4.3 Технология погружения готовых свай

С предприятий стройиндустрии или с баз комплектации стро­ительных организаций железобетонные и деревянные сваи, сталь­ные трубы и шпунтовые сваи доставляют к месту работ в подготовленном виде.

Сваи погружают ударом, вибрацией, вдавливанием, завинчива­нием, с использованием подмыва и электроосмоса, а также комби­нациями этих методов. Эффективность применения того или иного метода зависит в основном от грунтовых условий.

Ударный метод. Метод основан на использовании энергии удара (ударной нагрузки), под действием которой свая нижней заостренной частью внедряется в грунт. По мере погружения она смещает частицы грунта в стороны, частично вниз, частично вверх (на дневную поверхность). В результате погружения свая вытесняет объем грунта, практически равный объему ее погруженной части, и таким образом дополнительно уплотняет грунтовое основание. Зона заметного уплотнения грунта вокруг сваи распространяется в плоскости, нормальной к продольной оси сваи, на расстояние, равное 2...3 диаметрам сваи.

Ударную нагрузку на оголовок сваи создают специальными механизмами - молотами самых разных типов, основными из ко­торых являются дизельные.

На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты.

Ударная часть штанговых дизель-молотов (рис.4.4, а) - по­движный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направ­ляющих штангах. При падении цилиндра на неподвижный поршень в камере сгорания смеси энергия подбрасывает цилиндр вверх, после чего происходит новый удар и цикл повто­ряется.

В трубчатых дизель-молотах (рис.4.4, б) неподвижный цилиндр, имею­щий шабот (пяту), является направля­ющей конструкцией. Ударная часть молота - подвижный поршень с голо­вкой. Распыление топлива и воспламе­нение смеси происходит при ударе головки поршня по поверхности сфе­рической впадины цилиндра, куда по­дается топливо. Число ударов в 1 мин у штанговых дизель-молотов 50...60, у трубчатых - 47...55.

Основной показатель, характеризу­ющий погружающую способность мо­лота, - энергия одного удара.

Последняя зависит от веса и высоты падения ударной части, а также энергии сгорания топлива.

Рис.4.4 Схемы передачи В комплект к молоту входит, как правило, наголовник,

пог­ружающих сил на сваи который необходим для закрепления сваи в направляющих

при использовании сваебойной установки, предохранения головы сваи от

дизель-молотов: разрушения ударами молота и равномерного распределения

а - штангового; 6 – трубчатого удара по площади сваи.

Внутренняя полость наголовника должна соответствовать очер­танию и размерам головы сваи.

Наголовники изготавливают в литом, сварном и клепаном ва­риантах. Простейший свайный наголовник в виде перевернутого стакана (рис.4.5, а) имеет одну прокладку. Наголовник, разде­ленный горизонтальной перегородкой на две полости (рис.4.5, б) позволяет установить две прокладки. Имеются и другие конструк­ции наголовников, предназначенные для определенных типов мо­лотов и забиваемых свай.

Для изготовления прокладок используют древесину, фанеру, войлок, пеньковый канат, мешковину, техническую резину и другие материалы. Изучалась возможность использования тексто­лита, гетинакса, фенолфибры, слоистого пластика, вулканизи­рованной фибры, полиуретана, поликарбоната и других матери­алов. Применялись комбинированные амортизаторы, изготовлен­ные из разных материалов.

Рис.4.5 Свайные наголовники:

а - простой с одним амортизатором; б - с горизонтальной перегородкой

(с двумя амортизаторами)

Для забивки свай с целью удержания в рабочем положении молота, подъема и установки сваи в заданном положении приме­няют специальные подъемные устройства - копры. Основная часть копра - его стрела, вдоль которой устанавливается перед погруже­нием и опускается по мере его забивки молот. Наклонные сваи погружают копрами с наклоняющейся стрелой. Копры бывают на рельсовом ходу (универсальные металлические башенного типа) и самоходные - на базе кранов, тракторов, автомашин и экскаваторов (рис.4.6).

Рис.4.6 Копровый агрегат на базе экскаватора

Универсальные копры имеют значительную собственную массу (вместе с лебедкой - до 20 т). Монтаж и демонтаж этих копров и устройство для них рельсовых путей - весьма трудоемкие процес­сы, поэтому их применяют для забивки свай длиной более 12м при большом объеме свайных работ на объекте.

Наиболее распространены в промышленном и гражданском строительстве сваи длиной 6...10 м, которые забивают с помощью самоходных сваебойных установок. Эти сваебойные установки маневренны и имеют устройства, механизирующие процесс подтаски­вания и подъема сваи, установку головы сваи в наголовник, а также выравнивание стрелы.

