плитно-свайный фундамент

Формула изобретения

Плитно-свайный фундамент, включающий сваи и железобетонную плиту или ростверк, демпфирующие прокладки между головами свай и железобетонной плитой или ростверком из легкодеформируемого материала, отличающийся тем, что демпфирующие прокладки из однородного по сжимаемости материала выполнены из экструдированного пенополистирола, причем расчетная толщина демпфирующих прокладок принимается в пределах от 10 до 60 мм с увеличением в направлении от центральных и средних рядов свай к крайним рядам свай и угловым сваям с соотношением 1:2:3 или имеют одинаковую толщину в пределах от 10 до 60 мм, причем соотношение модуля деформации материала прокладок над головами средних рядов свай, крайних рядов свай и над угловыми сваями принимается как 3:2:1, а при устройстве плитно-свайного фундамента на неравномерно сжимаемых грунтах, под частью железобетонной плиты или ростверка, опирающегося на несжимаемый грунт, устанавливают демпфирующую прокладку из легкодеформируемого материала, толщину которой определяют из соотношения (1)

где S_св.ф - осадка свайного фундамента без учета сжатия прокладок, м;

S _пр.max - максимальная осадка от сжатия прокладок над сваями, м;

p - среднее давление на грунт по подошве плиты в месте опирания на несжимаемый грунт, МПа;

L - размер железобетонной плиты в плане, м;

( S/L)_u - предельная величина относительной разности осадок;

E₀ - модуль деформации материала прокладки в месте опирания на несжимаемый грунт.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и предлагается для устройства плитно-свайных фундаментов зданий и сооружений, включающих железобетонную плиту или ростверк и сваи.

Известен свайный фундамент (фундамент-аналог), включающий сваи, железобетонную плиту или ростверк и демпфирующие прокладки над головами свай, в котором в работу под нагрузками от зданий и сооружений вовлекается сначала железобетонная плита или ростверк, а после сжатия демпфирующих прокладок - сваи (авторское свидетельство №947287, М. кл ³ Е02D 27/12 [1]).

Дополнительную информацию см. также в авторском свидетельстве №312016 [3], в кн. «Исследования по выявлению резерва несущей способности свайных кустов» [4] и в статье «Пути повышения эффективности свайных фундаментов» [5].

Однако в известном свайном фундаменте-аналоге, включающем ростверк, сваи и демпфирующие прокладки одинаковой толщины, невозможно достигнуть заданного распределения нагрузок между сваями и железобетонной плитой или ростверком, которое обеспечило бы снижение материалоемкости фундамента за счет уменьшения расходов бетона и/или арматуры.

Известен комбинированный свайно-плитный фундамент (фундамент-прототип), включающий сваи и железобетонную плиту или ростверк, восприятие нагрузки от зданий и сооружений в котором обеспечивается совместной работой плит-ростверков и свай (СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» [2], пп.7.4.10...7.4.14).

Однако в известном комбинированном свайно-плитном фундаменте-прототипе железобетонная плита или ростверк воспринимают только около 15% внешней нагрузки, а сваи - около 85%. Кроме того, в известном свайно-плитном фундаменте крайние ряды свай воспринимают нагрузку в 2 раза, а угловые свай - в 3 раза превышающие среднюю нагрузку на сваи в фундаменте. В результате на ряде участков и особенно в краевых сечениях железобетонной плиты или ростверка возникают большие изгибающие моменты, что ведет к повышению материалоемкости фундамента за счет увеличения расхода бетона и/или арматуры. Также невозможно использование фундамента-прототипа при сооружении фундаментов на неравномерно сжимаемых грунтах, в частности, в случае опирания части плиты или ростверка на несжимаемый грунт.

Цель заявленного изобретения состоит:

в обеспечении возможности заданного, в частности более равномерного, распределения нагрузок между сваями и железобетонной плитой или ростверком и снижении материалоемкости плитно-свайного фундамента за счет уменьшения расходов бетона и/или арматуры;

в обеспечении возможности сооружения плитно-свайного фундамента на неравномерно сжимаемых грунтах.

