книги / Механика грунтов, основания и фундаменты

новкой вертикальных стержней-связей ставится условие, что вер­ тикальные перемещения балки и основания в местах этих стержней одинаковы. Затем стержни заменяются неизвестными силами и со­ ставляется система канонических уравнений, к которой добавляют­ ся два уравнения, вытекающие из условия равновесия. Решение системы уравнений с помощью ЭВМ позволяет определить эпюру реактивных давлений, а затем уже и эпюры изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов (осадок). Этот метод особенно удобен для расчета балок, имеющих переменное сечение по длине.

Расчет плитных фундаментов. Сплошные фундаментные плиты под ряды колонн или под стены, а также под полы промышленных зданий и т. п. классифицируются как плиты большой протяжен­ ности. Для их расчета из фундамента выделяется полоса единичной ширины, которая рассматривается как гибкая фундаментная балка. Расчет часто ведется по методу упругого слоя ограниченной мощ­ ности*, суть которого заключается в следующем. При больших опорных площадях грунт под фундаментом сжимается в основном без возможности бокового расширения, что не учитывается в мето­ дах упругого полупространства. Чтобы приблизить расчетные усло­ вия к действительным, при больших опорных площадях используют схему, согласно которой основание представляет собой сжимаемый слой, подстилаемый несжимаемым основанием. Это позволяет по­ лучить более достоверные результаты. Трудность метода заключа­ ется в установлении толщины деформируемого слоя.

Глава 11

СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

11.1. Классификация свай и свайных фундаментов

Основные положения. Классификация свай. В тех случаях, когда с поверхности залегают слои слабых грунтов, не обладающих до­ статочной несущей способностью, чтобы служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения, воз­ никает необходимость передачи нагрузки на более плотные грунты, расположенные на некоторой глубине. В этих условиях чаще всего прибегают к устройству фундаментов из свай.

Сваей называют погруженный в готовом виде или изготовлен­ ный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания. Группы или ряды свай, объединен­ ные поверху распределительной плитой или балкой, образуют свайный фундамент. Распределительные плиты и балки, вылол-

^*Крашенинникова Г. В. Расчет балок на упругом основании конечной глубины.

281

ненные, как правило, из монолитного или сборного железобетона, называют ростверками. Ростверки воспринимают, распределяют и передают на сваи нагрузку от расположенного на фундаменте сооружения.' Если ростверк заглублен в грунт и его подошва рас­ положена непосредственно на поверхности грунта, то его называют

стверком (рис. 11.1).

В настоящее время в строительстве применяется более 150 типов свай и их конструктивных видов, которые принято классифициро­ вать по двум основным признакам: по характеру передачи нагрузки на грунт и по условиям изготовления свай.

По характеру передачи нагрузки на грунт сваи подразделяются на сваи-стойки и висячие сваи.

К сваям-стойкам относятся сваи, прорезающие толщу слабых грунтов и опирающиеся на практически несжимаемые скальные или малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, глины твердой консистенции). Свая-стойка практи­ чески всю нагрузку на грунт передает через нижний конец, так как при малых вертикальных перемещениях сваи не возникают условия для проявления сил трения на ее боковой поверхности (рис. 11.2, а). Свая-стойка работает как сжатый стержень в упругой среде, ее несущая способность определяется или прочностью материала сваи, или сопротивлением грунта под ее нижним концом.

К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты. Под действием продольного усилия N висячая свая получа­ ет вертикальные перемещения, достаточные для возникновения сил

282

трения между сваей и грунтом. В результате нагрузка на основание передается как боковой поверхностью сваи, так и ее нижним концом (рис. 11.2, б). Несущая способность висячей сваи определяется сум­ мой сопротивления сил трения по ее боковой поверхности и грунта под острием.

По условиям изготовления сваи делятся на две группы: сваи, изготовляемые заранее на заводе или полигоне (предварительно изготовленные) и затем погружаемые в грунт, и сваи, изготовля­ емые на месте, в грунте.

В зависимости от расположения свай в плане различают следу­ ющие виды свайных фундаментов: одиночные сваи, свайные кусты, ленточные свайные фундаменты и сплошные свайные поля (рис. 11.3).

Одиночные сваи применяют под отдельно стоящие опоры, когда несущей способности одной сваи достаточно для восприятия пере­ даваемой на основание нагрузки. Разновидность одиночных свай, служащих одновременно и фундаментом, и колонной легкой над­ земной конструкции, называют сваей-колонной. Сваи-колонны ши­ роко применяют при строительстве легких сельскохозяйственных сооружений.

