3.3.2. Сваи по материалу и способу погружения.
Существуют следующие виды свай:
а) сваи забивные железобетонные и деревянные, погружаемые в грунт с помощью молота, вибропогружателей и вибровдавливающих агрегатов;
б) сваи-оболочки железобетонные;
в) сваи набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте на месте;
г) сваи буроопускные железобетонные, устраиваемые из готовых железобетонных элементов, погружаемых в заранее пробуренные в грунте скважины;
д) сваи винтовые со стальным или железобетонным стволом.
Рис. 60. Типы железобетонных свай.
а — призматические сваи сплошного сечения; б — призматические сваи с круглой полостью; в — сваи с уширением в нижней части; г — пирамидальные сваи; д — сваи переменного сечения; е, ж, з, и — сваи с поперечным сечением в виде креста, тавра, двутавра, швеллера соответственно; к — полые круглые сваи; л — сваи-оболочки; м — винтовые сваи
В процессе забивки свай образуется уплотненная грунтовая зона в основном в пределах 3d, где d — сторона или диаметр поперечного сечения свай. Этим и объясняется тот факт, что расчетное сопротивление грунта под нижним концом забивных свай в зависимости от естественной плотности или консистенции грунтов в несколько раз больше, чем для таких же грунтов при фундаментах на естественном основании.
Забивные железобетонные сваи и сваи-оболочки подразделяются:
а) по способу армирования — на сваи и сваи-оболочки с ненапрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и на предварительно-напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой (из высокопрочной проволоки и арматурных канатов) с поперечным армированием и без него, причем без поперечного армирования изготавливаются только сваи квадратного поперечного сечения;
б) по форме поперечного сечения — на сваи квадратные, прямоугольные, квадратные с круглой полостью и полые круглые диаметром до 800 мм включительно и сваи-оболочки диаметром более 800 мм;
в) по форме продольного сечения — на призматические и с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные);
г) по конструктивным особенностям ствола сваи — на цельные и составные (из отдельных секций);
д) по конструкции нижнего конца — на сваи с заостренным или плоским нижним концом, с уширением (булавовидные сваи) или без него, полые сваи — с закрытым или открытым нижним концом и с камуфлетной пятой.
В целях повышения качества изготовления составлены ГОСТы на следующие конструкции забивных железобетонных свай сплошного квадратного сечения:
с ненапрягаемой арматурой длиной 3 — 16 м, сечением от 200 200 до 400 400 мм (ГОСТ 19804.1 — 79);
с напрягаемой арматурой из высокопрочной проволоки длиной 3 — 16 м, сечением от 200 200 до 400 400 мм (ГОСТ 19804.2 — 79);
с напрягаемой стержневой арматурой длиной 9 — 20 м, сечением от 300 300 до 400 400 мм (ГОСТ. 19804.2 — 79);
с напрягаемой прядевой арматурой длиной 11 — 20 м, сечением от 300 300 до 400 400 мм (ГОСТ 19804.2 — 79);
без поперечного армирования с напрягаемой арматурой длиной 3 — 12 м, сечением 250 250 и 300 300 мм (ГОСТ 19804.4 — 78).
Разработаны также чертежи типовых конструкций свай квадратного сечения с круглой полостью длиной 3 — 8 м, сечением 300 300 и 400 400 мм по серии 1.011-6 и полых круглых свай диаметром от 400 до 800 мм и свай-оболочек диаметром 1000 — 1600 мм по серии 1.011-5.
Полые круглые сваи и сваи-оболочки в соответствии с типовыми чертежами разработаны цельными длиной 4 — 12 м и составными, т. е. состоящими из отдельных секций, наращиваемых в процессе погружения. Соединение отдельных секций указанных составных свай осуществляется с помощью сварных или болтовых стыков. Элементы этих стыков предусмотрены в виде стальных закладных деталей, устанавливаемых в процессе бетонирования по торцам секций составных свай.
Погружение свай-оболочек в связи с большими диаметрами (более 800 мм) осуществляется по особой технологии. Чаще всего они догружаются с помощью вибраторов. В процессе погружения свай-оболочек, производят полную или частичную выемку грунта из полости либо оставляют грунтовое ядро нетронутым. Во всех этих случаях несущая способность свай-оболочек может быть разной, даже в одинаковых грунтовых условиях.
Полые круглые сваи диаметром до 800 мм применяются с открытым и закрытым нижним концом.
