Устройство свайных фундаментов

Сваи используют как элемент при возведении фундаментов, для упрочнения и повышения устойчивости оснований и массивов грунта.

Сваи классифицируются по следующим показателям:

– по материалу – деревянные, бетонные, железобетонные, стальные, грунтовые;

– по расположению – в грунте (вертикальные, наклонные, горизонтальные) и на поверхности (одиночные, кусты, свайные ряды, свайные поля);

– по характеру работы – сваи-стойки (опора на твердый грунт), висячие сваи (за счет сил трения), шпунты (при напоре грунтовой воды);

– по форме ствола – цилиндрические, конические, в форме параллелепипеда или пирамиды с уширенной верхней или нижней частью;

– по форме поперечного сечения – квадратные, прямоугольные, многоугольные, круглые, сплошные и полые;

– по способу погружения готовых свай – забивкой, завинчиванием, вдавливанием, погружением, с вибрацией или подмывом;

– по изготовлению на месте – трамбованные, штампованные, пневмонабивные, вибронабивные, буронабивные.

Свайный куст – несколько рядом расположенных свай, совместно воспринимающих общую нагрузку, ростверк – конструкция, объединяющая сверху сваи для их совместной работы. Шпунтовые сваи погружаются сплошными рядами – свая к свае – с плотным сопряжением между ними. Используются они для защиты выемок от грунтовых вод, креплением вертикальных стенок, котлованов, устройства набережных, причалов.

Характер расположения свай зависит от особенностей конструкции здания или сооружения, а также от нагрузок, передаваемых на фундамент. Одиночные сваи чаще всего используют в качестве опор для колонн. Кусты свай устраиваются в местах больших сосредоточенных нагрузок (опоры, устои мостов и т.п.). Рядовое расположение свай предпочтительнее при необходимости возведения ленточных фундаментов. Свайные поля используют при устройстве фундаментных плит.

По характеру передачи нагрузок на грунт различают сваи-стойки, опирающиеся на прочные грунты, залегающие под слоями менее прочных, и висячие сваи, передающие до 80% нагрузки за счет трения между боковой поверхностью сваи и грунтом.

В настоящее время известно более 500 видов свай. Однако не все они используются на практике, так как некоторые виды из них имеют узкую область применения. Поэтому в строительном производстве сейчас широко применяют сравнительно небольшое число видов свай, которые по способу их возведения можно разделить на следующие группы:

– готовые (сборные), поставляемые на строительную площадку в виде сборных элементов, изготавливаемых на заводе, и погружаемые в грунт различными способами;

– набивные, устраиваемые непосредственно в грунте, в предварительно выполненных различными способами выработках;

– комбинированные, которые являются комбинацией первых двух групп, а также выполняемые из различных материалов и устраиваемые в грунте с использованием специальных способов.

К готовым сваям относятся забивные и винтовые сваи. Забивные железобетонные, деревянные и стальные сваи погружают в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств. Винтовые сваи снабжены винтовым наконечником, погружают в грунт завинчиванием с помощью специальных машин на базе тракторов и автомобилей.

Набивные сваи по способу образования в грунте подразделяют на буронабивные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетоном или железобетоном, и набивные скважины, которые образуются методом продавливания, то есть вытеснением грунта.

В качестве забивных свай применяют деревянные, железобетонные, металлические сваи.

Деревянные сваи изготовляют из древесины сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты, дуба. Длина свай 4–12 м, диаметр в тонком конце 18–34 см. В нижнем конце свая заострена на 3–4 грани, острие должно совпадать с сосью сваи, отклоненное от оси острие может увести сваю при забивке от проектного положения. При забивке в плотные грунты и предохранения острия от разрушения на него надевают металлический башмак – наконечник, а на верхнюю часть – железное кольцо-бугель, предохраняющий голову сваи от разрушения (размочаливания) при забивке. Когда требуются длинные сваи (> 12 м), их сплачивают из нескольких бревен – в торец, вполдерева или накладками. Для предохранения свай от гниения их пропитыват антисептиками или погружают так, чтобы вся свая располагалась ниже самого низкого уровня грунтовых вод. Деревянные шпунты изготовляют из брусьев, на одной грани устраивают гребень, на другой – паз, преимущественно прямоугольного сечения. Перед забивкой шпунтины соединяют по 2..3 шт. в пакет, делают общий скос на острие и надевают общий бугель. Обычно толщина шпунтин 5–14 см, но может доходить до 26 см.

