Сваи, в зависимости от характера работы в грунте, делятся на два основных типа: сваи-стойки и висячие сваи. Выбор их типа зависит от гидрогеологических условий строительства и прочностных характеристик грунтов основания.
Сваи-стойки опираются на плотный, практически несжимаемый грунт (например, скала или мергель), и несущая способность их не зависит от прочности окружающего грунта, так как он не принимает участия в работе. Поскольку нагрузка, приложенная к голове сваи-стойки, воспринимается основанием только у нижнего конца, то сваи-стойки имеют тенденцию деформироваться под действием продольного изгиба. Поэтому этот фактор необходимо учитывать при проектировании свайного фундамента (рис. 1, а).
Висячие сваи отличаются от свай-стоек тем, что передаваемая ими нагрузка воспринимается основанием, как под остриём сваи, так и на ее боковой поверхности. Сжимающее усилие постепенно уменьшается и у острия оно значительно меньше, чем у верхнего конца. Поэтому у висячей сваи можно пренебречь влиянием продольного изгиба.
При использовании висячих свай следует отдавать предпочтение более длинным сваям с тем, чтобы лучше использовать их работу на трение о грунт и иметь возможность доводить их до более плотного грунта (рис. 1, б).
Чем больше глубина забивки висячей сваи и чем больше ее диаметр, тем большая доля приложенной к ней нагрузки будет передаваться основанию через трение на боковой поверхности. Однако, с течением времени, часть этой нагрузки вследствие явления релаксации в грунтах (особенно в глинистых) перейдет на остриё сваи.
Рис. 1. Типы свайных фундаментов а - на сваях-стойках; б - на висячих сваях
Сваи различных видов в настоящее время широко применяются при конструировании свайных фундаментов. Виды свай в проектах свайных фундаментов могут быть одного вида или разных. Для удобства конструирования и их производства существует обширная классификация, позволяющая максимально оптимизировать проекты свайных фундаментов с учётом гидрогеологических условий строительной площадки.
В зависимости от различных признаков сваи классифицируются следующим образом:
- по способу устройства – изготавливаемые заранее (например, деревянные, железобетонные, винтовые) и устраиваемые на месте (например, бетонные набивные);
- по способу погружения в грунт – забивные, погружаемые вибрацией, вдавливанием и вибровдавливанием, погружаемые с подмывом водой или с использованием лидерного бурения, винтовые и набивные;
- в зависимости от материала – деревянные, железобетонные, бетонные, стальные и комбинированные;
- по направлению погружения – вертикальные и наклонные (с наклоном от 1:8 до 1:2);
- по характеру действующего усилия – сжатые и растянутые, а также работающие на изгиб;
- по форме поперечного сечения – круглые, квадратные, прямоугольные, треугольные, многогранные (сплошные и полые), трубчатые, крестового сечения и др;
- в зависимости от профиля в продольном сечении – цилиндрические или призматические, конические или пирамидальные, незакономерной формы (например, свая Э. Страуса), с рифлёной поверхностью (например, частотрамбованные сваи) и др.
Забивка свай в грунт наиболее часто используется в строительной практике. Для забивки свай используют различное сваебойное оборудование.
Для погружения забивных свай в грунт обычно применяют установки, состоящие из молота (или вибратора), создающего силовые воздействия, и копра, служащего для подвески молота и направления сваи при забивке. Нередко для подвески молота или вибратора вместо копров используют краны.
Кроме этого при устройстве свайных фундаментов в жилых массивах применяют способ вдавливания забивных свай. Это позволяет избежать влияния значительных вибраций на соседние дома и сооружения.
Забивка свай молотами наиболее часто применяется в строительной практике. По принципу привода молоты делят на механические, паровоздушные и дизель-молоты.
Под сваебойным агрегатом подразумевается базовая машина одноковшового экскаватора, крана или трактора. На эти машины устанавливается копер, на котором закрепляется свая и молот.
Механические молоты в настоящее время применяют редко, така как они обладают низкой производительностью. Наиболее часто применяются дизель-молоты и различного вида вибропогружатели.
| Подвесной молот (баба) представляет собой тяжелую чугунную отливку, которая с помощью лебедки поднимается по направляющим стрелам копра на требуемую высоту, а затем, отцепившись от крюка, в свободном падении ударяет по голове сваи.
Подвесные молоты, применяемые для забивки свай, имеют значительный вес, достигающий 8-10 т и более, и обладают большой погружающей способностью в любых нескальных грунтах.
