книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

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 используют 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.)

К ом бинированны е сваи. Комбинированные сваи представ­ ляют 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 ной верхней частью. Возможны сочетания железобетонных оболо­ чек большого диаметра в верхней части с металлическими или железобетонными сваями внизу.

Способы погружения предварительно изготовленных свай в грунт. В настоящее время применяют следующие способы погружения предварительно изготовленных свай в грунт: забивка, вибропог­ ружение, вдавливание и ввинчивание.

Забивка свай в грунт осуществляется сваебойными молотами. Для защиты материала головы сваи ot разрушения ударами молота на нее надевают металлический наголовник с деревянными или резиновыми прокладками, смягчающими 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 и м сжатый воздух. Они подразделяются на молоты простого и двой­

311

ного действия. В молотах простого действия энергия привода используется толь­ ко для подъема ударной ча­ сти, которая затем свободно 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 уве­ личивается сила удара.

К вибромолотам отно­ сятся молоты ударно-вибра­ ционного действия, в кото­ рых наряду с периодически­ ми ударами по свае на нее передаются вертикальные колебания, создаваемые виб­ ратором.

При забивке свай в обез­ воженные плотные песчаные и супесчаные грунты для по­ вышения производительно­ сти забивки осуществляется

подмыв. Сущность подмыва заключается в том, что к нижнему концу сваи подается по трубам под большим напором вода, кото­ рая, размывая грунт, значительно уменьшает сопротивление ее погружению. Иногда для уменьшения сопротивления грунта погру­ жению свай, например в промерзший грунт, их забивают в пред­ варительно пробуренные лидерные скважины. Глубина скважины назначается опытным путем, но не более 0,9 длины сваи. Диаметр скважины принимается не более диагонали поперечного сечения

В ибропогружение свай наиболее эффективно при насыщен­ ных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, созда­ ваемые вибратором, передаются через сваю грунту, который разжижается, что приводит к резкому уменьшению сил трения на боковой поверхности сваи и она легко погружается в грунт. После прекращения работы вибратора структура грунта быстро восстанавливается и трение на боковой поверхности сваи увеличи­ вается.

В давливание свай осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать за­ бивку или вибропогружение (устройство свайных фундаментов вблизи существующих сооружений или в грунтах, уплотняющихся

312

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.

Винтовые сваи состоят из цилиндрического ствола и башмака с винтовыми лопастями, обеспечивающими завинчивание сваи в грунт при ее вращении вокруг продольной оси. Ствол сваи может быть железобетонным (сплошным или полым) или металлическим. Башмак с лопастями отливается из стали или чугуна. Диаметр лопастей составляет 3...4,5 диаметра ствола сваи, но не более 2,5...

...3 м. Винтовые сваи погружаются на глубину до 30...40 м. Основное преимущество винтовых свай в том, что они хорошо

работают на выдергивающие нагрузки, поэтому их применяют в сооружениях, где на фундаменты передаются значительные выдер­ гивающие усилия.

К ввинчиванию свай в грунт прибегают и в тех случаях, когда воздействие динамических или вибрационных нагрузок может от­ рицательно сказаться на состоянии конструкций рядом расположен­ ных сооружений, что характерно для строительства в стесненных городских условиях. Для этого используются стальные сваи труб­ чатого сечения с закрытым заостренным нижним концом и навитой на них по спирали гладкой арматурой. При вращении такая свая наподобие шурупа ввинчивается в грунт. Сваю вращает электромо­ тор, установленный на копровом оборудовании. Наиболее часто ввинчивающиеся сваи этого типа применяют при устройстве огра­ ждений вертикальных откосов котлованов рядом с существующими зданиями.

Сваи, изготовляемые в грунте (набивные сван). 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 типа: сваи без оболочки, сваи с оболочкой, извлека­ емой из грунта, и сваи с неизвлекаемой оболочкой.

