Свая для противооползневых сооружений на слабых грунтах

 

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкциям свайных элементов противооползневых сооружений. Свая противооползневых сооружений на слабых грунтах содержит: ствол сваи, выполненный квадратным, ромбовидным, овоидальным в плане, призматическим или пирамидальным по высоте, уширения в виде дисков-уширений трапецеидального переменного сечения или постоянного сечения, расположенных симметрично относительно обеих осей симметрии по вершинам свайного тела с квадратным и ромбовидным стволом, уширения выполнены в виде секторных элементов или в виде усеченных многогранных призм или в виде усеченных многогранных призм, постоянного сечения, уширения выполнены в виде трапецеидальных призм переменного сечения с плоскостью симметрии проходящей по средней горизонтальной плоскости, причем при овоидальном сечении ствола уширения выполнены однонаправленными или разнонаправленными относительно сечения ствола, уширения по пирамидальным сваям выполнены внутренними размерами переменной величины, увеличивающими в направлении по их длине снизу вверх с уширением ствола сваи, уширения ствола ромбовидного сечения выполнены в виде усеченных многогранных призматических дисков, расположенных попарно в одной плоскости относительно горизонтальной оси симметрии и чередующиеся с парными дисками уширениями ступенчато с противоположной стороны оси симметрии, причем при выполнении уширений раздельно со стволом сваи диски выполнены треугольного сечения или в виде многогранных призм из железобетона, пластмассы или металла. Раздельно выполненные диски со стволом или скреплены между собой на закладаных болтовых соединениях или выполнены плотным сопряжением при пирамидальных сваях с нанизыванием дисков на сваи или посредством омоноличивания между дисками и призматическими сваями, а нижние уширения, сопрягаемые в верхней части наконечника, выполнены конусными. 1 з.п. ф-лы, 20 ил.

Изобретение относится к строительству, в частности к конструкции свайных элементов противооползневых сооружений, а также зданий промышленного и гражданского строительства возводимых на неустойчивых, оползневых участках с низкими техническими характеристиками грунтов в основании и при этом обводненных с отсутствием или чрезмерно низком расположении устойчивых плотных грунтов а конкретно к свае для противооползневых сооружений на слабых грунтах.

Известна конструкция сваи используемая при возведении промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных глинистых грунтах.

Сваи седловой конфигурации в сборе, имеют длину 3 м. Свая набрана из однотипных ветвей трапецеидального сечения и образующие в сборе треугольное или пятиугольное очертание по периметру.

Недостатки данного технического решения: - недостаточная длина свай; - конструкция не рассчитана на горизонтальные (оползневые) нагрузки; свая не вовлекает пассивный отпор грунта по вертикали; - свая недостаточно вовлекает пассивный отпор по горизонтали; - конструкция обладает малым боковым и лобовым сопротивлением; - конструкция неприемлема для оползневых сооружений.

Известна конструкция пирамидальной сваи железобетонные пирамидальные сваи длиной 2-8 м в верхней конце имеют сечение от 60х60 до 80х80 см. К низу свая суживается с углом при вершине 12-14^о. Сечение у подошвы 7 х 7 см. Арматурой может служить один продольный центральный стержень и несколько сеток в голове сваи.

Недостатки данного технического решения: - сваи применяют в малопросадочных местах и при условии если в верхней части грунтового основания лежит более прочный грунт, чем в нижней; - пирамидальные сваи не рассчитаны на растягивающие усилия и горизонтальные нагрузки; - сваи слабо проявляют вовлечение пассивного отпора по горизонтали;
- конструкция не допускает использования их в качестве анкерных свай;
- конструкция не допускает их использование на оползневых косогорах;
Известны свайные элементы с местным утолщением сваи булавовидного очертания квадратного сечения с уширением (утолщением) в нижней или средней части ствола. При этом утолщение достигает величины (1/2 - 1)В, где В - поперечный разрез свай.

Длина утолщений 0,75 м и не более 2,0 м. Сваи используются в сооружениях на слабых грунтах, в которых прочные слои лежат на глубине 4-10 м, а вышележащие слабые не оказывающие сопротивление погружению.

