Способы погружения свай
Назначение и состав свайных работ. Классификация свай
Сваи используют как элемент при возведении фундаментов, для упрочнения и повышения устойчивости оснований и массивов грунта. Свайные фундаменты применяют при строительстве зданий и сооружений, особенно в тех случаях, когда в основании залегают слабые или неустойчивые (просадочные) грунты.
Свайный фундамент состоит из свай, объединенных по верху ростверком. Характер расположения свай зависит от особенностей конструкции здания или сооружения, а также от нагрузок, передаваемых на фундамент. Расположение свай, исходя из этого, может быть одиночным, рядами, кустами или в виде свайных полей.
В строительном производстве сваи классифицируют по следующим признакам. По характеру работы в грунте – сваи-стойки, опирающиеся на несжимаемые грунты, и висячие сваи, заглубленные в сжимаемые грунты.
По материалу – железобетонные, бетонные, деревянные, стальные, грунтовые.
По виду армирования железобетонных свай – с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.
По конструкции – квадратные, прямоугольные и многоугольные, круглые, с уширением и без него, цельные и составные, призматические и конические, пустотелые, сплошного сечения, винтовые сваи-колонны.
Сваи по способу их устройства 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, снабженные винтовым наконечником, погружают в грунт завинчиванием с помощью кабестанов специальных машин на базе тракторов или 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, т.е. вытеснения грунта.
В качестве забивных свай применяют деревянные и железобетонные сваи, но на практике чаще – железобетонные. Их изготавливают из обычного и предварительно-напряженного железобетона. Сейчас в основном применяют железобетонные призматические сваи сплошного квадратного сечения размером от 200x200 до 400x400 мм (через 50 мм) и длиной от 3 до 20 м (через 1 м). Сваи армируют стержнями стальной арматуры классов S240 (гладкая), S400 (периодического профиля).
Бетон для обычных, ненапряженных свай принимают классов С12/15 – С25/30, а для свай с предварительно-напряженной арматурой - классов С25/30 – С30/37. Составные сваи квадратного сечения применяют при большой толщине проходимых слабых грунтов (более 20 м). Звенья составных свай изготавливают длиной 6 - 10 м и стыкуют их при погружении с помощью болтовых фланцев или при помощи специальных стыковочных соединений или замков.
Железобетонные пустотелые сваи квадратного сечения делают размерами 250x250, 300x300 и 400x400 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. Соединяют сваи при погружении на болтах, а при возможности сборки свай в горизонтальном положении - на сварке.
Забивные сваи погружают в грунт ударами, вибрацией, вдавливанием и комбинацией этих методов.
Ударный метод погружения свай основан на забивке их в грунт свайными молотами. По роду привода свайные молоты подразделяются на механические (подвесные), паро-воздушные и дизельные.
Молот состоит из ударной массивной части, движущейся возвратно-поступательно относительно направляющих конструкций (цилиндра, трубы, штанг и т.п.). Ударная часть молота наносит чередующиеся удары по свае и погружает ее в грунт. Механические и паро-воздушные молоты в силу сравнительно небольшой производительности применяют при малых объемах свайных работ. Для массовой забивки свай чаще используют энергетически автономные мобильные дизель-молоты, работающие по принципу двухтактного дизеля. В зависимости от типа направляющих они бывают штанговые и трубчатые, а от массы ударной части - легкие (до 600 кг), средние (до 1800 кг) и тяжелые (свыше 2500 кг).
Эффективность забивки сваи зависит от правильного выбора свайного молота и, правильного соотношения его массы и массы сваи при забивке в грунтах различной плотности.
Выбор молота для забивки свай зависит от запроектированной несущей способности сваи и ее массы. Необходимая минимальная энергия удара молота
(8.1)
где а - коэффициент, равный 0,25 кДж/т; Р - несущая способность сваи, т.
Принятый тип молота с расчетной энергией Э должен удовлетворять условию
(8.2)
где Мп - полная масса молота, кг; М - масса сваи с наголовником, кг; k — коэффициент, зависящий от материала сваи.