Высота подъема молота практически не ограничена, но следует иметь в виду, что если она превышает 2,5-3 м, то значительная часть энергии расходуется на неполезную работу (например, разбивку головы сваи).
Согласно СНиП Ш-Б.6-62 вес ударной части молота одиночного действия (свободно падающего) при длине сваи более 12 м должен равняться весу сваи (или оболочки), а при длине сваи до 12 м - ее полуторному весу при забивке в плотные грунты и 1,25 веса, если грунты средней плотности. Во всех случаях в вес сваи включается и вес наголовника.
Производительность подвесных молотов сравнительно невелика. К недостаткам их относится также необходимость защищать голову сваи специальным наголовником.
В последнее время подвесные молоты вытесняются более совершенными паровоздушными и дизель-молотами.
| Паровоздушные молоты имеют широкий спектра применения. Паровоздушными молотами забивают сваи, изготавливают поковки из металла в кузнечно-прессовом производстве. Необходимым и главным условием использования паровоздушных молотов является наличие компрессорной или паросиловой установки. Это условие и есть главный тормоз при их использовании.
Паровоздушные молоты бывают одиночного, если падение молота происходит только под действием силы тяжести, и двойного действия, если энергия падения увеличивается за счет давления пара или сжатого воздуха.
Вес молота одиночного действия составляет обычно от 1,25 до 6,0 т, при высоте падения 1,3-1,5 м и числе ударов в минуту 30-40.
Молоты двойного действия обеспечивают высокую частоту ударов (до 300 в минуту у легких и до 100 - у тяжелых) и являются более производительными. Они выгодно отличаются легкостью монтажа и демонтажа, малыми габаритами, автоматичностью работы, могут применяться без копра (при замене его свободной подвеской), забивать сваи под углом, работать под водой на значительной глубине.
Паровоздушные молоты применимы для забивки свай практически в любых нескальных грунтах.
Дизель-молоты - это погружатели свай использующие энергию сгорания дизельного топлива. Дизель-молоты принадлежат типу свободнопоршнеых двигателей. У них нет кривошипно-шатунного механизама. В дизель-молотах передача энергии сгорающих и расширяющихся газов передается на ударную часть напрямую.
Дизель-молоты отличаются от паровоздушных тем, что подъем ударной части у них производится за счет энергии рабочего хода двухтактного дизельного двигателя. Наша промышленность выпускает дизель-молоты двух типов: штанговые и трубчатые.
В основном выпускаются и применяются дизель-молоты штангового типа, ударной частью которых является подвижной цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направляющих штангах. Приводимый в действие движущимся цилиндром насос высокого давления подает топливо в форсунку камеры сгорания по трубке, расположенной в блоке поршня.
В трубчатом дизель-молоте ударной частью служит тяжелый подвижной поршень, а цилиндр неподвижен и выполняет роль направляющей конструкции. Насос низкого давления только дозирует подачу топлива в камеру сгорания; распыление его достигается ударом головки поршня по сферической впадине цилиндра, куда поступает топливо из насоса.
Штанговые молоты работают при меньшей высоте подъема и более высокой степени сжатия, из-за чего энергия их удара в 2 - 3 раза меньше, чем у соответствующих трубчатых молотов.
Для забивки железобетонных свай длиной до 8-10 м, сечением 30х30 и 35x35 см и весом до 2-2,5 т обычно пользуются штанговыми дизель-молотами с весом ударной части 1200- 2500 кг. Рекомендуется, чтобы отношение веса ударной части дизель-молота к весу сваи было не менее чем 1,25. Однако для трубчатых дизель-молотов, которые обладают значительно большей энергией удара и более эффективны, это отношение может быть уменьшено до 0,7-0,5.
Дизель-молоты имеют собственный источник энергии, что особенно важно при забивке коротких свай, когда необходимы частые передвижки сваебойной установки. Они применимы как при глинистых, так и при песчаных грунтах. Однако в плотных песчаных грунтах рекомендуется дополнительно применять подмыв.
Серьезным недостатком дизель-молотов является их плохая заводимость при погружении в грунты с сильно сжимаемыми прослойками и в мягкие податливые грунты.