Недостатки данного технического решения:
- конструкция требует наличия плотных грунтов на глубине 4-10 м;
- конструкция свай слабо проявляет вовлечение пассивного отпора грунта по вертикали;
- недостаточное вовлечение лобового сопротивления;
- незначительное вовлечение сопротивления по боковой поверхности грунта;
- конструкция не приемлема для оползневых массивов т.е. в противооползневых сооружениях;
- конструкция не вовлекает пассивный отпор по горизонтали;
- конструкция не снижает активное боковое давление грунта;
- конструкция не заклинивает сваю в грунте при горизонтальных силовых воздействиях;
- конструкция не работоспособна при слабых грунтах, когда плотный грунт находится значительно ниже отметки ее погружения;
- конструкция сваи непрофилирована по боковым ее граням, что недостаточно обеспечивает вовлечение сопротивления сваи по их боковым граням;
- конструкция учитывая лишь сопротивление грунта, при вертикальных нагрузках, нижним концом сваи и уширениями;
- конструкция малоприемлема при выдергивающих нагрузках;
- конструкция не учитывает отрицательное трение, что не позволяет их использование на слабых грунтах;
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является свая для противооползневых сооружений на слабых грунтах.

Конструкция содержит ствол железобетонный с уширениями выполненными за одно целое со стволом или раздельно с жестким креплением к стволу.

Недостатки данного технического решения:
- конструкция ограничена одним конструктивным решением ствола сваи по его сечению;
- диски-уширения выполнены в одной плоскости горизонтальной что решает проблему лишь при вертикальных нагрузках;
- ограниченность конструктивного исполнения дисков-уширений не вовлекающих пассивный отпор и заклинивания грунта между сваями;
- свая не ориентирована осью симметрии по противоположным вершинам к оползневым нагрузкам, что снижает ее устойчивость и недостаточно обеспечивает защиту грунта от его прорезания между сваями.

Предлагаемое техническое решение отличается тем, что ствол выполнен квадратным, ромбовидным или овоидальным в плане, призматическим или пирамидальным по высоте, а уширения - в виде дисков трапецеидального постоянного или переменного сечения, расположенных симметрично относительно обеих осей симметрии по вершинам квадратного или ромбовидного в сечении ствола или симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии квадратного, ромбовидного или овоидального в сечении ствола, или уширения выполнены в виде секторных элементов, или в виде усеченных многогранных призм постоянного сечения, расположенных при двух противолежащих вершинах квадратного сечения ствола, чередующихся по высоте с уширениями в виде ломанных трапецеидальных призм постоянного сечения, расположенными при двух других противолежащих вершинах квадратного сечения ствола, или уширения выполнены в виде трапецеидальных призм переменного сечения с плоскостью симметрии, проходящей по средней горизонтальной плоскости, причем при овоидальном сечении ствола уширения выполнены в виде одно или разнонаправленных, относительно ствола, дисков, уширения по пирамидальной свае выполнены внутренними размерами переменной величины, увеличивающимися в направлении по их длине снизу вверх в соответствии с уширением ствола, причем уширения выполнены в одной горизонтальной плоскости, либо в разных уровнях по высоте ствола, а уширения ствола ромбовидного сечения выполнены в виде усеченных многогранных призматических дисков, расположенных попарно в одной плоскости относительно горизонтальной оси симметрии и чередующихся с парными дисками-уширениями ступенчато с противо- положной стороны оси симметрии, причем при выполнении уширений раздельно со стволом сваи, диски выполнены треугольного сечения или в виде многогранных призм из железобетона, пластмассы или металла, и наконец раздельно выполненные уширения со стволом или скреплены между собой на закладных болтовых соединениях или выполнены плотным их сопряжением при пирамидальных сваях или посредством омоноличивания между уширениями и призматическими сваями а нижние уширения сопрягаемые в верхней части наконечника (острия сваи) выполнены конусными.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что свая для противооползневых сооружений на слабых грунтах отличается как конфигурацией тела сваи в плане так и конфигурацией дисков-уширений с их расположением относительно длины и в сечении, кроме этого уширения выполнены как в монолите с телом сваи так и раздельным их изготовлением, соединенных, в случае раздельного их изготовления, с телом сваи на болтовых соединениях или за счет омоноличивания мест сопряжения между дисками-уширениями и призматическим телом сваи, при этом уширения выполнены внутренним диаметром увеличивающим в направлении снизу вверх по высоте дисков-уширений. Диски-уширения выполнены трапецеидального или треугольного сечения из железобетона, пластмассы или металла. Наряду с указанным, диски-уширения выполнены по периметру сваи или в продолжении наружных граней тела сваи, размещены попарно по противоположным вершинам с чередованием по высоте сваи с дисками-уширениями размещенными попарно по другим противоположным вершинам, кроме того выполнены в виде усеченных многогранных призм или трапецеидальных секторного типа, а также расположенных в виде одно или разнонаправленных относительно ствола овоидального тела сваи.