Забивку свай начинают с медленного опускания молота на наголовник после установки сваи на грунт и ее выверки. Под действием веса молота свая погружается в грунт. Чтобы обеспечить правильное направление сваи, первые удары производят с ограни­чением энергии удара. Затем энергию удара молота постепенно увеличивают до максимальной. От каждого удара свая погружается на определенную величину, которая уменьшается по мере углубле­ния. В дальнейшем наступает момент, когда после каждого удара свая погружается на одну и ту же величину, называемую отказом.

Сваи забивают до достижения расчетного отказа, указанного в проекте. Измерение отказов следует производить с точностью до 1мм. Отказ принято находить как среднюю величину после замера по­гружения сваи от серии ударов, называемой залогом. При забивке свай паровоздушными молотами одиночного действия или дизель-молотами залог принимают равным 10 ударам, а при забивке молотами двойного действия - число ударов за 1...2 мин.

Если средний отказ в трех последовательных залогах не превы­шает расчетного, то процесс забивки сваи считают законченным.

Сваи, не давшие контрольного отказа, после перерыва (продол­жительностью 3...4 дн) подвергают контрольной добивке. Если глубина погружения сваи не достигла 85% проектной, а на протяжении трех последовательных залогов получен расчетный отказ, то необходимо выяснить причины этого явления и согласовать с проектной организацией порядок дальнейшего ведения свайных работ.

Вибрационный метод. Метод основан на значительном умень­шении при вибрации коэффициента внутреннего трения в грунте и сил трения по боковой поверхности свай. Благодаря этому при вибрировании для погружения свай требуется усилий в десятки и сотни раз меньше, чем при забивке. При этом наблюдается также частичное уплотнение грунта (виброуплотнение). Зона уплотнения составляет 1,5...3 диаметра сваи (в зависимости от вида грунта и его плотности).

При вибрационном методе сваю погружают с помощью специальных механизмов- вибропогружателей. Вибропогружатель, представляющий собой электромеханическую машину вибрационного действия, подвешивают к мачте сваепогружающей установки (рис.4.7, а) и соединяют со сваей наголовником.

Действие вибропогружателя основано на принципе, при кото­ром вызываемые дебалансами вибратора горизонтальные центро­бежные силы взаимно ликвидируются, в то время как вертикальные суммируются.

Амплитуда колебаний и масса вибросистемы (вибропогружатель, наголовник и свая) должны обеспечить разрушение структуры грунта с необратимыми деформациями.

При выборе низкочастотных погружателей (420 кол/мин), при­меняемых при погружении тяжелых железобетонных свай и оболо­чек (трубчатых свай диаметром 1000мм и более), необходимо, чтобы момент эксцентриков превышал вес вибросистемы не менее чем в 7 раз для легких грунтов и в 11 раз для средних и тяжелых грунтов.

При вибрационном погружении в глину или тяжелый суглинок под нижним концом сваи образуется перемятая глинистая подушка, которая вызывает значительное (до 40%) снижение несущей спо­собности сваи. Чтобы устранить возникновение этого явления, сваю погружают на заключительном отрезке длиной 15...20 см ударным методом.

Для погружения легких (массой до 3 т) свай и металлического шпунта в грунты, не оказывающие большого лобового сопротивле­ния под острием сваи, применяют высокочастотные (1500 колеба­ний в 1 мин и более) вибропогружатели с подрессоренной пригрузкой, которые состоят из вибратора и присоединенного к нему с помощью системы пружин дополнительного груза и привод­ного электродвигателя (рис.4.7, б).

Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных водонасыщенных грунтах. Применение вибрационного метода для погружения свай в маловлажные плотные грунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т. е. при предварительном выполнении другого процесса, требующего буровых механизмов.

Более универсальным является виброударный способ погруже­ния свай с помощью вибромолотов.

Наиболее распространенные пружинные вибромолоты (рис.4.7, в) работают следующим образом. Вибровозбудитель при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях совершает периодические колебания. Когда зазор между ударником вибровоз­будителя и сваей меньше амплитуды колебаний вибровозбудителя, ударник периодически ударяет по наковальне наголовника сваи.

Вибромолоты могут самонастраиваться, т. е. увеличивать энер­гию удара с повышением сопротивления грунта погружению свай.

Масса ударной части (вибровозбудителя) вибромолота приме­нительно к погружению железобетонных свай должна быть не менее 50% от массы сваи и составлять 650...1350 кг.