Цель достигается тем, что в плитно-свайном фундаменте, включающем сваи и железобетонную плиту или ростверк, демпфирующие прокладки между головами свай и железобетонной плитой или ростверком из легко деформируемого материала, демпфирующие прокладки из однородного по сжимаемости материала выполнены из экструдированного пенополистирола, причем расчетная толщина демпфирующих прокладок принимается в пределах от 10 до 60 мм с увеличением в направлении от центральных и средних рядов свай к крайним рядам свай и угловым сваям с соотношением 1:2:3, или имеют одинаковую толщину в пределах от 10 до 60 мм, причем соотношение модуля деформации материала прокладок над головами средних рядов свай, крайних рядов свай и над угловыми сваями принимается как 3:2:1, а при устройстве плитно-свайного фундамента на неравномерно сжимаемых грунтах, под частью железобетонной плиты или ростверка, опирающегося на несжимаемый грунт, устанавливают демпфирующую прокладку из легко деформируемого материала, толщину которой определяют из соотношения (1):

где S_св.ф. - осадка свайного фундамента без учета сжатия прокладок, м;

S _пр.max - максимальная осадка от сжатия прокладок над сваями, м;

p - среднее давление на грунт по подошве плиты в месте опирания на несжимаемый грунт, МПа;

L - размер железобетонной плиты в плане, м;

( S/L)_u - предельная величина относительной разности осадок;

Е_о - модуль деформации материала прокладки в месте опирания на несжимаемый грунт.

Принятием толщины прокладки по формуле (1) исключается образование неравномерных осадок отдельных частей плиты или ростверка в случае опирания части плиты или ростверка на несжимаемый грунт, а части плиты или ростверка - на сваи.

Указанная выше толщина демпфирующих прокладок определяется следующим. Известно, что несущая способность свай практически полностью реализуется при осадках свай в пределах от 10 до 20 мм (см., например, кн.: «Сваи в гидротехническом строительстве» [7], рис.4.36). Кроме того, известно, что предельная осадка свай, при которой передаваемая нагрузка принимается за расчетную, составляет 40 мм (см. СНиП 2.02.03-85 [6], п.5.5). Поэтому для включения в работу под нагрузками свай требуется создать их перемещение по вертикали в пределах от 10-20 см до 40 мм. Нулевое значение толщины демпфирующих прокладок ( =0 мм) требуется, когда возникает необходимость нагружения части свай (например, свай средних рядов) с первых этапов приложения внешней нагрузки.

При выборе демпфирующих прокладок учитываются допустимые осадки свайного фундамента и изгиб железобетонной плиты или ростверка, которые зависят от сжимаемости грунта, жесткости железобетонной плиты или ростверка, сжимаемости материала прокладок и от распределения нагрузок между сваями и железобетонной плитой или ростверком (например, согласно техническому решению фундамента-прототипа [2]).

В качестве материала демпфирующих прокладок предлагается использовать экструдированный пенополистирол, выпускаемый рядом российских («Пеноплэкс» и др.) и зарубежных («Styrofoam» и др.) фирм, имеющий модуль деформации от Е_o=0.5 МПа до Е_o=2-3 МПа.

Преимуществом экструдированного пенополистирола перед другими подобными материалами состоит в том, что он имеет закрытые поры, обладает большой водо-, морозо-, биостойкостью и имеет достаточно высокую начальную прочность (0.1 МПа...0.5 МПа). Последнее свойство пенополистирола позволяет полностью сохранить заданную начальную высоту прокладок _о при относительно небольших нагрузках, возникающих при бетонировании железобетонной плиты или ростверка. Кроме того, изготовлением прокладок со строго параллельными поверхностями обеспечивается надежное качество контакта голов свай с железобетонной плитой или ростверком после образования полной осадки плиты или ростверка.