Свайным кустом принято называть фундамент, состоящий из группы свай. Число свай в кусте может быть различным, обычно не менее трех, хотя в отдельных случаях допускается устройство кустов

ииз двух свай. Свайные кусты устраивают под колонны сооружений

иопоры, передающие значительные вертикальные нагрузки.

Если сваи в фундаменте расположены в один или несколько рядов, то такой фундамент называют ленточным свайным фун­ даментом. Ленточные свайные фундаменты устраивают под.стены зданий и другие протяженные конструкции.

Рис. 11.3. Виды свайных фундаментов:

а — свайныйкуст; 6 — ленточный; в — сплошноесвайное поле

283

Если фундамент состоит из свай, расположенных в определен­ ном порядке под всем сооружением, его называют сплош ном свайным полем. Сплошные свайные поля устраивают под тяже­ лые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане.

Конструкции предварительно изготовленных свай. Сван, погружа­ емые в грунт в готовом виде, в зависимости от материала, из которого они изготовляются, подразделяются на железобетонные, деревянные, стальные и комбинированные.

Ж елезобетонны е сваи, получившие наибольшее распростра­ нение в практике строительства, подразделяют:

по форме поперечного сечения — на квадратные, квадратные с круглой полостью,-полые круглого сечения, прямоугольные, тав­ ровые и двутавровые (рис. 11.4);

по форме продольного сечения — на призматические, цилинд­ рические, с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапе­ цеидальные, ромбовидные), сваи с уширенной пятой (рис. 11.5);

по способу армирования — на сваи с ненапрягаемой и пред­ варительно напряженной продольной арматурой, с поперечным армированием и без него;

по конструктивным особенностям — на сваи цельные и состав­ ные.

Наиболее часто в настоящее время применяют призматические сваи сплошного квадратного сечения, квадратного сечения с круг­ лой полостью и полые цилиндрические (рис. 11.6).

Сваи сплошного квадратного сечения выпускают сечением от 0,2 х 0,2 до 0,4 х 0,4 м и длиной 3...16 м с ненапрягаемой арматурой, 3...20 м — с напрягаемой. При необходимости увеличения длины свай их стыкуют из нескольких звеньев, применяя стыковочные соединения различного типа (болтовые, сварные, клеевые и т. д ).

284

Полые круглые сваи изготовляют цельными (из одного звена) или составными (из нескольких звеньев), соединяемыми болтами или сваркой. Длина одного звена 4...8 м, длина составной сваи до 40 м. Сваи диаметром до 0,6 м выпускают с закрытым нижним концом.

Полые круглые сваи рекомендуется применять в слабых грунтах мощностью более 12 м и при передаче на сваю больших (более 100 кН) горизонтальных-нагрузок.

Промышленностью выпускаются также сваи прямоугольного сплошного сечения размером 25 х 35 см длиной до 12 м, область применения которых такая же, как и свай сплошного квадратного сечения.

Типовые конструкции свай таврового и двутаврового сечений не разработаны. Изготовление этих свай производится по инди­ видуальным рабочим проектам, и применение их на практике ограничено.

В последнее время все большее распространение находят пира-

285

мидальные сваи. Они изготовляются ненапрягаемыми с попереч­ ным армированием ствола и с напрягаемым центральным стержнем без поперечного армирования, с углом наклона боковых граней от 1 до 13°. Пирамидальные и трапецеидальные сваи, позволяющие за счет наклона боковых граней полнее использовать несущую способ­ ность грунта, рекомендуется применять только как висячие при передаче на них преимущественно вертикальных вдавливающих нагрузок.

Значительно реже применяют ромбовидные сваи и сваи с уши­ ренной пятой (булавовидные). Ромбовидные сваи используют в гру­ нтах, подверженных морозному пучению. Сваю погружают в грунт таким образом, чтобы ее уширенная часть находилась несколько ниже границы промерзания грунта. Сваи с уширенной пятой нахо­ дят применение при устройстве фундаментов на слабых водонасы­ щенных грунтах. Целесообразна прорезка сваей слабых грунтов с заглублением уширенного нижнего конца в прочный подстила­ ющий слой.

Деревянные сваи. Простейшая конструкция деревянной сваи представляет собой бревно с заостренным нижним концом. Верхний конец сваи снабжается стальным кольцом — бугелем, защища­ ющим его от размочаливания во время забивки. При погружении сваи в грунты с твердыми включениями на ее нижнем конце закреп­ ляют стальной башмак.