Металлические сваи применяют в портовом, мостовом, энергетическом и промышленном строительстве, при возведении высотных сооружений (радиомачт, телебашен). Используют стальные трубы диаметром 25–100 см, рельсы, двутавры, винтовые сваи со специальным наконечником, завинчиваемые в грунт. Длина металлических свай может быть от 12 до 25 м. Стальной шпунт применяют для устройства водонепроницаемых стенок котлованов, подпорных стенок, пирсов, набережных, соединяющийся между собой замковыми соединениями. Для шпунта выпускают специализированные профили – плоские, корытообразные, зетообразные длиной до 30 м, в отдельных случаях используют обычный стальной прокат.

Наибольшее распространение в строительстве получили железобетонные сваи. В настоящее время в основном применяют железобетонные призматические сваи сплошного квадратного сечения, размером 200х200 до 400х400 мм (через 50 мм) и длиной от 3 до 20 м (через 1 м). Сваи армируют стержнями стальной арматуры классов А-1, А-2, А-3.

Голову сваи, воспринимающую нагрузку от ударов от сваебойного оборудования армируют арматурными сетками. Бетон для обычных, ненапряженных классов принимают классов В15-В30, а для свай с предварительно напряженной арматурой – классов В30-В40.

Железобетонные пустотелые сваи квадратного сечения делают размерами 250х250, 300х300, 400х400 мм при толщине стенок не менее 70 мм. Полые трубчатые сваи кольцевого сечения делают с наружным диаметром 400, 500, 600 и 800 мм, причем сваи диаметром до 600 мм делают с закрытым концом, а свыше 600 – с открытым концом. Длина звеньев 4–8 м.

Для предохранения сваи от разрушения на ее верхнюю часть надевают оголовник, внутренние размеры которого должны точно соответствовать размерам сваи, а между оголовником и сваей устанавливают амортизирующую прокладку.

Основным методом погружения готовых сваи является забивка. Для забивки применяют специальные установки – копры, состоящие из ходовой части конструкций для удерживания и направления движения свай, силового, вибрационного и водонапорного оборудования (рисунок 1).

Копры оборудуют механическими, паровоздушными, дизельными или гидромолотами. Механические и паровоздушные молоты в массовом строительстве постепенно заменяют дизель-молотами из-за высокой производительности и простоты эксплуатации.

Копры на пневмоколесном шасси применяют для забивки легких коротких свай (длиной до 6 м) на рассредоточенных объектах, когда требуется быстрая перебазировка копра с объекта на объект. Универсальные копры на рельсовом ходу используются, главным образом, при массовой забивке свай длиной более 12 м. В связи с тем, что в промышленном и гражданском строительстве в основном используют сваи длиной 6…10 м, наибольшее распространение на практике получили самоходные сваебойные установки на базе трактора, оборудованные молотом, складывающейся мачтой, рамой, механизмом для выравнивания стрелы, подтягивания, подъема и установки свай в заданном положении.

а – универсальный рельсовый копер; б – копровая установка на базе экскаватора; в - копровая установка на базе автомобиля

Рисунок 1 – Копровые установки

Кроме специализированных копровых установок для погружения свай широко используются серийно выпускаемые универсальные экскаваторы. Для забивки свай экскаваторы оборудуют навесной стрелой. Таким образом, за короткий промежуток времени экскаватор превращен в машину, способную выполнять сваебойные операции по погружению свай.

Забивные сваи погружают в грунт ударами, вибрацией, вдавливанием и комбинацией этих методов.

Ударный метод погружения свай основан на забивке их в грунт специальным сваебойным оборудованием – свайными молотами.

Технологический процесс забивки свай включает следующие операции: разметку мест забивки, передвижку и установку копра сваебойного агрегата у мест забивки, подачу свай к копру, подъем и установку ее на место погружения, забивку сваи.