При нагрузках на сваи в составе плитно-свайного фундамента от N=200 кН до N=400-600 кН и поперечном сечении свай от 0.2×0.2 м до 0.4×0.4 м в материале деформируемых прокладок над головами свай (после получения железобетонной плитой или ростверком осадки) возникают напряжения в пределах от 1.0 до 10.0 МПа. Учитывая, что при увеличении нагрузки на плитно-свайный фундамент эти напряжения приведут к уменьшению толщины демпфируемых прокладок с первоначальной величины _о до величины , составляющей 80-90% от _о (в зависимости от плотности материала прокладки и фактической нагрузки на сваю), активная («выбираемая» под нагрузкой) толщина демпфирующих прокладок, как отмечалось, должна быть не более =60 мм, а начальная толщина - не более _о=70 мм.

Предлагаемое решение плитно-свайного фундамента не противоречит требованиям главы СНиП 2.02.03-85 [6], согласно п.7.4 которой допускается шарнирное сопряжения сваи с ростверком и головами свай с заделкой головы сваи в ростверк на 5-10 см, а согласно примечанию к п.7.6, при нагрузках на сваю 400 кН и менее, заделки головы сваи в ростверк не требуется.

Совокупность сформулированных предложений обеспечивает реализацию поставленной цели - возможность заданного распределения нагрузок между сваями и железобетонной плитой или ростверком, при котором обеспечивается снижение материалоемкости фундамента за счет уменьшения расходов бетона и/или арматуры.

При анализе уровня техники не выявлен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого решения, т.е. оно отвечает требованиям новизны.

Не выявлены также признаки, являющиеся отличительными в заявляемом решении, т.е. оно отвечает требованию изобретательского уровня.

Существо предлагаемого изобретения поясняется чертежами (фиг.1-4), которые иллюстрируют: фиг.1 - плитно-свайный фундамент в плане, а фиг.2 - то же в разрезе «а-а»; на фиг.3 показан узел А - консольный участок плиты, воспринимающий в сечении b-b изгибающий момент от нагрузок на сваи крайних рядов и от угловых свай, и размеры демпфирующей прокладки до ( _o) и после ( ) передачи нагрузки, создаваемой угловой сваей; на фиг.4 - плитно-свайный фундамент, частично опирающийся на несжимаемый грунт.

На фиг.1 и 2 показан плитно-свайный фундамент, включающий железобетонную плиту 1 длиной L=9.50 м и шириной В=5.0 м и сваи 2-4 поперечным сечением 0.25×0.25 м и длиной 5 м каждая. Из них 10 центральных свай 2, 14 свай крайних рядов 3 и 4 угловых свай 4. Фундамент опирается на сжимаемые грунты, представленные песком мелким средней плотности, характеризующиеся коэффициентом пористости е=0.73, удельным весом =18 кН/м³, модулем деформации Е=7.0 МПа и углом внутреннего трения =28°.

Над головами свай установлены демпфирующие прокладки из экструдированного пенополистирола «Пеноплэкс», имеющего модуль деформации Е_о=1.0 МПа: над центральными сваями 2 - расчетной толщиной =2.0 см (поз.5); над сваями крайних рядов 3 - =4.0 см (на фиг.2 не показаны), над угловыми сваями 4 - =6.0 см (поз.6). Соответственно начальная толщина прокладок 5, 6 составляет _о=2.5 и 7.0 см.

Фундамент нагружен вертикальными силами N₁-N ₃, моментами M₁-М ₃ и распределенными нагрузками q₁ -q₂. Суммарная вертикальная составляющая внешней нагрузки N=10200 кН с учетом веса железобетонной плиты 1 и свай 2-4. Средняя нагрузка на каждую из свай составляет N _ср.=364 кН.