Эти отличия позволяют сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и другими техническими решениями в данной и смежных областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображен боковой вид квадратной сваи с дисками-уширениями; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид в плане сваи с ромбовидным телом и трапецеидальными дисками-уширениями переменного уменьшающего сечения в направлении от горизонтальной оси симметрии; на фиг.4 - боковой вид сваи фиг.3; на фиг.5 - варианта плана квадратной сваи с накладными дисками-уширениями; на фиг.6 - фрагмент бокового вида сваи фиг.5 с дисками-уширениями треугольного сечения; на фиг.7 - боковой вид пирамидальной сваи со съемными дисками-уширениями; на фиг. 8 - вариант закрепления дисков-уширений треугольного сечения к прямоугольной в сечении сваи; на фиг.9 - вид Б-Б на фиг. 8; на фиг.10 - разрез С-С овоидальной сваи с одноименно-направленными дисками-уширениями; на фиг. 11 - боковой вид овоидальной сваи с овоидальными диска- ми-уширениями; на фиг.12 - вариант разреза С-С на фиг.11 с разноименно (противоположно) направленными дисками-уши- рениями относительно тела сваи; на фиг.13 - вид в плане фиг.14 с дисками-уширениями секторного типа; на фиг. 14 - боковой вид Д-Д на фиг.13; на фиг.15 - вид в плане З-З ромбовидной сваи с раздельными усеченными шестигранными призматическими дисками-уширениями; на фиг. 16 - боковой вид Е-Е на фиг.15; на фиг.17 - вид в плане ромбовидной сваи с монолитно выполненными усеченными четырехгранными призматическими дисками-уширениями; на фиг.18 - вид Г-Г на фиг.17; на фиг. 19 - вид в плане квадратной сваи с дисками-уширениями попарно расположенными по вершинам свай; на фиг.20 - боковой вид сваи фиг.19.

Свая для противооползневых сооружений на слабых грунтах содержит: ствол сваи, выполненный квадратным 1 (фиг.1, 2, 5, 6, 7, 19, 20), ромбовидным 2 (фиг.3, 4, 13, 14, 15, 16, 17, 18), овоидальным 3 (фиг.10, 11, 12) в плане, призматическим (фиг. 1, 23, 4, 5, 6, 8, 9, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20) или пирамидальным (фиг. 7) по высоте, уширения 4 в виде дисков-трапецеидального постоянного сечения (фиг.1, 2, 10), уширения 5 в виде дисков-уширений трапецеидального переменного сечения (фиг.3, 4, 12), расположенных симметрично относительно обеих осей симметрии 6, 7 по вершинам свайного тела с квадратным 1 и ромбовидным 2 стволом или симметрично относительно вертикальной 6 плоскости симметрии квадратного 1, ромбовидного 2 или овоидального 3 в сечении ствола, уширения 5, выполнены в виде секторных элементов 9 (фиг. 13, 14) или в виде усеченных многогранных призм 9 (фиг.15, 16, 17, 18) или в виде ломанных трапецеидальных призм 10 (фиг.19, 20) постоянного сечения, расположенных при двух противоположных вершинах квадратного 1 сечения ствола, чередующихся по высоте с уширениями 5 в виде ломанных трапецеидальных призм 10 постоянного сечения, расположенными при двух других противолежащих вершинах квадратного 1 сечения ствола, уширения 5 выполнены в виде трапецеидальных призм 9 переменного сечения с плоскостью симметрии проходящей по средней горизонтальной плоскости (фиг.12) причем при овоидальном 3 сечении ствола уширения 4, 5 выполнены однонаправленными (фиг. 10) или разнонаправленными (фиг.12) относительно сечения ствола 3, уширения 11 по пирамидальным сваям (фиг.7) выполнены внутренними размерами переменной величины, увеличивающими в направлении по их длине снизу вверх в соответствии с уширением ствола сваи, причем уширения 4, 5, 11 выполнены в одной горизонтальной плоскости (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) либо в разных уровнях (фиг.15, 16, 17, 18, 19, 20) по высоте ствола, а уширения - 5 ствола ромбовидного сечения 2 ( фиг.15, 16, 17,18) выполнены в виде усеченных многогранных призматических дисков 9 расположенных попарно в одной плоскости относительно горизонтальной оси симметрии 7 чередующихся с парными дисками-уширениями 9 ступенчато с противоположной стороны оси симметрии 7, причем при выполнении уширений 11, 5, раздельно (фиг.5, 6, 7, 8, 9) со стволом сваи диска 12 выполнены треугольного сечения или в роде многогранных призм 9 (фиг.15, 16) из железобетона, пластмассы или металла. Раздельно выполненные диски 12, 9 со стволом или скреплены между собой на закладных болтовых соединениях 13 (фиг.5, 6, 15, 16) или выполнены плотным сопряжением при пирамидальных сваях (фиг.7) или посредством омоноличивания 14 между дисками 12 и призматическими сваями (фиг.8) а нижние уширения сопрягаемые в верхней части наконечника (острия сваи) 15 выполнены конусными 16 (фиг.2, 11).

