Перспективные конструкции фундаментов и свай. Часть 1. Фундаменты – ретроспектива и перспективы

В свое время автор решил подойти к вопросу о будущем фундаментов научно-обоснованно и фундаментально. Поэтому, он обратился к трудам известного ученого и фундаменталиста Нострадамуса. И какое разочарование: там, где говорится обо всем, о нашем предмете нет ни слова.

Стало очевидным, что надо решиться и взять на себя. Решить, как всегда, оказалось много легче, чем взять, и что в результате получилось можно узнать из нижеприведенного:

• •    со ссылками на большие авторитеты и не очень (в числе последних не обходя и себя);

• •    с попыткой под ворохом фактов и проблем замаскировать свою пристрастность и допуская крен в удобную для себя сторону;

• •    с целью доказать возможность (используя убойные термины «системный подход», «прогнозирование» и т.п.) применения уже сегодня наилучших решений.

• 2.    Анализ результатов испытаний фундаментов и свай.

Проанализированы данные публикаций по полевым испытаниям всех известных видов фундаментов и свай в разнообразных грунтовых условиях (около 80 конструкций). Все они сгруппированы по видам (забивные блоки; призматические сваи; пирамидальные сваи – с малыми и большими углами наклона боковых граней; булавовидные сваи; козловые, самораскрывающиеся при забивке; буронабивные сваи – с уширениями и без; полые сваи; фундаменты в вытрамбованных котлованах) и сравнены по критерию минимальной материалоемкости – удельной нагрузке, кН/м3.

Оказалось, что в интервале 0... 1500 кН/м3 находится подавляющее большинство конструкций, показатель 1500... 2000 кН/м3 имеют лишь 6 единиц, а > 2000 - только 2 изделия.

Установлены следующие особенности совместной работы с основанием конструкций в двух последних группах:

• •    значительное повышение плотности грунта в большом объеме, сформированном при погружении конструкции;

• •    развитая поверхность контакта конструкции с уплотненным грунтом;

• •    наклонные внутренние поверхности, препятствующие выпиранию грунта при перемещении конструкции под действием нагрузки;

• •    «замыкание» давления от конструкции на внутренне уплотненное грунтовое ядро.

• 3.    Тенденции развития новых конструкций фундаментов и свай.

Рассмотрен патентный фонд по фундаментам и способам их возведения (класс Е02d) 6 ведущих стран за 20 лет (более 4000 единиц), кроме конструкций анкерных, на вечномерзлых грунтах и в сейсмических районах. Все решения сгруппированы по видам и способам возведения с определением для каждого из них тенденций развития: фундаменты на естественном и улучшенном основании; в вытрамбованных (выштампованных) котлованах; забивные блоки и фундаменты; индустриальные сваи (8 групп); буронабивные сваи (3 группы); свайные фундаменты (4 группы).

Общие тенденции развития для всех видов фундаментов:

• •    значительное усложнение формы;

• •    перераспределение усилий в элементах конструкции под нагрузкой;

• •    улучшение свойств основания в процессе возведения фундамента и здания;

• •    переход к сеткам и гибким оболочкам.

• 4.    Обоснование выбора перспективных решений.

• 5.    Перспективные конструкции фундаментов в грунтовых условиях Израиля

С учетом системного подхода, законов развития технических систем, теории решения изобретательских задач сформулированы положения, включаемые в комплекс требований к перспективным конструкциям фундаментов: общетехнические принципы развития; принципы совместной работы с основанием по п. 1; главные тенденции развития, выявленные при анализе патентной информации; минимизация затрат труда и средств при изготовлении и возведении конструкции.

Для процедуры отбора использованы известные приемы прогнозирования с изменениями, учитывающими вышеизложенные положения. Отбор проводится с использованием двух критериев – эффективности К1 (отбор по описательным признакам) и перспективности К2 (отбор на основе НИР, ОКР, проектирования).

Среди указанных в п. 2 конструкций отобрано 250 решений, отвечающих общетехническим принципам развития. Для них определены критерии К1 со следующими результатами: решения 1й, высшей категории эффективности (пионерные решения) -отсутствуют; решений II-й категории 15 единиц.

Для выявления лучшего решения по критерию К2 проведено проектное сравнение на двух площадках (глинистые и песчаные грунты) для группы фундаментов: традиционные, имеющие широкое распространение – столбчатый фундамент, призматическая свая; ограниченного применения и новые – полая свая, пирамидальная, козловая (наивысший показатель по удельной нагрузке); два решения II-й категории эффективности - забивной и свайный фундаменты (разработки автора). При сравнении учитывались факторы: приведенные затраты; стоимость «в деле»; трудоемкость изготовления и монтажа; удельная нагрузка; веса сборных элементов. По итогам сравнения в группу весьма перспективных попали: козловая свая, К2 = 1.4 …1.6; забивной и свайный фундаменты, К2 = 1.4 … 1.8 – авторские разработки.

В самом общем виде грунтовые условия Израиля можно разделить на 2 группы – песчаные (прибрежные районы) и скальные (возвышенные районы). Для каждого вида могут быть предложены с соответствующим обоснованием перспективные конструкции фундаментов. Указанный выше свайный фундамент доведен до рабочих чертежей под маркой «ФСК» и позволяет получать из стандартных элементов фундаменты под нагрузки 0.6...2.2 МН в глинистых грунтах и 1.2...4.0 МН в песчаных при минимальном расходе материалов, простоте армирования и изготовления; погружение ведется серийным сваебойным оборудованием.

В сравнении с традиционными решениями, применение таких фундаментов позволяет сократить:

• •    материалоемкость             - более чем на 30%;

• •    трудоемкость                  - более чем на 25%;

• •    сроки устройства фундаментов - более чем на 25%;

• •    стоимость                    - более чем на 40%.