Преимуществом деревянных свай являются простота изготовле­ ния и небольшой вес, что облегчает их погружение в грунт. Недо­ статками — небольшая несущая способность, трудность погруже­ ния в плотные грунты и опасность загнивания древесины в условиях переменной влажности. По этим причинам деревянные сваи имеют ограниченное применение.

С тальны е сваи. Стальные сваи делят на трубчатые и шпун­ товые. Трубчатые сваи изготовляют из стандартных стальных труб диаметром 0,2...0,8 м, шпунтовые — из стального шпунта различ­ ного профиля (см. рис. 14.4). В качестве стальных свай исцользуют также двутавровые балки, швеллеры и другие прокатные профили. Если после погружения в грунт стальная трубчатая свая заполняет­ ся бетоном, ее называют трубобетонной.

Преимуществом стальных свай является возможность наращи­ вания сваркой их длины по мере погружения в грунт, основным недостатком — подверженность коррозии, особенно в агрессивных водных средах. Для защиты от коррозии поверхность сваи покрыва­ ют битумом, суриком или эпоксидными смолами.

Стальные сваи рекомендуется применять в сложных для забивки грунтовых условиях (включения валунов, гальки и т. п.).

Комбинированны е сваи. Комбинированные сваи представдяют собой сваи, составленные по длине из двух различных матери­ алов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая поме­ щается ниже уровня подземных вод, с бетонной или Железобетон-

286

ми удар.

Молоты для забивки свай подразделяют на механические (под­ весные), паровоздушные, дизельные и электрические (вибромоло­ ты).

Наиболее простыми являются механические, которые представ­ ляют собой чугунную или стальную болванку весом до 60 кН с петлей для подъема и направляющими, обеспечивающими ее перемещение строго вдоль стрелы копра (рис. 11.7). Работа молота заключается в его периодическом подъеме на определенную высоту (обычно 2...3 м) и последующем свободном падении на голову сваи. Главным недостатком механических молотов является их низкая производительность.

Более производительными являются паровоздушные и дизель­ ные молоты, где в качестве энергии привода используется пар или сжатый воздух. Они подразделяются на молоты простого и двой­ ного действия. В молотах простого действия энергия привода ис­ пользуется только для подъема ударной части, которая затем сво­ бодно падает и производит удар по свае. В молотах двойного действия энергия привода идет как на подъем ударной части, так и на ее движение вниз, в результате чего увеличивается сила удара.

Для эффективной забивки вес ударной части молотов одиноч­ ного действия, к которым относятся и механические, при длине сваи

287

12 м и более должен быть не менее веса сван с наголовником, а при длине сваи до 12 м — больше этого веса на 20...25%.

К вибромолотам относятся молоты ударно-вибрационного дей­ ствия, в которых наряду с периодическими ударами по свае на нее передаются вертикальные колебания, создаваемые вибратором.

При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесча­ ные грунты для повышения производительности забивки осуществ­ ляется подмыв. Сущность подмыва заключается в том, что к нижне­ му концу сваи подается по трубам под’ большим напором вода, Которая, размывая грунт, значительно уменьшает сопротивление ее погружению. Иногда для уменьшения сопротивления грунта погру­ жению свай, например в промерзший грунт, их забивают в предвари­ тельно пробуренные лидерные скважины. Глубина скважины назна­ чается опытным путем, но не более 0,9 длины сваи. Диаметр скважины принимается не более диагонали поперечного сечения сваи.

Вибропогружение свай наиболее эффективно при насыщен­ ных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создава­ емые вибратором, передаются через сваю грунту, который раз­ жижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения на боковой поверхности сваи и она легко погружается в грунт. После прекращения работы вибратора структура грунта быстро восстана­ вливается и трение на боковой поверхности сваи увеличивается.

Вдавливание свай осуществляется с помощью мощных гид­ родомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать за­ бивку или вибропогружение (устройство свайных фундаментов вблизи существующих сооружений или в грунтах, уплотняющихся под действием колебаний). Вдавливание свай применяется также при усилении существующих фундаментов, когда воздействие дина­ мических или вибрационных нагрузок может отрицательно сказать­ ся на состоянии строительных конструкций.

Ввинчивание свай, снабженных на конце винтовыми лопастя­ ми (винтовые сваи), осуществляется особыми механизмами, назы­ ваемыми кабестанами.

Сваи, изготовляемые в грунте (набивные сваи). Их изготовляют из бетона, железобетона или цементно-песчаного раствора. Конст­ рукция набивных свай, которые имеют, как правило, цилиндричес­ кую форму, может предусматривать уширение нижнего конца, что значительно повышает их несущую способность.