Сваи без оболочек применяют в связных сухих и мало­ влажных грунтах, где можно осуществлять бурение без крепления стенок скважин. Изготовление сваи производится в следующем

рителем разбуривается полость для устройства уширенной пяты сваи. В необходимых случаях в готовую скважину устанавливают арматурный каркас (рис. 11.8). В зависимости от инженерно-

313

Рве. 11.8. Последовательность изготовления набивных свай без оболочек:

а — бурение д —«m i; б — устройство уширеннх механическим способом; в — установи арматурногокаркаса; г — опусканиев ствахину бетонолитной трубы; д —заполнение скважины бетоннойсмесью; е— извлечениебетонолитной трубы с вибрацией; ж — формированиеголовы сваи в инвентарном кондукторе

геологических условий, особенностей проектируемого сооружения и внешних нагрузок, передаваемых на фундаменты, набивные сваи армируются на полную длину, на часть длины или только в верхней части для связи с ростверком. Затем скважина бетонируется мето­ дом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Поданная в сква­ жину бетонная смесь уплотняется с помощью вибратора, закреплен­ ного на бетонолитной трубе, которая извлекается из скважины по мере бетонирования. После окончания бетонирования в специаль­ ном инвентарном кондукторе формируется голова сваи. По описан­ ной технологии изготовляют сваи и буровые опоры (см. § 13.3) диаметром 0,4...1,2 м длиной до 30 м.

В водонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин доя 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 можно также пробить в грунте инвентарным сердечником, трубой с закрытым нижним концом или вытрамбовать специальной трам­ бовкой. Такой способ формирования скважин приводит к значн-

314

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 заполнением ее бетонной смесью.

Разновидностью буронабивных свай являются и буроинъекцион­ ные сваи, которые устраивают путем заложения вертикальных или 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 или 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 и звлекаем 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 обруше­ ния.

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 увеличению ее несущей способности.

Конструкции свай с извлекаемой оболочкой и технология их изготовления постоянно совершенствуются. В настоящее время ши­ роко применяются инвентарные обсадные трубы, нижний конец

315

Сваи с неизвлекаемой оболочкой стоят дорого и используются

восновном в гидротехническом и транспортном строительстве. Сваи, изготовленные в грунте, обладают такими важными пре­

имуществами, как возможность их устройства практически в любых грунтовых условиях, большая несущая способность, возможность вывода головы сваи строго на заданную проектную отметку неза­ висимо от колебаний кровли несущего слоя грунта под их нижними концами, что значительно упрощает возведение на них ростверков, исключая такую трудоемкую операцию, как срубка голов свай (см. § 11.6). Кроме того,армирование таких свай производится только на эксплуатационные нагрузки, а их изготовление по безударной тех­ нологии позволяет производить работы вблизи существующих по­ строек.

Основным недостатком таких свай является необходимость их бетонирования в полевых условиях и прогрева бетонной сме­ си в зимнее время. Существует также проблема контроля качест­ ва выполнения работ, так как некачественная зачистка забоя сква­ жины и возможность образования каверн и сужений при изготовле­ нии ствола сваи могут существенно снизить ее несущую способ-

11.2. Взаимодействие свай с окружающим грунтом

Взаимодействие свай с окружающим грунтом носит сложный характер и зависит как от процессов, происходящих в грунте при устройстве свайных фундаментов, так и при их работе под действи­ ем эксплуатационных нагрузок. Эти процессы оказывают влияние на несущую способность и осадки свайного фундамента, от их правильного учета во многом зависит точность расчета и экономи­ ческая эффективность применения свай.

Процессы, происходящие в грунте при устройстве свайных фу­ ндаментов, по данным исследований В. Н. Голубкова, А. А. Луги, Б. И. Далматова и др., зависят от типа свай, грунтовых условий, технологии погружения и изготовления свай и т. п. Так, сплошная свая при погружении вытесняет объем грунта, равный ее объему, в результате чего грунт около сваи уплотняется,

ачасть его вытесняется вверх, вызывая подъем поверхности грунта вокруг свай. В рыхлых песках и песках средней плотности,

атакже в ненасыщенных водой глинистых грунтах, уплотнение которых протекает быстро, перемещение грунта вверх незначи­ тельно и приводит лишь к небольшому подъему поверхности грунта. В водонасыщенных глинах й суглинках уплотнение про­ исходит только в результате отжима воды из пор грунта н,

поскольку этот процесс протекает медленно, за время погружения свай грунт не успевает уплотняться и большая его часть вытесняется

317

вверх, что сопровождается значительным подъемом поверхности грунта в пределах свайного поля.