Вибропогружение свай в последние годы начало широко применяться для всех видов свай. Для вибропогружения свай используються вибропогружатели различных конструкций и марок. Уже около 20 лет успешно применяется предложенный проф. Д. Д. Барканом эффективный метод погружения свай с помощью вибрации. Прикрепленный к голове сваи вибропогружатель, представляющий собой электромеханическую машину с эксцентриковыми грузами (дебалансами), создает направленную продольную возмущающую силу, являющуюся суммарной центробежной силой дебалансов вибратора. Эта возмущающая сила позволяет преодолеть сопротивление трения на боковой поверхности сваи и лобовое сопротивление грунта под ее острием и тем самым обеспечивает периодический «срыв» сваи.
Вибропогружатели бывают различных конструкций и типов. Амплитуда колебаний вибросистемы (вибропогружатель - свая) и ее вес должны быть достаточно велики, чтобы разрушить структуру грунта и вызвать в нем необратимые деформации. Амплитуда колебаний в свою очередь зависит от величины возмущающей силы.
Амплитуда колебаний вибросистемы (вибропогружатель - свая) и ее вес должны быть достаточно велики, чтобы разрушить структуру грунта и вызвать в нем необратимые деформации. Амплитуда колебаний в свою очередь зависит от величины возмущающей силы.
Применение вибрации обеспечивает предохранение голов свай от разбивки. Для погружения свай используют низкочастотные и высокочастотные вибропогружатели или виброударные машины.
| Виброударное погружение свай обеспечивает сочетание преимуществ вибропогружателей и обычных свайных молотов. Виброударный механизм наносит свае ударные импульсы и одновременно передает вибрацию через упругое (например, из пружин) соединение вибровозбудителя со сваей. Сваепогружающую машину с использованием такого механизма называют вибромолотом.
Преимуществом вибромолотов по сравнению с вибропогружателями является способность к самонастройке, заключающаяся в том, что при увеличении сопротивления грунта погружению сваи увеличивается энергия удара.
| |
| | | Вибровдавливание позволяет более эффективно использовать высокочастотные вибраторы для погружения свай в грунт. Сущность этого метода заключается в передаче на погружаемую сваю дополнительного статического давления от веса самой копровой установки. Для этого обычно используются пригрузочные лебедки и полиспасты.
На базе серийных тракторов С-100 и Т-140 созданы высокопроизводительные мобильные установки ВВПС 20/11 и ВВПС 32/19, работающие по принципу вибровдавливания. Возмущающая сила, создаваемая их вибраторами, соответственно 20 и 32 т, а вдавливающее усилие- 11 и 19 т. Эти механизмы имеют паспортную производительность 14-16 свай длиной 6 - 7 м за смену, однако, как показала практика, паспортная производительность может быть значительно превышена, особенно в слабых грунтах, причем длина свай может доходить до 12 и 14 м. С помощью ВВПС 20/11 и ВВПС 32/19 можно также выдергивать сваи из грунта
Имеются установки типа ВВПС, позволяющие погружать как вертикальные, так и наклонные сваи.
| | | | | | |
| В глинистых грунтах с консистенцией В>0,25, т. е. тугопластичных или более мягких глинах и суглинках, можно использовать агрегат вдавливания свай АВС-35, состоящий из двух тракторов С-80. На одном из тракторов смонтированы лебедки со специальной системой полиспастов и направляющей стрелой, другой используется в качестве пригрузочного.
При погружении свай вдавливанием основное время расходуется на подготовительные операции, скорость погружения достигает 1,5-2 м в минуту и производительность агрегата составляет 15-20 свай в смену.
Агрегат АВС-35 отличается высокой производительностью, отсутствием динамических воздействий, позволяет достигнуть большей сохранности головы и ствола свай, что важно при агрессивной среде, а ввиду спокойного характера погружения свай дает возможность использовать при изготовлении их более низкие чем обычно марки бетона и сократить расход стали.
Агрегат АВС-35 нельзя применять при песчаных грунтах и супесях, а также в тех случаях, когда верхние концы ранее забитых свай выступают из земли более чем на 10-20 см и мешают передвижению агрегата. Существенным недостатком АВС-35 является слабая его маневренность из-за пригрузочного трактора.
| | При забивке свай в песчаные грунты на глубину 5-6 м и более из-за большого сопротивления погружению производительность работ резко снижается, и значительная часть энергии молотов расходуется на разрушение голов свай. В таких условиях применяют подмыв напорной водой.
