ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2301303

ПЛИТНО-СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ

Имя изобретателя: Лушников Владимир Вениаминович (RU),
Оржеховский Юрий Рувимович (RU),
Сметанин Максим Викторович (RU),
Ярдяков Артем Сергеевич (RU)
Имя патентообладателя: Общество с ограниченной ответственностью "Экспертно-консультационная фирма "ГеоСтройЭксперт" (ООО "Экспертно-консультационная фирма "ГеоСтройЭксперт") (RU),
Ордена "Знак почета" Уральский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт Российской академии архитектуры и строительных наук (УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН)
Адрес для переписки: 620075, г.Екатеринбург, пр-т Ленина, 50а, институт "УралНИИпроект РААСН"
Дата начала действия патента: 20.08.2006

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для устройства плитно-свайных фундаментов зданий и сооружений, включающих железобетонную плиту или ростверк и сваи. Плитно-свайный фундамент, включающий 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. 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. 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 d определяют из соотношения (1):

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

Sпр.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;

(DS/L)u - предельная величина относительной разности осадок;

E0 - модуль деформации материала прокладки в месте опирания на несжимаемый грунт. Технический результат - обеспечение возможности заданного, в частности - более равномерного распределения нагрузок между сваями и железобетонной плитой или ростверком и снижение материалоемкости.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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. кл3 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 d определяют из соотношения (1):

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

Sпр.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;

(DS/L)u - предельная величина относительной разности осадок;

Ео - 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 d 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 (d=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 Еo=0.5 МПа до Еo=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 dо 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 dо до величины d, составляющей 80-90% от dо (в зависимости от плотности материала прокладки и фактической нагрузки на сваю), активная («выбираемая» под нагрузкой) толщина демпфирующих прокладок, как отмечалось, должна быть не более d=60 мм, а начальная толщина - не более dо=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.

плитно-свайный фундамент в плане

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 (do) и после (d) 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 U=18 кН/м3, модулем деформации Е=7.0 МПа и углом внутреннего трения f=28°.

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

Фундамент нагружен вертикальными силами N1-N3, моментами M13 и распределенными нагрузками q1-q2. Суммарная вертикальная составляющая внешней нагрузки SN=10200 кН с учетом веса железобетонной плиты 1 и свай 2-4. Средняя нагрузка на каждую из свай составляет Nср.=364 кН.

В известном комбинированном свайно-плитном фундаменте-прототипе [2] внешняя нагрузка SN распределяется так: на железобетонную плиту Nпл.=1530 кН (15% величины SN), на сваи Nсв.=8670 кН (85% величины SN). Нагрузка, приходящаяся на сваи Nсв.=8670 кН, в свою очередь, распределяется между сваями неравномерно: сваи центральных рядов 2 воспринимают нагрузку N2=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 Мb-b=2 (N3+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).

узел А - консольный участок плиты, воспринимающий в сечении b-b изгибающий момент от нагрузок на сваи крайних рядов и от угловых свай

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 Sпл.ф.=12.3 см, а сжимаемая толща Нc=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 j=f/4=28/4=7°), составила бы Sсв.ф.=9.6 см, сжимаемая зона Нс=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 (d=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 d=4.0-6.0 см.

При осадке железобетонной плиты, равной Sпл.=2.0 см (активной толщине d демпфирующих прокладок 5), железобетонная плита воспринимает нагрузку Nпл.=aSN, где a=Sпл./Sпл.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 Sпл.=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 a=Sпл./Sпл.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 (Nпл.=0.5·10200=510 кН), а остальная часть (Nсв.=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 Мb-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 (Sпл.), равной величине сжатия демпфирующих прокладок 6 (Sпр.max), т.е. Sпл.=Sпр.max=6.0 см, а также из осадки условного свайного фундамента 7 от нагрузки Nпл.=0.5SN=0.5·10200=510 кН (Sсв.ф.=3.5 см), всего Sпл.-св.=10.5 см. Они не превосходят предельно допустимой величины осадки Su=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 SN 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):

[Sсв.ф.+Sпр.max-L(DS/L)u]Eo/p=[0.035+0.06-9.5· 0.002]0.5/0.215=0.175 м=17.5 см,

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

Sпр.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;

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

Еo=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.

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 d определяют из соотношения (1)

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

Sпр.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;

(DS/L)u - предельная величина относительной разности осадок;

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

Версия для печати


вверх