Лекция 7. Устройство свайных оснований и фундаментов.

7.1. Область применения и виды свай.

Свайные фундаменты широко применяют в жилищном и промышленном строительстве, а также при возведении специальных сооружений. По сравнению с ленточными и столб­чатыми свайные фундаменты более экономичны. Они позволяют умень­шить объем земляных работ на 70...75%, расход бетона на 25...30%, сни­зить трудозатраты на возведение фун­даментов в 1,5...2 раза.

Сваи широко используют также для повышения несущей способности слабых грунтов, ограждения котлова­нов и траншей с вертикальными стен­ками при разработке грунта, создания водонепроницаемых перемычек.

По характеру работы в грунте различают:

• сваи-стойки, прореза­ющие всю толщу слабых грунтов и передающие нагрузку от сооружения на прочные мало сжимаемые грунты своей нижней частью;

• висячие сваи, не достигающие прочных грунтов и передающие нагрузку от сооружения на слабые грунты за счет сил трения поверхности сваи об грунт.

В зависимости от материала сваи бывают: деревянные, металлические, бетонные, железобетонные, грунтобетонные, песчаные.

Железобетонные сваи изготовляют сплошными, полыми и в виде оболочек. Сплошные и полые сваи могут быть прямоугольного, квадратного и круглого сечения с заостренным нижним концом. Полые сваи диаметром до 800 мм называют трубными, а более 800 мм – сваями-оболочками.

Металлические сваи изготовляют из стальных прокатных профилей (шпунтов) или труб, заостренных к низу.

По способу изготовления сваи разделяют на следующие виды:

• погружные, предварительно изготовленные на по­верхности земли и внедренные затем в грунт с использованием различных методов;

• набивные сваи, изготовленные на месте строительства путем заполнения скважин бетонной смесью (после установки арматурных каркасов), песком или грунтобетонной массой.

7.2. Погружение предварительно изготовленных свай

Доставленные на строитель­ную площадку с баз стройиндустрии или производственно-технологической комплектации сваи раскладывают в зоне свайного поля с расчетом на­иболее удобной подачи их к сваебой­ным установкам.

Порядок складирования свай, раз­бивка свайного поля на захватки и очередность погружения свай опре­деляет ППР.

До начала погружения свай вы­полняют планировку участка, геодези­ческую разбивку сооружения с закреп­лением осей рядов свай. В процессе подготовительных работ осуществля­ют пробное погружение сваи с сече­нием, аналогичным запроектирован­ному, и испытывают ее для опре­деления несущей способности. На ос­новании пробных погружений в необ­ходимых случаях в проект вносят коррективы. В качестве пробных свай могут применяться обычные или спе­циальные инвентарные сваи много­кратного использования.

Технологический процесс погруже­ния сваи состоит из следующих операций: подтаскивание сваи к свае­бойной установке; подъема сваи, закрепление ее в направляющих уст­ройствах; погружение до проектной отметки или «отказа», который измеряют глубиной погружения сваи за минуту, определяемой на основе пред­варительного проведения статических или динамических испытаний кустов свай.

Предварительно изготовленные сваи погружают в грунт ударом, вибрацией, вдавливанием или исполь­зуют комбинацию этих методов.

Ударный метод. Основан на забив­ке свай механическими молотами, паровоздушными и дизель-молотами, которые подвешивают к сваебойным агрегатам (копрам) или мобильным установкам, имеющим механизмы подтаскивания, установки и выверки свай. Для погружения наиболее рас­пространенных в жилищном и про­мышленном строительстве свай длиной до 10 м применяют самоходные сваебойные установки на базе кранов, тракторов, автомобилей и экскавато­ров, которые отличаются высокой мо­бильностью и маневренностью (рис. 7. 1).

Рис.7.1. Сваебойная установка на базе трактора

1. трактор; 2 – гидравлические раскосы; 3 – мачта; 4 – рабочий орган (молот, вибромолот и т.л.); 5 – свая; 6 – рама

Механические (подвесные) молоты из-за низкой производительности (10...15 уд/мин) применяют лишь при небольших объемах свайных ра­бот.

Паровоздушные молоты бывают одиночного и двойного действия. Паровоздушные молоты двойного дей­ствия снабжены золотниковой коробкой, что обеспечивает движение порш­ня в цилиндре вверх и вниз под действием пара или воздуха. При дви­жении вниз к силе воздействия пара прибавляется собственный вес порш­ня, что увеличивает мощность погру­жающего удара.

Дизель-молоты по сравнению с па­ровоздушными молотами отличает бо­лее высокая производительность.

Различают штанговые и трубчатые дизель-молоты.

Ударной частью штанговых дизель-молотов является подвижной цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направляющих штангах. При падении цилиндра на неподвиж­ный поршень в камере сгорания от сильного сжатия воспламеняется смесь воздуха и подаваемого туда топ­лива. Образующиеся при этом газы подбрасывают цилиндр вверх. Падая, снова цилиндр осуществляет новый удар и цикл повторяется.

В трубчатых дизель-молотах принцип действия тот же, только ударной частью является под­вижной поршень, а неподвижный ци­линдр служит направляющей кон­струкцией

Производительность штанговых дизель-молотов 50...60 уд/мин, у труб­чатых - 47...55 уд/мин.

Вибрационный метод. Предусмат­ривает использование вибропогружа­телей (рис.7,1,а), представляющих собой электромеханическую машину вибрационного действия, которую под­вешивают к мачте сваепогружающей установки и соединяют наголовником со сваей. Под влиянием вибрации коэффициент внутреннего трения и си­ла сцепления грунта уменьшаются, что позволяет свае под действием собственного веса и веса вибропо­гружателя входить в грунт.