В грунт погружают снабженные насадкой стальные трубки с внутренним диаметром 38-100 мм, через которые подают воду под давлением 4-12 атм. Трубки опускают с таким расчетом, чтобы они находились на 0,25-0,5 м ниже острия сваи. Непрерывно поступающая струя воды размывает грунт, а частицы его вместе с водой выносятся наружу. Сопротивление грунта под острием сваи и трение на ее боковой поверхности снижается при этом настолько, что свая погружается под действием собственного веса и веса молота, установленного на ее голову. В необходимых случаях по свае наносят легкие удары молотом. Чтобы легче контролировать заглубление насадки по отношению к острию сваи, делают разметку подмывных трубок и свай.
Величина напора воды назначается с учетом плотности и сопротивления грунта размыву и глубины погружения сваи. Вода в подмывные трубки подается центробежным насосом.
Подмыв рекомендуется вести с помощью двух свободно подвешенных на блоках подмывных трубок, симметрично расположенных относительно оси сваи. Применение одной трубки обычно приводит к смещению в ее сторону конца сваи.
Последние 1,0-1,5 м сваю забивают без подмыва - молотом или вибропогружателем, что приводит к уплотнению песчаного грунта вокруг сваи и обеспечивает требуемую несущую способность.
Во избежание засорения отверстий в насадках и засасывания грунтом подмывных трубок их попеременно опускают и поднимают лебедкой. В глинистых грунтах после подмыва трение на боковой поверхности сваи полностью не восстанавливается. Однако при использовании свай-стоек это практического значения не имеет.
При погружении наклонных свай можно обходиться одной подмывной трубкой, опуская ее в грунт по верхней грани сваи.
| |
Нередко встречаются условия, при которых применение забивных, заранее изготовленных свай связано с большими трудностями или же вовсе невозможно. Опирающиеся на глубоко расположенные прочные слои грунта забивные железобетонные сваи имеют значительные размеры и вес, из-за чего усложняются их погрузка, перевозка, установка на копер и требуется громоздкое сваебойное оборудование. Иногда, например, при строительстве в оползневой зоне или по соседству с поврежденными зданиями забивные сваи могут оказаться неприемлемыми.
Тогда приходится применять устраиваемые на месте набивные бетонные сваи. Первые такие сваи были изобретены и применены в 1899 г. киевским инженером Страусом. В настоящее время существует три вида набивных свай:
- изготавливаемые в скважине, временно закрепленной оболочкой, которую затем извлекают из грунта;
- изготавливаемые в незакрепленной скважине;
- изготавливаемые в скважине, постоянно закрепленной оболочкой.
К первой группе относятся сваи Страуса, частотрамбованные, «Франки»; ко второй группе - буронабивные, «Компрессоль», виброштампованные; к третьей - сваи «Раймонд» и другие.
При изготовлении набивных бетонных свай следует руководствоваться СНиП III-Б. 6-62.
| | Для устройства свай Страуса в грунте бурят скважину под защитой обсадной трубы диаметром 30-40 см. Мягкие грунты проходят с применением змеевика или ложки, твердые прослойки - ударным бурением (долотом), а в жидких грунтах пользуются желонкой.
По мере выемки грунта обсадная труба осаживается. Чтобы облегчить погружение трубы в грунт, к торцу ее приваривается стальное кольцо, снабженное зубцами. Усиленный таким образом торец трубы называют фрезером.
При бурении скважин в легкоразмываемых грунтах уровень воды в обсадной трубе должен не менее чем на 1 м превышать естественный уровень грунтовых вод. В водоносных грунтах обсадные трубы следует погружать с таким расчетом, чтобы фрезер все время находился на 0,5-0,7 м ниже грунта в забое скважины.
При опирании сваи Страуса на твердые породы ее пята должна быть заглублена в эти породы не менее чем на 20 см, а при опирании на глины - не менее чем на глубину, равную диаметру сваи.
По достижении требуемой глубины производят зачистку скважины. Затем в обсадную трубу с помощью бадьи с открывающимся дном загружают бетон порциями с высотой слоя до 1 м. Бетон уплотняют трамбовкой и одновременно постепенно извлекают обсадную трубу с таким расчетом, чтобы высота бетонной пробки в ней была не менее 30-40 см. Это необходимо для сохранения цельности бетонного ствола сваи. Затем загружают следующую порцию бетона, и вся операция повторяется.
При отсутствии в скважине воды бетонирование ведется жестким бетоном с осадкой корпуса 5-6 см, а при наличии воды - подводным способом, бетонной смесью с осадкой конуса 12 - 16 см.