В известном комбинированном свайно-плитном фундаменте-прототипе [2] внешняя нагрузка N распределяется так: на железобетонную плиту N _пл.=1530 кН (15% величины N), на сваи N_св.=8670 кН (85% величины N). Нагрузка, приходящаяся на сваи N_св. =8670 кН, в свою очередь, распределяется между сваями неравномерно: сваи центральных рядов 2 воспринимают нагрузку N ₂=173.4 кН, сваи крайних рядов 3 - N₃ =346.8 кН, угловые свай 4 - N₄=520.2 кН. В результате в сечении «b-b» (см. фиг.1-3) возникает изгибающий момент, равный М_b-b=2 (N ₃+N₄)I=2 (346.8+520.2)1.05=1820.7 кН·м, по которому подбирают нижнее армирование железобетонной плиты (I=1.05 м - величина консоли фундамента 1, см. фиг.3).

Из расчета согласно указаниям СНиП 2.02.01-83* [8] следует:

- среднее давление на грунт под подошвой плиты 1 составило бы р=0.215 МПа;

- осадка плиты 1 при отсутствии свай 2-4 составила бы S_пл.ф.=12.3 см, а сжимаемая толща Н_c=9.7 м от отметки низа плиты 1;

- осадка свайного фундамента согласно указаниям СНиП 2.02.03-85 [6] (как условного фундамента 7, контуры которого показаны на фиг.2 при угле наклона грани условного фундамента к вертикали, равном = /4=28/4=7°), составила бы S_св.ф. =9.6 см, сжимаемая зона Н_с=7.9 м ниже концов свай 2-4, т.е. 12.9 м от низа плиты 1.

Предлагаемый плитно-свайный фундамент (фиг.1, 2) работает следующим образом. На начальном этапе на плитно-свайный фундамент нагрузки от здания передаются непосредственно на грунт, расположенный под подошвой железобетонной плиты 1. Возникающие при этом осадки плиты 1 вызывают сначала нагружение центральных свай 2, над которыми установлены демпфирующие прокладки 5 меньшей толщины ( =2.0 см), затем по мере увеличения нагрузок на плиту 1 - постепенное сжатие демпфирующих прокладок свай крайнего ряда 3 и угловых свай 4 (поз.6), имеющих расчетную толщину =4.0-6.0 см.

При осадке железобетонной плиты, равной S_пл.=2.0 см (активной толщине демпфирующих прокладок 5), железобетонная плита воспринимает нагрузку N_пл.= N, где =S_пл./S_пл.ф. =2.0/12.3=0.162 - коэффициент, характеризующий долю достигнутой осадки по отношению к расчетной осадке плиты 1 без свай 2-4, т.е. нагрузку, равную 16.2% от общей нагрузки на плитно-свайный фундамент.

При осадке железобетонной плиты 1, равной S _пл.=3.0-4.0 см, часть внешней нагрузки передается на центральные сваи 2. При этом доля нагрузки, воспринимаемой плитой 1, продолжает увеличиваться и достигает величин =S_пл./S_пл.ф. в пределах от 0.244 до 0.325 (т.е. от 24.4 до 32.5%).

При последующей осадке плиты 1 происходит последовательное нагружение свай крайних рядов 3 (при осадке S=4.0-5.0 см), затем угловых свай 4 (при осадке плиты S более 7.0-8.0 см). При полной нагрузке на фундамент плита 1 воспринимает 50% общей нагрузки на фундамент (N_пл.=0.5·10200=510 кН), а остальная часть (N_св.=510 кН), распределяется между сваями 2-4 равномерно - по 182.14 кН на каждую.

В результате изгибающий момент в сечении «b-b» (см. фиг.1-3) становится равным М_b-b=2(182.14+182.14)1.05=765.0 кН·м, т.е. уменьшается в 2.38 раза против соответствующего значения в фундаменте-прототипе [2].