При вибрационном погружении в глину или тяжелый суглинок под ниж­ним концом сваи образуется пере­мятая глинистая подушка, которая снижает (до 40%) несущую спо­собность сваи. Для устранения этого явления остающиеся до проектной отметки 150...200 мм сваи погружают ударным методом.

Виброударное погружение. Осно­вано на совместном воздействии на сваю вибрации и удара. Для этой цели используют вибромолоты, среди которых наибольшее распространение получили пружинные вибромолоты (рис. 7.2,б). Они имеют два вала с дебалансами, вращающимися в раз­ном направлении и создающие коле­бательные движения по вертикали. Валы укреплены на ударнике с бойком. Так как зазор между бойком и сваей меньше амплитуды колебаний ударни­ка, то боек периодически ударяет по наковальне наголовника сваи.

Вибромолоты погружают в грунт сваи быстрее, чем вибропогружатели, и при этом не требуется исполь­зовать на последнем этапе ударный метод погружения.

Рис.7.2. Схема вибропогружателя (а) и вибромолота (б)

1 – электродвигатель; 2 – пригрузочные плиты; 3- пружины; 4 – вибратор;

5 – дебалансы; 6- наголовник; 7 – свая; 8 – ударная часть электродвигателя; 9 – баек;

10 - наковальня

Погружение методом подмыва. Применяют для ускорения процесса погружения тяжелых свай или свай-оболочек. При этом методе грунт разрыхляют и частично вымывают из-под сваи струями воды, вытекающими под давлением из трубок диаметром 38...62 мм, укрепленных на сваях. Расположение подмывных трубок мо­жет быть боковым, когда две или че­тыре трубки находятся по бокам сваи, и центральным, когда один однострунный или многоструйный на­конечник размещен по оси погружа­емой сваи.

В просадочных грунтах применение этого метода недопустимо, так как используемая для погружения свай вода может вызвать просадку грунта.

Погружение свай вдавливанием. Ведут с помощью специальных уста­новок, воздействующих на сваю соб­ственным весом или весом и вибра­цией одновременно. Для погружения свай методом статического вдавли­вания используют агрегат, состоящий из двух тракторов (рис. 7.3,а), один из которых оборудован направляющей рамой, опорной плитой и лебедкой с блоками для подъема свай, а второй - пятитонной лебедкой.

После подъема сваи малой лебед­кой на опорную плиту въезжает пригрузочный трактор с пятитонной лебедкой. С помощью отводных бло­ков усилие от этой лебедки через рабочий канат передается на наго­ловник сваи, который, перемещаясь по направляющим, вдавливает сваю в грунт. Таким методом погружают сваи на глубину до 6 м.

Вибровдавливание более эффек­тивно по сравнению со статическим вдавливанием. Оно основано на одно­временном воздействии вдавливаю­щей нагрузки и вибрации, создавае­мой вибропогружателем. Вибропогру­жатель работает от электрогенерато­ра, смонтированного на тракторе с пятитонной лебедкой (рис. 7.3,6).

Рис. 7.3. Установка для статического вдавливания (а) и вибровдавливания (б) свай

1 - лебедка с тяговым канатом для опускания опорной плиты и подъема наголовника;

2 – растяжка стрелы; 3 – блоки для тягового каната; 4 – рама стрелы; 5 – наголовник сваи с блоками для рабочего каната; 6 – рабочий канат; 7 – лебедка, создающая нагрузку; 8 – опорная плита; 9 – отводной блок рабочего каната; 10 – свая; 11 – лидерная скважина; 12 – двухбарабанная лебедка, создающая нагрузку; 13 – рабочий канат с блоками; 14 – канат с блоками для подъема вибропогружателя; 15 – вибропогружатель

Погружение свай в мерзлые грун­ты. Выполняют различными способами, в зависимости от глубины про­мерзания грунта.

При глубине промерзания до 0,7 м сваи погружают ударным или вибро­ударным методом, но с применением молота повышенной ударной мощ­ности (не менее 18 кН). В остальных случаях предварительно протаивают лунки или пробуривают скважины ди­аметром, близким к диаметру сваи. Протаивание лунок осуществляют электро- или паропрогревом, термобу­рами, а также термохимическим спо­собом.

Погружение свай в многолетнемерзлый грунт ведут с обеспечением максимальной сохранности естествен­ного состояния грунта, так как мерз­лый грунт имеет высокую несущую способность. С этой целью предусма­тривают обязательное смерзание свай с грунтом на всем протяжении эксплу­атации сооружения.

Погружают сваи в предварительно устроенные механическим, тепловым или комбинированным способом сква­жины. Наиболее эффективным яв­ляется способ с использованием па­рового вибролидера, позволяющего оттаивать грунт только в пределах коронки трубы, погружаемой вибри­рованием. Различают три способа по­гружения свай: буроопускной, опуск­ной и бурозабивной.

Буроопускной способ при­меняют как при твердомерзлых (имею­щих температуру ниже 1,5°С), так и при пластичномерзлых грунтах (с тем­пературой до 1,5°С). Сваи погружают в заполненные оттаявшим грунтом скважины, имеющие диаметр, пре­вышающий на 50 мм наибольшее се­чение сваи.

Опускной способ применяют только в твердомерзлых грунтах. Скважины в этом случае пробури­вают паровой иглой, которая создает зону оттаивания грунта значительно большую, чем диаметр сваи.

Бурозабивной способ ис­пользуют только в пластичномерзлых грунтах. В этом случае скважины бурят, а сваи погружают в них ударным или вибрационным методом. Диаметр пробуренных скважин должен быть на 10…20 мм меньше наименьшего размера сечения сваи.