Свая для противооползневых сооружений работает следующим образом.

Пример работы сваи ствол которой выполнен ромбовидным сечением с монолитно выполненными дисками-уширениями (фиг.17, 18).

На сваю, содержащую ромбовидный 2 ствол и выполненные с ним заодно уширения 5 в виде усеченных многогранных призматических дисков 9 расположенных попарно в одной плоскости относительно горизонтальной оси симметрии 7 и чередующиеся с парными дисками уширениями 9 ступенчато с противоположной стороны оси симметрии 7 и соориентированные вертикальной осью симметрии 6, в направлении действия оползневых сил, оказывают давление эти силы, стремясь деформировать сваю, однако свая находится в устойчивом состоянии, благодаря значительному снижению сил оползневого давления за счет воздействия на наклонные грани ромбовидного 2 ствола растекающего потока оползневого водонасыщенного слабого грунта, при этом диски-уширения 5 выполненные усеченными многогранными призмами 9 увеличивают плоскость обтекания грунта, вызывая дополнительное снижение оползневого давления, в свою очередь противоположные грани ромбовидного 2 ствола сваи, снабженные также дисками-уширениями 5 из усеченных многогранных призм 9 обеспечивают заклинивание грунта между сваями и вовлекают пассивный отпор грунта его плоскостями, удерживая сваю в устойчивом состоянии, снижению активного давления грунта способствует и наклонные грани, со стороны давления грунта дисков-уширений 5, выполненных с наклоном в сторону сил оползневого воздействия, кроме этого наползающий грунт между дисками-уширениями 5 заклинивается за счет наклонных нижних и верхних граней, смежных по высоте дисков-уширений 5, в свою очередь, наличие дисков-уширений 5 в виде призм 9 обеспечивает устойчивость свай и в вертикальном направлении, не допуская осадки свай, исключая и отрицательное трение как важный фактор устойчивости сваи и повышения ее несущей способности при вертикальных нагрузках за счет вовлечения призменного высотного пассивного отпора создаваемого дисками-уширениями 5 их нижними наклонными гранями, помимо указанного грунт, располагаемый между дисками-уширениями 5, воздействует на тело (ствол) сваи 2 сниженной весовой пригрузкой за счет наклона верхней грани каждого диска-уширения 5 в направлении к голове ствола сваи 2, другая же составляющая весовой пригрузки направлена от ствола сваи 2, способствует повышению сопротивления перемещения сваи 2 в вертикальном направлении, наличие же дисков-уширений 5 увеличивает боковую поверхность сваи, а следовательно и сопротивление по боковой поверхности, кроме того указанные увеличивают и лобовое сопротивление сваи, за счет вовлечения в работу удерживающих сил наклонными нижними гранями каждого из дисков-уширений 5 располагаемых по высоте сваи, помимо наконечника 15 сваи.