При устройстве набивных свай в насыщенных грунтах иногда перед бетонированием в обсадную трубу погружают короткую деревянную свайку и забивают ее в грунт с помощью трамбовки, а затем, после зачистки скважины, производят бетонирование ствола сваи с одновременным подъемом обсадной трубы.
При усилении фундаментов существующих зданий для контроля цельности свай можно применить их обжатие домкратами, используя в качестве упора стены зданий.
Устройство свай Страуса производится без предварительного уплотнения грунта, вследствие чего сваи имеют неправильную форму с утолщениями тем большими, чем слабее окружающий грунт. Из-за неправильной формы сваи расход бетона на ее изготовление увеличивается на 30-50%. К недостаткам сваи Страуса относятся также ее высокая стоимость, определяемая трудоемкостью бурения, медлительность работ, отсутствие гарантии в цельности ствола и значительное ослабление грунта при бурении, из-за чего снижается боковое трение. В то же время эти сваи обладают и многими достоинствами.
Наиболее существенными достоинствами свай Страуса являются:
- возможность их устройства без сотрясений грунта, что особенно важно при строительстве в условиях действующего предприятия и при усилении фундаментов аварийных зданий;
- возможность работать внутри помещений ограниченной высоты, например, в подвалах;
- благодаря бурению легко проходить твердые или каменистые прослойки и в процессе работы получать точную картину напластований грунта.
| | | | Буронабивными сваями принято называть сваи из литого бетона, устраиваемые в полостях, образованных бурением грунта без обсадных труб. Сохранность стенок скважин обеспечивается связностью глинистого грунта, а в неустойчивых грунтах (в том числе в песчаных, насыщенных водой) - бурением под глинистым раствором.
Для бурения скважин в устойчивых маловлажных грунтах применяются буровые агрегаты шнекового бурения. Агрегатом УГБХ-150 можно бурить скважины диаметром 400-600 мм и глубиной до 10-25 м, агрегатом УГБ-50 - скважины диаметром 300-400 мм и глубиной до 10 м, установкой СО-500/1600 - скважины диаметром 500 мм и глубиной до 15 м.
Для бурения скважин под глинистым раствором применяют станки УРБ-3АМ и УГБХ-150, которые с помощью специальных шарошечных долот бурят скважины диаметром 400-700 мм на глубину до 25 м. Глинистый раствор приготовляется в специальных глиномешалках и подается в скважину насосами ПГР или 9МГР производительностью 15 м3/ч. Отработанный раствор по лоткам отводится в зумпф.
Для образования ствола сваи применяют бетон с осадкой конуса 18 см. Бетонирование производится с помощью вертикально перемещаемой трубы - ВПТ. Емкость приемной воронки должна быть не менее емкости трубы.
Перед началом бетонирования труба полностью заполняется литым бетоном, который внизу удерживается донной крышкой. В течение всего процесса бетонирования труба должна быть заполнена бетоном, а бетон в скважине должен возвышаться над нижним концом трубы не менее чем на 2 и не более чем на 4 м. Процесс бетонирования ведется непрерывно. Применение вибрации для уплотнения бетона не допускается во избежание его расслоения и обваливания стенок скважины и перемешивания грунта с бетоном.
С целью повышения несущей способности буронабивных свай, их можно устраивать с уширенной пятой.
Достоинства буронабивных свай
Достоинствами буронабивных свай являются:
- возможность создания глубоких опор (до 30 м и более) с прорезкой практически любых грунтов;
- большая несущая способность;
- возможность выполнять работы в любое время года и производить их без сотрясения окружающего грунта.
В то же время буронабивные сваи имеют и существенные недостатки. Главный из них - несовершенство технологии бурения - необходимо использовать одновременно два крана (один для подвески бетонопровода, другой - для подачи бетона) и наращивать трубы бетонопровода, а это вызывает задержки в работе и удорожает стоимость свай. Кроме того, контроль цельности ствола осуществляется только путем сопоставления расчетного и фактического объема бетона и не является достаточно надежным. Нет возможности определить и качество контакта между подошвой сваи и грунтом основания (образование слоя взрыхленного или разбухшего (в глинах) грунта). И, наконец, грунт вокруг ствола не уплотняется, из-за чего трение на боковой поверхности оказывается значительно меньшим, чем у забивных свай.
| | | | | |