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 достаточной несущей способностью, чтобы служить основанием для фундаментов мелкого заложения проектируемого сооружения, возникает 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 изготовленный в грунте стержень, предназначенный для передачи нагрузки от сооружения на грунт основания. Группы или ряды свай, объединенные поверху распределительной плитой или балкой, образуют свайный фундамент. Распределительные плиты и балки, выпол-

Рис. 11.1. Типы свайных ростверков:

а, б — низкий; в — высокий

Рис. 11.2. Схемы передачи нагрузки сваями на грунты основания

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 расположена непосредственно на поверхности грунта, то его называют низким свайным ростверком, если подошва ростверка расположена выше поверхности грунта—высоким свайным ростверком (рис. 11.1).

В настоящее время в строительстве применяется более 150 типов свай и их конструктивных видов, которые принято классифицировать 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 практически 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 получает вертикальные перемещения, достаточные для возникновения сил 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 суммой 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, изготовляемые на месте, в грунте. В зависимости от расположения свай в плане различают следующие 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 передаваемой на основание нагрузки. Разновидность одиночных свай, служащих одновременно и фундаментом, и колонной легкой надземной конструкции, называют сваей-колонной. Сваи-колонны широко 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 и из двух свай. Свайные кусты устраивают под колонны сооружений и опоры, передающие значительные вертикальные нагрузки.

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

Рис. 11.3. Виды свайных фундаментов:

а — свайный куст; б — ленточный; в — сплошное свайное поле

Рис. 11.4. Сечения железобетонных свай:

а — квадратной; б — квадратной с круглой полостью; в — круглой пустотелой; г — прямоугольной; д — тавровой; е — двутавровой

Рис. 11.5. Железобетонные сваи различного профиля:

а — призматические; б — цилиндрические; в — пирамидальные; г — трапецеидальные; д — ромбовидные; е — с уширенной пятой

Если фундамент состоит из свай, расположенных в определенном порядке под всем сооружением, его называют сплошным свайным полем. Сплошные свайные поля устраивают под тяжелые сооружения башенного типа, имеющие ограниченные размеры в плане.

Конструкции предварительно изготовленных свай. Сваи, погружаемые в грунт в готовом виде, в зависимости от материала, из которого они изготовляются, подразделяются на железобетонные, деревянные, стальные и комбинированные. Железобетонные сваи, получившие наибольшее распространение в практике строительства, подразделяют:

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

по форме продольного сечения — на призматические, цилиндрические, с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные), сваи с уширенной пятой (рис. 11.5);

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

по конструктивным особенностям — на сваи цельные и составные.

Наиболее часто в настоящее время применяют призматические сваи сплошного квадратного сечения, квадратного сечения с круглой 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.).

Рис. 11.6. Конструкция железобетонных свай:

а — призматическая с поперечным армированием ствола; б — то же, без поперечного армирования ствола; в — то же, с круглой полостью; г — полая круглая; 1 — строповочная петля; 2 — арматурные сетки головы; 3 — продольная арматура; 4 — спираль острия; 5 — поперечная спиральная арматура

В практике известны случаи применения составных свай длиной до 100 м.

Сваи сплошного квадратного сечения применяют в любых сжимаемых грунтах без твердых включений для передачи на основания вдавливающих, выдергивающих и горизонтальных нагрузок.

Сваи квадратного сечения с круглой полостью выпускают сечением от 0,25 х 0,25 до 0,4 х 0,4 м и длиной 3...8 м. Использование таких свай позволяет снизить расход цемента на 15...25%, арматуры—на 40...60%, но область их применения ограничена вдавливающими нагрузками до 500 кН и горизонтальными до 15 кН.

Полые круглые свай в зависимости от диаметра ствола подразделяют на два вида: диаметром 0,4...0,8 м — полые круглые сваи, диаметром более 0,8 м — сваи-оболочки.

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 индивидуальным рабочим проектам, и применение их на практике ограничено.

В последнее время все большее распространение находят пирамидальные сваи. Они изготовляются ненапрягаемыми с поперечным 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 способность грунта, рекомендуется .применять только как висячие при передаче на них преимущественно вертикальных вдавливающих нагрузок.

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

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

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

Стальные сваи. Стальные сваи делят на "трубчатые и шпунтовые. Трубчатые сваи изготовляют из стандартных стальных труб диаметром 0,2...0,8 м, шпунтовые — из стального шпунта различного 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 заполняется бетоном, ее называют трубобетонной.

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

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

Комбинированные сваи. Комбинированные сваи представляют собой сваи, составленные по длине из двух различных материалов. Чаще всего это комбинация деревянной части, которая помещается ниже уровня подземных вод, с бетонной или железобетон-

1

Рис. 11.7. Забивка сваи механическим молотом:

1 — мачта копра; 2 — подвесной молот; 3 — металлический наголовник; 4 — свая

ной верхней частью. Возможны сочетания железобетонных оболочек большого диаметра в верхней части с металлическими или железобетонными сваями внизу.