Осадки плитно-свайного фундамента складываются из осадки собственно плиты 1 (S_пл. ), равной величине сжатия демпфирующих прокладок 6 (S _пр.max), т.е. S_пл.=S _пр.max=6.0 см, а также из осадки условного свайного фундамента 7 от нагрузки N_пл.=0.5 N=0.5·10200=510 кН (S_св.ф.=3.5 см), всего S_пл.-св.=10.5 см. Они не превосходят предельно допустимой величины осадки S_u =15 см (см. [6], приложение 4, с учетом примечания 5).

Таким образом, положительный эффект предлагаемого фундамента в сравнении с фундаментом-прототипом [2] состоит в следующем:

- плита 1 воспринимает до 50% от внешней нагрузки против 15%;

- сваи 2-4 воспринимают равномерную нагрузку; отсутствует необходимость увеличения сечения и/или длины свай крайнего ряда 3 и угловых свай 4 для восприятия 2- и 3-кратных нагрузок;

- в 2.38 раза уменьшается изгибающий момент в сечении «b-b» плиты 1;

- практически не увеличиваются осадки плитно-свайного фундамента (за счет восприятия плитой большей части внешней нагрузки N на фундамент);

- возрастает несущая способность свай 2-4 за счет обжатия их боковых поверхностей давлением, возникающим при осадках плиты 1 до завершения полного сжатия демпфирующих прокладок 5, 6.

Эти преимущества приводят к снижению материалоемкости фундамента за счет снижения расхода бетона и/или арматуры.

На фиг.4 показан плитно-свайный фундамент, включающий железобетонную плиту 1 и ростверк 2. Фундамент опирается частью подошвы на сжимаемые грунты (мелкий песок), а частью - на несжимаемый (скальный) грунт 8. Толщина демпфирующей прокладки 9 над несжимаемым грунтом 8 определяется из соотношения (1), формализующего условие недопущения предельной относительной разности осадок отдельных частей плитно-свайного фундамента. Для примера, рассмотренного на фигурах 1-3, прокладка должна иметь толщину, определенную по формуле (1):

[S_св.ф.+S_пр.max -L( S/L)_u]E_o/p=[0.035+0.06-9.5· 0.002]0.5/0.215=0.175 м=17.5 см,

где S_св.ф. =3.5 см=0.035 м - осадка свайного фундамента без учета сжатия прокладок 5, 6, м;

S_пр.max=0.06 м - максимальная осадка от сжатия прокладки 6 над угловой сваей 4;

p=0.215 МПа - среднее давление на грунт по подошве плиты 1 в месте опирания ее на несжимаемый грунт 8;

L=9.5 м - размер железобетонной плиты 1 в плане;

( S/L)_u=0.004 - предельная величина относительной разности осадок [8];

Е_o =E₉=0.5 МПа - модуль деформации материала демпфирующей прокладки 9 в месте опирания на несжимаемый грунт, МПа.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №947287, М. кл³ Е02D 27/12. Способ возведения свайного фундамента / В.В.Лушников и И.А.Маренинов. - Опубл. БИ 1982, №28 (фундамент-аналог).

2. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов / Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП., 2004. - 81 с. (фундамент-прототип).

3. Авторское свидетельство №312016, М. кл.³ Е02D 27/12. Способ возведения сооружения / Б.М.Гиль, Н.С.Метелюк и И.П.Шаповал. - Опубл. БИ 1971, №25.

4. Метелюк Н.С., Грузинцев В.В., Куценко А.В. Исследования по выявлению резерва несущей способности свайных кустов // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1977, №6. - С.9-11.

5. Лушников В.В. Пути повышения эффективности свайных фундаментов - В кн. «Труды VI Международной конференции по проблемам свайного фундаментостроения», том III. - М.: 1998. - С.81-85.

6. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 48 с.

7. Федоровский В.Г., Левачев С.Н. и др. Сваи в гидротехническом строительстве: Учебное пособие. М.: Издательство АСВ, 2003. - 240 с.

8. СНиП 2.02.01-83*. Основания здания и сооружений / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2001. - 48 с.