Зона уплотнения грунта вокруг забивных свай сплошного сече­ ния имеет радиус порядка трех диаметров сваи. Откопка опытных свай показала, что эта зона неоднородна: непосредственно около сваи грунт имеет нарушенную структуру и сильно уплотнен, по мере удаления от сваи структура и плотность грунта приближаются к естественной. Под нижним концом сваи зона уплотненного грунта имеет форму, близкую к сферической, и распространяется на глуби­ ну, до 3...4 диаметров сваи. Если по проекту нижние концы сваи забиваются в плотные пески, то, как показали опыты X. Кишиды (Япония) и А. В. Пилягина, наблюдается обратное явление — разу­ плотнение грунта.

Учитывая явление уплотнения грунта при погружении свай, ре­ комендуют такую последовательность их забивки. Во всех случаях, а в плотных грунтах особенно, забивку следует вести от середины свайного поля к его периметру. Если это правило не соблюдается, средние сваи не всегда удается погрузить до заданной глубины из-за сильного уплотнения грунта, вызванного забивкой предыдущих свай.

При забивке полой сваи образовавшаяся уже в начале погру­ жения грунтовая пробка приводит к формированию конусооб­ разного грунтового ядра, играющего роль заострения сплошной сваи. В результате характер деформации грунта вокруг полой сваи будет таким же, как и вокруг сплошной. Если в процессе погружения грунт удаляется из полой сваи, уплотнение окружающего грунта будет незначительным и он сохранит структуру, близкую к при­ родной.

В случае свай, изготовленных на месте, процессы,' происходящие ■в грунте, зависят от применяемой технологии. Если при устройстве скважины используется бурение, это не приводит к изменению плотности и структуры грунта вокруг свай. Если же скважина формируется внедрением инвентарной трубы или каким-либо дру­ гим способом, сопровождающимся отжатием грунта в стороны, то , характер деформации грунта вокруг сваи будет примерно таким же, как и вокруг сплошной сваи.

Как показала практика, изменение структуры и плотности грун­ та при забивке свай может сопровождаться временным увеличением или уменьшением сопротивления сваи ее погружению. Здесь боль­ шое значение имеют не только свойства самого грунта, но и спосо­ бы погружения сваи.

Как правило, при забивке свая сначала погружается в грунт очень легко и быстро. По мере погружения возрастают силы трения по ее боковой поверхности и сопротивление грунта под нижним концом. В результате скорость погружения замедляется. При моло­ тах ударного действия скорость погружения сваи принято харак-

318

теризовать величиной ее погружения от одного удара, называемой отказом сваи. По величине отказа, который замеряется при достижении своей проектной отмелей, можно судить о ее сопро­ тивлении, поскольку чем меньше отказ, тем, очевидно, больше несущая способность сваи. Однако для правильной оценки несущей способности сваи по величине отказа следует учитывать ряд специ­ фических процессов, происходящих в окружающем грунте при ее забивке.

При забивке свай в маловлажные пески плотные и средней плотности под нижним концом сваи образуется переуплотненная упругая зона, препятствующая погружению, что приводит к быст­ рому уменьшению отказа свай вплоть до нулевого значения и даль­ нейшая попытка забить сваю может привести к разрушению ее ствола. Если прекратить забивку, то через некоторое время в ре­ зультате релаксации напряжений сопротивление грунта под ниж­ ним концом сваи снизится. Поэтому, если через несколько дней снова возобновить забивку, свая опять начнет легко погружаться в грунт.