Рис.4.7 Погружение свай вибрационным методом:

а - сваепогружающая установка:

1- вибропогружатель (вибромолот); 2 - экскаватор; 3 – свая;

б - вибропогружатель с подрессоренной пригрузкой:

1 - электродвигатель; 2 - перегрузочные плиты; 3 - вибратор; 4 - дебалансы;

в - схема вибромолота:

1- ударная часть с электродвигателем; 2 – дебалансы; 3 – боек; 4 - пружины; 5 - наковальня;

г - схема погру­жения сваи способом вибрационного вдавливания:

1 - канат и блочки для подъема вибропог­ружателя; 2 - вибропогружатель;

3 - вдавливающий канат и его блочки; 4 - двухбарабанная лебедка;5 - рама стрелы

Погружение свай вдавливанием. Вдавливающее усилие при погружении сваи, создаваемое дом­кратом или лебедкой с полиспастом, воспринимается весом при­меняемой установки, специальным пригрузом, заранее изготов­ленными лежащими выше конструкциями возводимого или ре­конструируемого сооружения, а также анкерными сваями или ком­бинацией перечисленных способов.

Сваевдавливающие установки могут быть самоходные, пере­движные или переставные. Наиболее мощные установки, имеющие значительный вес и габаритные размеры, используют для нового строительства.

При реконструкции зданий используют малогабаритные вдав­ливающие устройства, позволяющие вести работы в стесненных условиях.

Наиболее мощная переставная сваевдавливающая установка показана на (рис.4.8) Платформа установки размерами 3x9 м в плане и высотой 3 м имеет массу 30 т и позволяет установить на нее дополнительные грузы общей массой 180 т. Максимальное вдав­ливающее усилие, передаваемое на сваю с помощью двух домкра­тов 2, составляет 2 МН (200 т). Максимальная производитель­ность установки — две-три сваи в смену. Чистое время погруже­ния сваи на глубину 12м этой установкой при работах по реконструкции одного из зданий составило около одного часа (скорость погружения - 0,2 м/мин), а общее время (включая вспомогатель­ные операции перестановки, загрузки, разгрузки, подачи сваи и др.) - около 9 ч.

Производительность самоходных установок при использовании лебедок для создания вдавливающего усилия значительно выше.

Отметим, однако, что на подготовительные операции (пере­мещение установки к месту погружения следующей сваи, подтас­кивание сваи и заведение ее в наголовник, дополнительное пере­мещение установки при обеспечении исходного проектного по­ложения сваи) затрачивается до 80 % от общего времени, требуе­мого на погружение одной сваи. Наибольшие потери времени свя­заны с низкой скоростью выдвижения, подъема и опускания вы­носных опор установки. Производительность установки снижает­ся также из-за крайне неудобного расположения места машини­ста.

Для погружения первых двух-трех свай используется специаль­ная реактивная подставка. Далее установка передвигается само­стоятельно, поднимая корпус с опорой на последнюю погружае­мую сваю и перемещаясь на один шаг с последующим опускани­ем и креплением к трем ранее погруженным сваям. Установка по­зволяет осуществлять поворот на любой заданный угол, а также изменять угол наклона к вертикали.

Рис.4.8 Установка для вдавливания свай:

1 – свая; 2 - вдавливающие домкраты; 3 - зажимное устройство; 4 – грузы

При усилении фундаментов реконструируемых зданий широко применяется метод вдавливания составных свай (сваи «Мега») с передачей усилия вдавливания на лежащие выше конструкции здания.

Погружение свай «Мега» осуществляют из траншеи, которую откапы­вают под несущей стеной отдельными захватками длиной до 2,5м (рис.4,9). Под стеной 3 устраивают выравнивающую распредели­тельную балку для более равномерного распределения нагрузки от домкрата 2. На дно траншеи устанавливают нижний элемент сваи 1 и задавливают его домкратом строго вертикально, затем домкрат снимают, в отверстие устанавливают соединительную гильзу и на торец головного элемента на цементном растворе устанавливают следующий (рядовой) элемент, и далее процесс повторяется. Стыковку и погружение элементов свай производят до тех пор, пока вдавливающее усилие не достигнет заданного расчетного значения. После этого достигнутую нагрузку фиксируют с помощью специальных подпорок, снимают домкрат и заполняют раствором центральное отверстие с соединительными гильзами. Пространство между подпорками омоноличивают.

Рис.4.9 Устройство сваи «Мега» с переда­чей

усилия вдавливания на несущую стену:

1 - элементы сваи; 2 - домкрат;

3 - несущая стена; 4 - насосная станция

Рис.4.10 Схема процесса завинчивания свай:

а - конструкция наконечника при погру­жении в мягкие грунты; 6 - то же, в плотные грунты; в - схема погружения сваи;

1 - рабочий орган; 2 - редуктор наклона рабоче­го органа;

3 - аутригеры; 4 - свая; 5 - на­конечник сваи

Погружение свай завинчиванием. Метод основан на завинчи­вании стальных и железобетонных свай со стальными наконечни­ками с помощью установок, смонтированных на базе автомо­билей или автомобильных тяга­чей.