Энергия удара молотов:
для трубчатых дизель-молотов Э = 0,9 Мм, Н
для штанговых дизель-молотов Э= 0,4 Мм, Н
для паровоздушных молотов одиночного действия Э = 0,9 Мм, Нη
для паровоздушных молотов двойного действия Э = (0,9 Мм + pF)h
для механических молотов Э = 0,95 Мм, Н
где Мм - масса ударной части молота, кг; Н - высота падения ударной части, м; η - КПД молота; р - давление сжатого воздуха или пара в цилиндре молота, МПа; F - площадь поршня, см2; h - ход поршня, см.
Технологический процесс забивки свай включает следующие операции: разметку мест забивки, передвижку и установку копра или сваебойного агрегата у места забивки, подачу сваи к копру, подъем и установку ее на место погружения, забивку сваи.
Подачу свай в котлован и их раскладку осуществляют кранами. В отдельных случаях эту работу можно выполнять непосредственно копром, специально подготовленным для этой цели, имеющим поворотную платформу и гусеничную базу для передвижения. Для забивки свай молоты ударного действия монтируют на копрах, имеющих рабочую платформу с рельсовой частью и вертикальные направляющие устройства стрелового или башенного типа (для перемещения молота и сваи). Часто применяют также самоходные сваебойные агрегаты (копры) на тракторах, автомобилях и экскаваторах (рис.8.5).
Чтобы обеспечить правильную установку и направление погружения сваи, ее закрепляют в стреле копровой установки и, кроме того, первые удары по свае производят при небольшой высоте подъема молота (не более 0,4 ... 0,5 м). Затем высоту подъема и силу удара молота увеличивают, доводя до максимальной. Для контроля глубины погружения сваи ее размечают, причем вначале через 1, затем 0,5, а в верхней части - через 0,1 м с указанием возле рисок длины сваи от нижнего конца.
От каждого удара свая погружается на определенную величину, которая, однако, по мере ее заглубления уменьшается и наступает такой момент, когда после ударов она погружается практически на одну и ту же величину, которую называют отказом.
Отказ свидетельствует о достижении сваей необходимой несущей способности. Его определяют как среднюю величину после замера погружения после десяти ударов. Серию из десяти ударов, производимых для определения средней величины отказа, называют залогом. При забивке свай быстроходным молотом двойного действия или дизель-молотом, когда считать удары практически невозможно, за отказ принимают величину погружения сваи за 1 мин. Сваи забивают до достижения расчетного отказа lр, см, определяемого по формуле
(8.3)
Рис. 8.5 – Забивка свай самоходными сваебойными агрегатами
1 – трактор, 2 – гидроманипулятор для подъема молота и свай, 3 – гидравлические раскосы, 4 – мачта, 5 – головка с блоками, 6 – молот, 7 – стрела заводки сваи под молот, 8 – свая, 9 – рама, 10 – нижний отводной блок, 11 – автомобиль, 12 – гидроцилиндры подъема молота и сваи, 13 – опоры мачты (для транспортного положения), 14, 15, 16 - гидроцилиндры наклона мачты, выдвижения стрелы и перемещения мачты, 17 – выносные опоры, 18 – полиспаст, 19 – канат молота, 20 – свайный канат, 21 – стреловой канат, 22 - наголовник, 23 – стрела экскаватора, 24 – телескопическая распорка
где n - коэффициент, зависящий от способа забивки и материала сваи; Мм - масса ударной части молота; Нn- высота ее падения, см; F- площадь поперечного сечения сваи, м2, Рпр - предельная несущая способность сваи; q - масса сваи с наголовником, т.
Если средний отказ в трех последовательных залогах не превышает расчетного, забивку сваи считают законченной.