Сваи-оболочки погружаются с открытым нижним концом вибропогружателями без выемки или с выемкой грунта (частичной или полной) из внутренней полости.
Внутренняя полость свай-оболочек заполняется бетоном на всю высоту или только в нижней части, а также частично песчаным грунтом, а в верхней части — бетоном. Решение о том или ином виде заполнения принимается в зависимости от величины действующих на сваи нагрузок, характера грунтовых напластований, глубины заложения подошвы ростверка, глубины промерзания грунтов и т.п.
Забивные железобетонные сваи квадратного сечения без поперечного армирования рекомендуется применять при прорезке сваями песков средней плотности и рыхлых, супесей пластичной и текучей консистенции, суглинков и глин от тугопластичных до текучих при условии, что сваи погружены в грунт на всю глубину или выступают над поверхностью грунта на высоту не более 2 м.
Опирание нижних концов свай без поперечного армирования допускается на все виды грунтов, за исключением скальных, крупнообломочных, торфов, слабых грунтов типа илов, глинистых текучей консистенции и других сильносжимаемых грунтов, с учетом дополнительных указаний, приведенных в рабочих чертежах свай.
Забивные сваи сплошного квадратного сечения с поперечным армированием, полые круглые сваи и сваи-оболочки могут применяться при любых сжимаемых грунтах, подлежащих прорезке, с опиранием нижних концов на любые грунты, за исключением торфов, слабых грунтов типа илов, глинистых грунтов текучей консистенции и других видов сильносжимаемых грунтов. Они могут применяться для фундаментов мостовых сооружений и воспринимать вертикальные вдавливающие и выдергивающие, а также горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты.
Полым круглым сваям и сваям-оболочкам следует отдавать предпочтение при слабых грунтах большой мощности и при больших горизонтальных нагрузках.
При использовании предварительно-напряженных свай любого типа, в том числе типовых конструкций, следует иметь в виду, что в случае необходимости обеспечения жесткого их сопряжения с плитой ростверка, а также при передаче на них растягивающих сил голова таких свай должна заделываться в плиту ростверка на величину, требуемую расчетом. Однако предварительно-напряженные сваи с продольной арматурой из высокопрочной проволоки и семипроволочных прядей позволяют снизить расход стали (в натуральном весе) до 50 % по сравнению со сваями с ненапрягаемой арматурой.
Типовые конструкции прямоугольных свай не разработаны. Однако практически прямоугольные сваи часто применяются в фундаментах сооружений, воспринимающих значительные горизонтальные нагрузки (для фундаментов опор мостов, набережных, опор трубопроводов и т.п.). Большая сторона поперечного сечения таких свай в указанных случаях располагается в направлении действия наибольших моментов и горизонтальных сил.
В последнее время находят применение новые виды свай, в том числе булавовидные, пирамидальные, ромбовидные. Типовые конструкции таких свай также не разработаны.
Булавовидные железобетонные сваи целесообразно применять, только когда на строительной площадке от поверхности планировки залегают слабые оплывающие грунты (рыхлые пески, супеси текучей консистенции, илы и т.п.), подстилаемые относительно плотными грунтами. Такие сваи могут применяться для устройства фундаментов зданий и сооружений при передаче на них главным образом статических вдавливающих нагрузок. Булавовидные сваи воспринимают меньшие горизонтальные нагрузки, чем железобетонные призматические сваи, поэтому применение их не рекомендуется при больших горизонтальных нагрузках, передаваемых на фундаменты.
Забивные пирамидальные железобетонные сваи могут быть двух видов — пирамидальные сваи с большими углами конусности и пирамидальные сваи с малыми углами конусности.
Пирамидальные сваи с малыми углами конусности (углами наклона боковых граней 1 — 4°) рекомендуется применять в однородных по глубине грунтах; а также в случаях, когда сваями вынужденно прорезаются слои плотных грунтов и их нижний конец заглубляется в более слабые грунты.
Набивные сваи по способу изготовления подразделяются на:
а) набивные, устраиваемые путем предварительного погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;
б) набивные виброштампованные, устраиваемые в пробуренных или в пробитых скважинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом, выполненным в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибропогружателем;
в) набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин пирамидальной или конусной формы с последующим заполнением их бетонной смесью;
г) буронабивные с уширениями и без них, устраиваемые в неводонасыщенных глинистых грунтах без крепления стенок скважин, а в обводненных грунтах и в песках с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами и только в виде исключения при соответствующем обосновании обсадными трубами, оставляемыми в грунте;
д) буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом и заполнением скважин бетонной смесью.