Описанное явление носит название ложного отказа, время, необходимое для релаксации напряжений, называется отдыхом свай, а отказ, определенный после отдыха сваи и характеризу­ ющий ее действительную несущую способность,— действитель­ ным отказом .

Продолжительность отдыха для песчаных грунтов составляет З...Г

ж зования переуплотненной зоны грунта, препятствующей погружению сваи, можно избежать, применяя молоты двойного действия или вибропогружатели. При сотрясениях грунта, вызыва­ емых частыми ударами молотов двойного действия, уплотненная зона грунта под нижним концом сваи практически не образуется, ашри вибрации, создаваемой вибропогружателем, резко снижаются силы внутреннего трения в песке и он становится подвижным, приобретая свойства жидкости.

При забивке свай в глинистые грунты часть связной воды пере­ ходит в свободную, грунт на контакте со сваей разжижается (тик­ сотропное разжижение структуры) и сопротивление погружению сваи снижается. Если прекратить забивку, то через некоторое время структура грунта восстанавливается и несущая способность сваи значительно возрастает. Это явление называют засасыванием сваи. Практика показала, что для получения действительного от­ каза в глинистых грунтах необходим отдых сваи, продолжитель­ ность которого составляет для супесей 5...10 сут, для суглинков — 15...20 сут, для глин — 25...30 сут и более.

Тиксотропные явления при забике свай в глйнистые грунты можно в значительной мере снизить, если погружение производить

319

молотами одиночного действия с большим весом ударной части и небольшой частотой ударов.

При погружении свай в гравелистые и не насыщенные водой глинистые грунты отдых сваи мало влияет на величину отказа, т. е. не приводит к изменению несущей способности сваи.

Процессы, происходящие в грунте при работе свай под нагрузкой, не менее сложны, особенно в случае висячих свай.

Известно, что вертикальная нагрузка, воспринимаемая висячей сваей, передается на грунт через ее боковую поверхность и нижний конец. В результате в грунте вокруг сваи возникает напряженная зона, имеющая сложное криволинейное очертание (рис. 11.10, а). Эпюра вертикальных нормальных напряжений az на уровне нижнего конца свай имеет выпуклую форму. Принято считать, что напряже­ ния ог распределяются по площади, равной основанию конуса, образующая которого составляет со сваей угол а, зависящий от сил трения грунта по ее боковой поверхности.

При редком расположении свай в кусте напряженные зоны грун­ та вокруг них не пересекаются и все сваи работают независимо, как одиночные. При небольшом расстоянии между сваями (как показа­ ли опыты, менее 6d, где d — диаметр сваи) происходит наложение напряжений, вследствие чего давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает (рис. 11.10, б). Одновременно с увеличением давления под кустом свай формируется и значительно большая по сравнению с одиночной сваей общая активная зона сжатия грунта. Вследствие этих двух причин при одинаковой нагрузке осадка сваи куста при совместной работе свай будет всегда заметно превышать осадку одиночной сваи.

Что касается несущей способности свай куста, то, с одной сто­ роны, дополнительное уплотнение грунта, вызванное забивкой соседних свай, приводит к ее увеличению, а с другой — осадка грунта межсвайного пространства в результате совместной работы свай и осадка грунта под подошвой ростверка приводит к ее умень­ шению, поскольку снижаются силы трения по боковым поверх­ ностям свай. Что в итоге больше скажется на несущей способности сваи куста, зависит от многих условий и не всегда легко прогнозиру­ ется. Однако опыт показывает, что в глинистых грунтах, а также мелких и пылеватых песках несущая способность сваи в кусте, как правило, уменьшается по сравнению с несущей способностью оди­ ночной сваи, а в песках крупных и средней крупности — увеличива­ ется.

Описанные следствия совместной работы свай в кустах принято называть кустовым эффектом. Кустовой эффект проявляется не только при вертикальных, но и при других видах нагрузок на фундаменты, например горизонтальных. Влияние кустового эффек­ та на работу свайных фундаментов сложно, иногда противоречиво и требует тщательного экспериментального изучения.

320