Тем не менее, иногда бывают случаи, когда после достижения отказа или расчетного отказа, свая дальше не погружается, не достигнув запроектированной отметки, т.е. более прочного грунта, и таким образом вместо сваи-стойки, передающей нагрузку от фундамента на этот грунт, она превращается в «висящую», не отличающуюся требуемой несущей способностью. В таком случае дают свае «отдых» на 1 - 2 дня и пробуют забивать опять. Также могут определять несущую способность свай статическим или динамическим нагружением. На практике в ряде случаев оставшиеся на поверхности отрезки свай срезают специальным навесным оборудованием и выбрасывают, нанося этим двойной ущерб. Во-первых нерационально используются сваи, а во-вторых, не забив сваи до проектной отметки, не обеспечивают достижение конечного результата, т.е. устройство надежного основания и фундамента. Поэтому в любом случае надо стремиться к погружению свай до проектной отметки, а если наступает отказ и свая дальше не погружается, то надо применять более мощное сваебойное оборудование с тем, чтобы обеспечить забивку сваи до проектной отметки.
Вибрационный и виброударный методы погружения свай. При вибрационном методе сваю погружают вибрационными машинами (вибропогружателями и вибромолотами), оказывающими на сваю динамическое воздействие (рис. 8.6, а, б, в). Для погружения сваи вибропогружатель подвешивают к мачте сваепогружающего агрегата и соединяют наголовником со сваей. Если отказ при ударном методе определяют погружением сваи за 1 мин. действия молота, то при вибропогружении – за 1 мин. работы вибропогружателя при заданном напряжении тока в сети.
Метод вдавливания свай предусматривает их погружение в грунт с помощью специальных установок, воздействующих на сваю своей массой, либо массой и вибрацией (статическое и динамическое вдавливание). При погружении сваи статическим вдавливанием применяют агрегаты из двух тракторов, оборудованных направляющей рамой, опорной плитой, наголовником для передачи давления на сваю, соединенным с вдавливающим полиспастом (рис. 8.6, г). Метод динамического или вибрационного вдавливания свай с помощью вибровдавливающих агрегатов является более
Рис. 8.6 – Схемы вибропогружения, вдавливания и завинчивания свай
а - вибропогружатель с жестким крепленим двигателя, б - с подрессоренной пригрузкой, в - вибромолот, г - погружение свай методом вдавливания, д - завинчивание свай, е - вибровдавливаине свай; 1 - рабочий трактор, 2 - направляющая стрела, 3 - наголовники, 4 - свая, 5 - пригрузочный трактор, 6 - опорная плита, 7 - автомобильный тягач, 8 - пульт управления, 9 - рама, 10 - рабочий орган, 11 - упоры, 12 - винтовая свая, 13 - вибропогружатель
эффективным, так как свая погружается за счет собственной массы вибропогружателя и части массы трактора, передаваемой вдавливающим канатом через вибропогружатель (см рис. 8.6, е). Метод вдавливания особенно эффективен при погружении коротких свай (длиной до 6 м).
Погружение свай методом завинчивания применяют при устройстве небольших отдельно стоящих фундаментов. Винтовые сваи чаще всего завинчивают с помощью специальных агрегатов (рис. 8.6, д).
Погружение свай с помощью гидроподмыва (рис. 8.7) 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 подмывом производят добивку их на глубину 1,5 ... 2 м до проектной отметки, чтобы нижняя часть сваи опиралась на неразрыхленный грунт.
Рис. 8.7 – Подмыв грунта для погружения свай
а - погружение квадратных свай с подмывом грунта, б - расположение подмывных трубок, в - наконечник подмывной трубы; 1 - молот, 2 - трос, поддерживающий подмывные трубки, 3 - напорный шланг, 4 - подмывные трубки, 5 - свая
Погружение свай с помощью электроосмоса, применяемое в основном при их установке в глинистых грунтах, основано на том принципе, что при кратковременном действии постоянного тока вокруг забиваемой сваи, подключенной в сеть в качестве катода, влажность грунта возрастает и в результате уменьшаются лобовое и боковое сопротивления грунта погружению сваи.
Комбинированный метод погружения свай применяют в тех случаях, когда осуществить их погружение на всю длину каким-то одним методом невозможно. При этом в зависимости от условий строительной площадки применяют различные методы погружения свай, например подмыв с забивкой или подмыв с вибропогружением и др.