Использование предлагаемого технического решения позволит:
- решить проблему строительства на слабых водонасыщенных глинистых, песчаных грунтах имеющей важное народно-хозяйственное значение с возможностью освоения новых территорий ранее не подлежащих застройке;
- решить проблему закрепления оползневых косогоров, посредством свайного их закрепления предлагаемой конструкцией в вариантах, на слабых грунтах;
- конструкция свай значительно повышает несущую способность и устойчивость их как по вертикали, так и горизонтали за счет:
а) вовлечения пассивного отпора по горизонтали;
б) повышенного сопротивления сваи по боковой их поверхности;
в) увеличения лобовой поверхности по промежуточным дискам-уширениям;
г) вовлечения призматического вертикального пассивного отпора грунта;
д) снижения активного давления грунта в особенности при ромбовидном очертании сваи и при овоидальном;
е) обжатия сваи с заклиниванием ее за счет заданной ориентации дисков-уширителей;
- использовать сваю и на выдергивающие нагрузки;
- отказаться от традиционных методов стабилизации оползневых водонасыщенных косогоров со слабыми грунтами;
- повысить эксплуатационную надежность сооружений из свай предлагаемой конструкции;
- конструкция свай значительно снижает отрицательное трение за счет дисков-уширений;
- позволяет повысить сопротивление перемещению свай за счет разложения сил от грунта находящегося между дисками на составляющие, при этом вертикальные силы снижают давление на сваю за счет воздействия на наклонную верхнюю часть трапецеидальной призмы диска-уширения а другая составляющая весовой пригрузки направлена от сваи в сторону прилегаемого со сваей грунта, вызывая дополнительное сопротивление перемещению сваи;
- снизить давление сил оползневого грунта как за счет принятой конфигурации и ориентации тела свай так и дисков-уширений принятых в вертикальной приработке;
- расположение дисков-уширений ступенчато по фиг.15, 16, 17, 18 обеспечивает заклинивание наползающего грунта между дисками за счет заданной конфигурации последним;
- расположение дисков-уширителей на заданном расстоянии с учетом их конфигурации способствует послойному расчленению оползневого грунта по высоте сваи и частичному взаимопогашению сил оползневого грунта за счет наклонных смежных граней дисков-уширений;
- позволить изготавливать сваи в обычной опалубке при варианте раздельного изготовления тела сваи и дисков-уширений;
- использование нанизываемых дисков-уширений на пирамидальные сваи обеспечит обжатие дисков с телом сваи при их забивке;
- использование нанизываемых дисков-уширений на сваи квадратного сечения с сопряжением дисков с телом сваи посредством омоноличивания бетоном или раствором обеспечит надежное взаимодействие последних без переустройства опалубки квадратных свай;
- повысить надежную эксплуатацию гражданских зданий и сооружений возводимых на оползневых косогорах и гарантировать стабилизацию оползней в особенности на слабых грунтах (плывунных, илистых, песчаных, глинистых и водонасыщенных, при этом).

Формула изобретения

1. СВАЯ ДЛЯ ПРОТИВООПОЛЗНЕВЫХ СООРУЖЕНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ, включающая железобетонный ствол с уширениями, выполненными за одно целое со стволом или раздельно с жестким креплением к стволу, отличающаяся тем, что ствол выполнен квадратным, ромбовидным или овоидальным в плане, призматическим или пирамидальным по высоте, а уширения - в виде дисков трапецеидального постоянного или переменного сечения, расположенных симметрично относительно обеих осей симметрии по вершинам квадратного или ромбовидного в сечении ствола или симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии квадратного, ромбовидного или овоидального в сечении ствола, или уширения выполнены в виде секторных элементов или в виде усеченных многогранных призм, или в виде ломаных трапецеидальных призм постоянного сечения, расположенных при двух противолежащих вершинах квадратного сечения ствола, чередующихся по высоте с уширениями в виде ломаных трапецеидальных призм постоянного сечения, расположенными при двух других противолежащих вершинах квадратного сечения ствола, или уширения выполнены в виде трапецеидальных призм переменного сечения с плоскостью симметрии, проходящей по средней горизонтальной плоскости, причем при овоидальном сечении ствола уширения выполнены в виде одно- или разнонаправленных относительно сечения ствола дисков, уширения по пирамидальной свае выполнены внутренними размерами переменной величины, увеличивающимися в направлении по их длине снизу вверх в соответствии с уширением ствола сваи, причем уширения выполнены в одной горизонтальной плоскости либо в разных уровнях по высоте ствола, а уширения ствола ромбовидного сечения выполнены в виде усеченных многогранных призматических дисков, расположенных попарно в одной плоскости относительно горизонтальной оси симметрии и чередующихся с парными дисками-уширениями ступенчато с противоположной стороны оси симметрии, причем при выполнении уширений раздельно со стволом сваи диски выполнены треугольного сечения из железобетона, пластмассы или металла.

2. Свая по п.1, отличающаяся тем, что нижние уширения выполнены с конусным их окончанием по острию сваи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20