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

Забивка свай в грунт осуществляется сваебойны-ми молотами. Для защиты материала головы сваи от разрушения ударами молота на нее надевают металлический наголовник с деревянными или резиновыми прокладками, смягчающими удар.

Молоты для забивки свай подразделяют на механические (подвесные), паровоздушные, дизельные и электрические (вибромолоты).

Наиболее простыми являются механические, которые представляют 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 дизельные молоты, где в качестве энергии привода используется пар или сжатый воздух. Они подразделяются на молоты простого и двойного действия. В молотах простого действия энергия привода используется только для подъема ударной части, 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 увеличивается сила удара.

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

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

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

При забивке свай в обезвоженные плотные песчаные и супесчаные грунты для повышения производительности забивки осуществляется подмыв. Сущность подмыва заключается в том, что к нижнему концу сваи подается по трубам под" большим напором вода, которая, размывая грунт, значительно уменьшает сопротивление ее погружению. Иногда для уменьшения сопротивления грунта погружению свай, например в промерзший грунт, их забивают в предварительно пробуренные лидерные скважины. Глубина скважины назначается опытным путем, но не более 0,9 длины сваи. Диаметр скважины принимается не более диагонали поперечного сечения сваи.

Вибропогружение свай наиболее эффективно при насыщенных водой песках. В этом случае вертикальные колебания, создаваемые 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 увеличивается.

Вдавливание свай осуществляется с помощью мощных гидродомкратов и применяется тогда, когда нельзя использовать забивку 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 динамических или вибрационных нагрузок может отрицательно сказаться на состоянии строительных конструкций.

Ввинчивание свай, снабженных на конце винтовыми лопастями (винтовые сваи), осуществляется особыми механизмами, называемыми кабестанами.

Сваи, изготовляемые в грунте (набивные сваи). Их изготовляют из бетона, железобетона или цементно-песчаного раствора. Конструкция набивных свай, которые имеют, как правило, цилиндрическую 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, извлекаемой из грунта, и сваи с неизвлекаемой оболочкой.

Сваи без оболочек применяют в связных сухих и маловлажных 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 разбуривается полость для устройства уширенной пяты сваи. В необ-

Рис. 11.8. Последовательность изготовления набивных свай без оболочек:

а — бурение скважины; б — устройство уширения механическим способом; в — установка арматурного каркаса; г — опускание в скважину бетонолитной трубы; д — заполнение скважины бетонной смесью; е — извлечение бетонолитной трубы 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 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 методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Поданная в скважину бетонная смесь уплотняется с помощью вибратора, закрепленного на бетонолитной трубе, которая извлекается из скважины по мере бетонирования. 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 м длиной до 30 м.

В водонасыщенных глинистых грунтах проходку скважин для устройства безоболочковых свай производят под защитой глинистого раствора, который, создавая избыточное давление в скважине, препятствует обрушению ее стенок. После выполнения буровых работ в забой скважины через бетонолитную трубу подается бетонная 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 трамбовкой. Такой способ формирования скважин приводит к значительному уплотнению грунта основания, что повышает несущую способность изготовленных свай, которые называют набивными сваями в уплотненном основании. В зависимости от способа производства 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 виброштампом в виде трубы с заостренным нижним концом и закрепленным на ней вибратором.

Набивные в выштампованном ложе сваи изготовляют в скважине пирамидальной или конусной формы, вытрамбованной трамбовкой, с последующим заполнением ее бетонной смесью.

Разновидностью буронабивных свай являются и буроинъекцион-ные сваи, которые устраивают путем заполнения вертикальных или наклонных скважин цементно-песчаным раствором под давлением, в результате чего получается очень неровная поверхность, обеспечивающая 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 свайных 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 заделывают голову сваи на длину не менее 10 ее диаметров.

Сваи с извлекаемой оболочкой можно применять практически в любых геологических и гидрогеологических условиях, поскольку используемые для их изготовления инвентарные обсадные 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 заполнения полости бетонной 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 широко применяются инвентарные обсадные трубы, нижний конец которых при погружении закрывается чугунным или железобетонным съемным башмаком, который при подъеме трубы остается в грунте, образуя острие сваи. В сваях типа Франки роль башмака выполняет бетонная пробка, которая заполняет нижний конец обсадной трубы. Погружение трубы в грунт производится сильными ударами по пробке специальной трамбовкой. На проектной отметке трубу удерживают тросами от дальнейшего погружения, а пробка частично выбивается в грунт, образуя уширенную грушевидную пяту в 1,5...2 диаметра трубы.

Сваи с неизвлекаемой оболочкой применяют, когда отсутствует возможность качественного изготовления свай с извлекаемой оболочкой. Такие условия создаются на площадках, сложенных водонасыщенными глинистыми грунтами текучей консистенции с прослойками песков и супесей, где под напором подземных вод ствол сваи на отдельных участках может быть разрушен во время твердения бетонной смеси.

Сваи с неизвлекаемой оболочкой стоят дорого и используются в основном в гидротехническом и транспортном строительстве.