Забивка свай ведется до проектной отметки или до получения заданного проектом размера. Сваи, не давшие требуемого отказа, после «отдыха» продолжительностью 3–4 дня, подвергаются контрольной забивке. Отказ – нормируемая глубина погружения сваи от одного удара. Отказ измеряют с точностью до 1 мм. Осадку от одного удара измерить трудно, поэтому отказ определяют как среднее значение при серии ударов, называемых залогом.

При погружении свай дизель-молотами и паровоздушными молотами одиночного действия залог принимается равным 10 ударам, при погружении свай молотами двойного действия и вибропогружателями залог принимают равным числу ударов за 1 мин забивки. Расчетный отказ подсчитывается как среднее от трех последних залогов.

Технологическая схема подготовительных операций, осуществляемых до начала выполнения основного процесса, выглядит следующим образом:

– разбивка положения свай, устройство обносок и путей передвижения копров;

– поставка оборудования, доставка и раскладка свай;

– пробная забивка, по результатам которой корректируются намеченные ранее схемы забивки.

Процесс погружения сваи складывается из следующих операций:

– подтягивание и подъем сваи с одновременным заведением ее головной части в гнездо наголовника в нижней части молота;

– установка сваи в направляющих в месте забивки;

– забивка сваи сначала несколькими легкими ударами с последующим увеличением силы ударов до максимальной. Процесс забивки сваи считается законченным, если средний отказ не превышает расчетного. При отклонении положения сваи от вертикали более чем на 1% сваю выправляют подпорками, стяжками или извлекают и забивают вновь;

– передвижение копра и срезание сваи по заданной отметке.

При забивке часть свай не удается погрузить до проектной отметки и верхние части находятся на разных уровнях. Поэтому лишние части, так называемые «попы», срезаются: деревянные – пилами, стальные – газовыми резаками. Для срубки голов железобетонных свай используют дисковые пилы, специальные гидроножницы или установки компрессорно-вакуумного типа.

При забивке свая внедряется в грунт, раздвигая его частицы, в результате чего грунт вокруг сваи уплотняется, что должно быть учтено при назначении схем забивки. Распространены схемы забивки: рядовая, секционная, спиральная в направлении от краев участка к его середине и от середины участка к его краям (рисунок 2).

а б в г

а – рядовая; б – секционная; в, г – спиральные

Рисунок 2 – Схемы проходок при погружении свай

Рядовую схему забивки применяют при строительстве линейных сооружений или устройстве свайных фундаментов рядами. В том случае, если в фундаменте чередуются вертикальные сваи с наклонными, то забивают вначале вертикальные, а затем наклонные сваи.

При секционной забивке вначале забивают несколько рядов свай на значительном расстоянии один от другого, а затем забивают сваи в образовавшихся ячейках.

При забивке свай концентрическими рядами от краев к центру (спиральная забивка) грунт в середине площадки уплотняется, поэтому такая схема забивки рекомендуется на участках со слабыми грунтами. При наличии на участке плотных грунтов грунт в середине площадки может настолько уплотниться, что забивка в центре спирали станет невозможной. В этом случае сваи необходимо забивать от центра к краям площадки.

При устройстве свайных фундаментов для зданий большой протяженности может быть сооружен специальный передвижной мост, по которому будет перемещаться копровая установка с мачтой. Поскольку мост перемещается по рельсам вдоль котлована, а копер – поперек, это обстоятельство позволяет забивать сваи с большой степенью точности в любой точке котлована.

При забивке свай на обводненных участках вокруг сооружаемого фундамента устраивают временные подмости на деревянных или винтовых сваях. На подмости укладывают рельсовые пути и устанавливают копер. По мере забивки свай подмости вместе с копровым оборудованием перемещают вдоль фронта работ.

При значительной глубине воды копры размещают на специальных плавучих установках (плашкоутах).

Для забивки тяжелых свай применяют передвижные копровые установки, размещенные на парных баржах или плашкоутах.

Сваи-оболочки после погружения в грунт заполняют бетоном. Для связи свай с подушкой ростверка в верхней их части устанавливают арматурные каркасы.

На реках с достаточно мощным и устойчивым покровом можно применить забивку свай со льда.