По способу изготовления набивные сваи можно разделить на три основных тина: сваи без оболочки, сваи с оболочкой, извлека­ емой из грунта, и сваи с неизвлекаемой оболочкой.

Сваи без оболочек применяют в связных сухих и маловлаж­ ных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин. Изготовление сваи производится в следующем порядке: в грунте буровой установкой пробуривается скважина и, если это предусмотрено проектом, специальной фрезой-уширителем разбу­ ривается полость для устройства уширенной пяты сваи. В необ-

288

a) fi)

m)

Рис. 11.8. Последовательность изготовления набивных свай без оболочек:

установка арматурного к а р к ^ г - о^ «ан и _ ювлечениУ бетонолитной £ убы с

— заполнение скважины бетонной смеи>ю> с __________ „„„„„

вибрацией; ж - формирование головы сваи в инвентарном кондукторе

ходимых случаях в готовую скважину устанавливают арматурный каркас (рис. 11.8). В зависимости от инженерно-геологических усло­ вий, особенностей проектируемого сооружения и внешних нагрузок, передаваемых на фундаменты, набивные сваи армируются на пол­ ную длину, на часть длины или только в верхней части для связи с ростверком. Затем скважина бетонируется методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Поданная в скважину бетонная смесь уплотняется с помощью вибратора, закрепленного на бетоно­ литной трубе, которая извлекается из скважины по мере бетониро­ вания. После окончания бетонирования в специальном инвентарном кондукторе формируется голова сваи. По описанной технологии изготовляют сваи и буровые опоры (см. § 13.3) диаметром 0,4...1,2

мдлиной до 30 м.

Вводонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин для устройства безоболочковых свай производят под защитой глини­ стого раствора, который, создавая избыточное давление в скважине,

препятствует^ обрушению ее стенок. После выполнения буровых работ в забой скважины через бетонолитную трубу подается бетон­ ная смесь, которая вытесняет раствор глины.

Набивную сваю, скважина под которую получена бурением, принято называть буронабивной сваей. Кроме бурения скважину

289

можно также пробить в грунте инвентарным сердечником, трубой с закрытым нижним концом или вытрамбовать специальной трам­ бовкой. Такой способ формирования скважин приводит к значи­ тельному уплотнению грунта основания, что повышает несущую способность изготовленных свай, которые называют набивными сваями в уплотненном основании. В зависимости от способа произ­ водства работ их подразделяют на набивные виброштампованные и набивные в выштампованном ложе.

Набивные виброштампованные сваи изготовляют в скважине, пробитой инвентарным сердечником, путем заполнения ее жесткой бетонной смесью, уплотнение которой производится виброштам­ пом в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибратором.

Набивные в выштампованном ложе сваи изготовляют в скважи­ не пирамидальной или конусной формы, вытрамбованной трамбов­ кой, с последующим заложением ее бетонной смесью.

Разновидностью буронабивных свай являются и буроинъекцион­ ные сваи, которые устраивают путем заложения вертикальных и ж наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается очень неровная поверхность, обес­ печивающая хорошее сцепление сваи с окружающим грунтом. Сваи имеют арматурный каркас, который позволяет им воспринимать не только сжимающие, но и растягивающие усилия и моменты. Малый диаметр (80...250 мм) при большой длине (до 30 м) и неровная поверхность придают этим сваям сходство с корнями деревьев, поэтому их еще называют корневидными сваями. Их используют для усиления фундаментов существующих зданий, создания свай­ ных стен в грунте и ж в качестве анкеров при испытаниях свай вертикальной статической нагрузкой (см. § 11.3). Технологической особенностью таких свай при усилении фундаментов является то, что скважины бурят прямо сквозь старую кладку, в которую заде­ лывают голову сваи на длину не менее 10 ее диаметров.

Сваи с извлекаем ой оболочкой можно применять прак­ тически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсад­ ные трубы защищают стенки пройденной скважины от обрушения.

Простейшим видом сваи с извлекаемой оболочкой является свая, предложенная в 1899 г. инженером А. Э. Страусом. Для изготовления такой сваи в грунт в процессе бурения скважины погружается обсадная труба (рис. 11.9). После ее погружения до проектной отметки в скважину порциями с интенсивным трамбова­ нием подается бетонная смесь. По мере заложения полости бетон­ ной смесью обсадная труба извлекается. Образовавшаяся при трам­ бовании неровная боковая поверхность сваи способствует увеличе­ нию ее несущей способности.

Конструкции свай с извлекаемой оболочкой и технология их изготовления постоянно совершенствуются. В настоящее время ши-

290