получения первичного котлована к верхней части стержня 1 прикладывают силу (повторяют прикладывание силы величиной как при расхаживании), равную 1,2 тонны, направленную по касательной к окружности 9, описывающей уже сформированный при расхаживании котлован. Это влечет за собой перемещение качением стержня 1 по поверхности сформированного расхаживанием котлована, т.е. происходит планетарное вращение рабочего стержня 1.

Расхаживание и раскатывание повторяют 3 раза с увеличением амплитуды расхаживания на каждом этапе на 10 см. Нагрузка, приложенная к стержню 1 на втором этапе расхаживания и раскатывания, вследствие уплотнения грунта на первом этапе и изменения физико-механических характеристик грунта увеличивается до величины 2,3 тонны, на третьем этапе нагрузка увеличивается до величины 3,4 тонны. В результате был получен котлован, изображенный на фиг.6.

Сформированный котлован 11 заполняют бетоном. Полученный в результате фундамент 12 изображен на фиг.8, 9.

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