Буронабивные сваи в настоящее время устраиваются диаметром ствола 400 — 1700 мм. Они могут иметь в нижней части уширение диаметром до 3500 мм. Устраиваются такие сваи без крепления или с креплением стенок скважины.
Рис.61. Изготовление буронабивной сван с использованием глинистого раствора:
а — бурение скважины под глинистым раствором; б — опускание каркаса; в — установка бетонолитной трубы с вибробункером; г — бетонирование сваи методом вертикального перемещения трубы (ВПТ) с вытеснением глинистого раствора из скважины
Рис.62. Изготовление буронабивной сваи с использованием обсадной трубы, задавливаемой при помощи стола:
а, б, в — бурение скважины грейферным буром с наращиванием обсадной трубы; г опускание бетонолитной трубы и начало бетонирования; д — окончание бетонирования и извлечение последнего звена обсадной трубы
На рис. 62 показано устройство буронабивной сваи установкой фирмы «Франки» с использованием грейферного бура и составной обсадной трубы, погружаемой в грунт с помощью специального стола с домкратами. Стол является принадлежностью базовой машины и передает на обсадную трубу продольное вдавливающее усилие и колебательный момент вращения. Столы большой массы (до ЗО т) для задавливания обсадных труб могут использоваться самостоятельно без передачи усилий на базовую машину. данная установка позволяет изготавливать сваи диаметром до 1800 мм при наибольшем вдавливающем усилии на обсадную трубу — 25 т. При бурении в нескальных грунтах обсадная труба задавливается всегда с опережением, размер которого зависит от плотности грунта. Бурение ведется внутри трубы (с отставанием), что позволяет избежать разуплотнения грунта за пределами ствола сваи и даже получить некоторое дополнительное его уплотнение при значительном опережении погружения обсадной трубы. Наращивание обсадной трубы звеньями длиной 3... 5 м осуществляется с помощью базовой машины или с использованием самоходного стрелового крана. После достижения нижним концом обсадной трубы проектной глубины грунт внутри трубы удаляется до ее нижней кромки. В скважину устанавливают арматурный каркас, бетонолитную трубу и немедленно приступают к бетонированию с одновременным извлечением обсадной трубы. Задержка бетонирования недопустима, поскольку это приводит к разуплотнению грунта в забое с последующим возникновением дополнительной осадки сваи.
Наиболее широко применяют следующие способы устройства уширений: разбуривание, раскатывание или раздвигание грунта с помощью специальных механических или гидравлических устройств, опускаемых в скважину (рис. 63, а; рис. 64); втрамбовывание бетона в грунт ниже обсадной трубы (рис. 63, в); взрывание камуфлетного заряда на дне скважины под слоем бетонной смеси (рис. 63, 6). Заметим, что два последних способа применимы только при устройстве свай с использованием обсадных труб. Устройство уширений этими способами позволяет не только увеличить несущую способность сваи, но и избежать дополнительных осадок, связанных с наличием разрыхленного грунта в забое скважины.
-
Рис.63. Схемы устройства уширений нижних концов свай: а — разбуриванем; б — взрыванием камуфлетного заряда; в — втрамбовыванием жесткой бетонной смеси
Рис.64. Разбуривание полости в грунте уширителем:
а - положение уширителя во время разбуривания скважины; б - то же, в процессе разбуривания полости; 1 - грунтосборник; 2 - режущие ножи; 3 - скважина; 4 - штанга; 5 - уширенная полость
Взрывной способ устройства уширений (рис.65). В пробуренную скважину устанавливают обсадную трубу. На дно скважины опускают заряд взрывчатого вещества расчетной массы и выводят провода от детонатора к взрывной машинке, находящейся на поверхности. Скважину заполняют бетонной смесью на 1,5-2,0 м, поднимают на 0,5 м обсадную трубу и производят взрыв. Энергия взрыва уплотняет грунт и создает сферическую полость, которая заполняется бетонной смесью из обсадной трубы. После этого порциями и с необходимым уплотнением заполняют обсадную трубу бетонной смесью доверху.