Метод (рис.4.10) применяют главным образом при устройстве фундаментов под мачты линий электропередачи, радиосвязи и других сооружений, где в доста­точной мере могут быть использованы несущая способность винтовых свай и их сопротивле­ние выдергиванию. Эти установ­ки имеют рабочий орган, четыре гидравлических аутригера, при­вод вращения и наклона рабоче­го органа, гидросистему, пульт управления и вспомогательное оборудование.

Конструкция рабочего орга­на позволяет выполнять следую­щие операции: втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую оболочку), обеспечивать за­данный угол погружения сваи в пределах 0...45⁰ от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одновременным исполь­зованием осевого усилия, при необходимости вывертывать сваю из грунта. Вращение рабочего органа и его наклон осуществляют от коробки отбора мощности автомобиля через соответствующие ре­дукторы.

Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай мето­дом забивки или вибропогружением. Только вместо установки и снятия наголовника здесь надевают и снимают оболочки.

Методы ускорения процесса погружения свай. Такие методы основаны либо на энергии давления водяной струи (подмыв грунта), либо на использовании эффекта электроосмоса.

Подмывом (рис.4.11) грунт разрыхляют и частично вымывают струями воды, вытекающими под давлением из нескольких трубок диаметром 38...62 мм, укрепленных на свае. При этом сопротивление грунта у острия сваи снижается, а поднимающаяся вдоль ствола вода размывает грунт, умень­шая тем самым трение по боковым поверхностям сваи. Расположение подмывных трубок может быть боковым, когда две или четыре подмывные трубки с наконечни­ками находятся по бокам сваи, и центральным, когда один одно- или многоструйный наконечник размещен по центру погружаемой сваи. При боковом подмыве (по сравнению с центральным) создаются более благопри­ятные условия для умень­шения сил трения по боковой поверхности свай. При боковом расположении подмывные трубки крепят таким образом, чтобы нако­нечники находились у свай на 30...40 см выше острия.

Для подмыва грунта воду в трубки подают под давлением не менее 0,5 МПа. При подмыве нарушается сцепление между частицами грунта под подошвой и частично по боковой поверхности свай, что может привести к снижению несущей способности сваи. Поэтому сваи на последнем метре или двух метрах погружают без подмыва забивкой.

Применение подмыва не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также при наличии просадочных грунтов.

Рис. 4.11 Подмыв грунта для погружения свай:

а - погружение квадратных свай с подмывом грунта:

1 - молот; 2 - трос, поддерживающий подмыв­ные трубки;

3 - напорный шланг; 4 - подмывные трубки; 5 - свая;

б - расположение подмывных трубок; в - наконечник подмывной трубы

Погружение свай с использованием электроосмоса применяют при наличии водонасыщенных плотных глинистых грунтов, морен­ных суглинков и глин. Для практической реализации метода погру­женную сваю присоединяют к положительному полюсу (аноду) источника тока, а соседнюю с ней погружаемую - отрицательному полюсу (катоду) того же источника тока. При включении тока вокруг сваи (анод) снижается влажность грунта, а у погружаемой сваи (катод), наоборот, повышается. После прекращения подачи тока происходит восстановление первоначального состояния грунтовых вод и несущая способность свай, являющихся катодами, возрастает.

Дополнительные операции при погружении железобетонных свай с использованием электроосмоса связаны с оснащением свай полосами стали - электродами, площадь которых занимает 20...25% боковой поверхности свай. Эта операция отпадает при погружении металлических свай методом завинчивания.

Применение метода электроосмоса, позволяет на 25...40% ус­корить процесс погружения сваи, а также уменьшить нагрузки, необходимые для погружения сваи.

Последовательность по­гружения свай. От расположе­ния свай в свайном поле и параметров сваепогружающего оборудования зависит порядок погружения свай. Кроме того, следует учитывать последую­щие процессы по устройству свайного ростверка.

Наибольшее распростране­ние имеет рядовая система по­гружения свай (рис.4.12), при­меняемая при прямолинейном расположении их отдельными рядами или кустами.

Спиральная система предусматривает погружение свай концентрическими рядами от краев к центру свайного поля; она позволяет в ряде случаев получить минимальную протяженность пути сваепогружающей установки. Если расстояние между центрами свай менее пяти их диаметров (или соответственно размеров сторон поперечного сечения), то грунт в середине свайного поля может уплотняться, что усложняет процесс. При этом бывают случаи, когда невозможно погрузить сваи, расположенные в этой зоне. В этом случае погружать сваи надо от центра к краям свайного поля.

+ - места погружения свай; - забитые сваи

Рис.4.12 Схема рядовой системы погру­жения свай:

а - при прямолинейном расположении свай отдельными рядами;

6 - при расположении свай кустами; 1...15 – сваи