Одним из недостатков забивных свай является их динамическое воздействие на соседние здания и сооружения, людей. Поэтому были разработаны безударные методы погружения готовых свай, к которым относятся вибрационное и виброударное погружение, вдавливание и вибровдавливание, завинчивание, погружение с подмывом и с использованием электроосмоса, а также комбинированное использование этих методов.

Вибрационный и виброударный методы основаны на свойствах грунтов уменьшать при вибрации угол внутреннего трения, что сопровождается уменьшением связи между частицами грунта, сил сопротивления между сваей и грунтом, уменьшением сил сопротивления погружению свай в грунт. Вибрационный метод применяется, в основном при опускании в малосвязных водонасыщенных грунтах шпунтовых ограждений, стальных трубчатых и железобетонных и пустотелых свай, свай-оболочек и других свай, испытывающих при погружении небольшое лобовое сопротивление.

При вибрационном способе вибропогружатель соединяется со сваей с помощью наголовника, который передает ей колебания, в результате которых свая под действием собственной силы тяжести заглубляется в грунт.

Виброударный способ погружения свай является более универсальным, чем вибрационный и заключается в одновременном вибрационном и ударном воздействии на погружаемую сваю с помощью вибромолота, вибровозбудителя.

Вибромолоты используются, главным образом, для забивки в грунт различной плотности металлических свай длиной до 20 м и шпунта до 13 м. Железобетонные сваи погружают вибромолотами в относительно слабые грунты.

Метод вибровдавливания рекомендуется при погружении в мягкопластичные, текучепластичные и текучие суглинки и глины, а метод вдавливания статической нагрузкой ограничивается глинистыми грунтами текучей консистенции.

Статическое и вибрационное вдавливание свай производится с помощью установок действующих на сваю массой, либо массой и вибрацией одновременно. Для этого используют установки, состоящие из двух тракторов, оборудованных направляющей рамой, опорной плитой, наголовником для передачи давления, соединенным с вдавливающим полиспастом. На одном из тракторов устанавливается грузоподъемная лебедка, на втором тяговая. Метод вдавливания особенно эффективен при погружении коротких свай длиной до 6 м.

Погружение свай завинчиванием применяется для устройства фундаментов под мачты линий электропередач, где сваи могут работать на выдергивание. Конструкция рабочего органа, агрегата для завинчивания свай, смонтированного на базе автомобилей, позволяет выполнять следующие операции: втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа, обеспечить заданный угол погружения сваи в пределах 0–45° от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одновременным использованием осевого усилия, при необходимости вывертывать сваю из грунта.

Погружение свай с помощью гидроподмыва осуществляют посредством разрыхления грунта под острием сваи и его частичного вымывания струями воды, вытекающими под давлением из нескольких трубок, укрепленных на свае. Перед окончанием погружения свай подмывкой, производят добивку их на глубину 1,5–2 м до нужной отметки, чтобы нижняя часть сваи опиралась на неразрыхленный грунт.

Погружение свай с помощью электроосмоса, применяемое при их установке в глинистых грунтах, основано на том, что при кратковременном действии постоянного тока вокруг забиваемой сваи, подключают в сеть в качестве катода, влажность грунта возрастает и в результате уменьшается лобовое и боковое сопротивление грунта погружению сваи.

Сваи, погружаемые в готовом виде, обладают существенными достоинствами, так как заводское изготовление в определенной степени гарантирует получение высоких прочностных характеристик изделия. В связи с заводскими условиями производства сокращается расход материальных ресурсов, значительно сокращаются сроки сдачи объектов в эксплуатацию.

Однако выгоды от применения свай могут исчезнуть, если например, грунтовые напластования на площадке располагаются неравномерно. Тогда при погружении готовых свай в результате неодинаковых отказов и значительного объема срубки голов свай большие материальные и трудовые ресурсы оказываются затраченными впустую.

Набивные площадки изготавливают непосредственно на площадке в проектном положении путем устройства скважин и заполнения их бетонной смесью или другими материалами. Их основные достоинства – рациональный расход материалов и трудовых ресурсов с учетом конкретных условий производства работ.

• Методы устройства набивных свай.
• Устройство ростверков.