Рис.65. Технологическая схема устройства свай с камуфлетным уширением:
а - опускание заряда ВВ и заполнение скважины бетонной смесью; б - подъем бетонолитной трубы и образование уширенной пяты взрывом; в - готовая набивная свая с камуфлетным уширением; 1 - заряд ВВ; 2 - провод к подрывной машине; 3 - обсадная труба; 4 - приемная воронка; 5 - бетонная смесь; 6 - бадья с бетонной смесью; 7 - уширенная пята; 8 - арматурный каркас.
Винтовые сваи по сравнению с другими типами свай гораздо лучше работают на выдергивание и поэтому используются главным образом в сооружениях, где на фундаменты передаются преимущественно выдергивающие силы.
Рис.66 . Устройство винтовой сваи: а — подготовка агрегата к работе; б — образование винтовой полости в грунте; в — установка арматурного каркаса; г — вывинчивание трубы с наконечником при одновременной подаче бетонной смеси; д — готовая свая
Сваи-столбы рекомендуется применять преимущественно для устройства фундаментов опор мостов, строящихся в районах, распространения пучинистых грунтов, при невозможности забивки свай в них ввиду наличия плотных песчаных, гравелистых и галечниковых грунтов, в которых столбы должны быть заделаны исходя из условий воспринятия сил морозного пучения.
Применение свай-столбов обеспечивает повышение уровня индустриализации строительных работ в отдаленных районах.
Стыки звеньев составных железобетонных свай и свай-оболочек должны обеспечивать:
а) равнопрочность стыкового соединения и ствола сваи (сваи-оболочки) на осевые вдавливающие и горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты, а для фундаментов со сваями, работающими на выдергивающие нагрузки, — также на растягивающие силы;
б) соосность стыкуемых элементов.
Забивные деревянные сван подразделяются на:
а) цельные, изготовляемые из одного бревна;
б) срощенные по длине;
в) пакетные, сплоченные из нескольких цельных или срощенных по длине бревен или брусьев.
Деревянные сваи, изготавливаемые из целого бревна, имеют обычно длину 4,5 — 8,5 м и диаметр в отрубе 160 — 340 мм. Реже применяются сваи из цельных бревен длиной до 12м.
Заготовка деревянных свай длиной свыше 16 м представляет значительные трудности как по отбору бревен такой длины, так и по вывозу их с участка лесозаготовок. По этим причинам применяют или срощенные сваи из двух (и даже трех) бревен по длине, или так называемые пакетные сваи, состоящие из нескольких бревен как по длине, так и поперечному сечению.
Пакетные сван изготовляются длиной до 25 м, поперечным сечением (диаметром) до 600 мм и более.
Основным недостатком срощенных и пакетных свай является возможность расстройства стыков при забивке, а также в последующем — ржавление стальных частей стыков, находящихся в условиях грунтовых вод, агрессивных по отношению к стали.
Деревянные сваи рекомендуется применять в районах, где лес является местным, строительным материалом, в целях экономии бетона и стали.
Рис.67. Детали деревянной сваи и стыки.
1 — свая; 2— бугель; З — башмак; 4— накладка; 5— штырь; б — болты; 7— стальная труба; 8 — ерши
Классификация свай определяется тем, что при разных видах свай грунтовая среда, в которую погружена свая, может претерпевать различные изменения. При забивных сваях грунт вокруг сваи и в ее основании уплотняется. При набивных сваях грунт, окружающий сваю, либо остается в естественном состоянии, либо степень плотности его нарушается из-за заполнения скважины водой и размягчения вследствие этого грунта вокруг сваи, оставления шлама в забое скважины, задержек в бетонировании и т.п. Некоторое уплотнение грунта может быть получено при устройстве набивных свай в пробитых скважинах. Однако степень этих уплотнений оказывается меньшей, чем при забивных сваях.
Сваи, в зависимости от свойств грунтов, залегающих под нижним концом, подразделяются на сваи-стойки и висячие сваи.
К сваям-стойкам относятся сваи всех видов и сваи-оболочки, которые пepeдaют нагрузку нижним концом на практически несжимаемые грунты. Силы трения грунта на боковой поверхности свай-стоек в расчетах их несущей способности по грунту основания на сжимающую нагрузку не учитываются.
К висячим сваям относятся сваи всех видов и сваи-оболочки, погруженные в сжимаемые грунты. Висячие сваи передают нагрузку на грунт боковой поверхностью и нижним концом.
Примечание. К практически несжимаемым грунтам относятся скальные, крупнообломочные (валунный, галечниковый, щебенистый, гравийный, дресвяный) с песчаным заполнителем и глинистые грунты твердой консистенции.