Сваи применяют для устройства фундаментов под различные здания и сооружения, повышения несущей способности слабых грунтов, шпунтовые сваи - для укрепления стенок котлованов от обрушения.
Сваи подразделяют по целому ряду признаков на несколько групп:
- по материалу - деревянные, металлические, бетонные и железобетонные, комбинированные, грунтовые;
- по конструкции - квадратные, трубчатые, прямоугольные и многоугольные, с уширением и без него, цельные и составные, призматические и конические, сплошного сечения и пустотелые, винтовые и сваи-колонны;
- по способу устройства - забивные, изготовляемые на заводе или на самой площадке и погружаемые в грунт, и набивные, устраиваемые непосредственно в грунте (в заранее пробуренной скважине);
- по характеру работы (по способу передачи нагрузки на основание) - сваи-стойки, которые передают нагрузку от здания своими концами на скальный или практически несжимаемый грунт, и висячие сваи, передающие нагрузку за счет трения грунта по боковой поверхности сваи;
- по виду воспринимаемой нагрузки — центральная, вертикально действующая нагрузка, нагрузка с эксцентриситетом, и усилия выдергивания;
- по виду армирования железобетонных свай - с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.
Свайный куст — несколько рядом расположенных свай, совместно воспринимающих общую нагрузку;
Ростверк — конструкция, объединяющая сверху сваи для их совместной работы
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 осью 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 пропитывают 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.
Сваи-оболочки - металлические трубчатые сваи диаметром 1,2...2 м и более, длиной до 14 м, при необходимости их наращивают и соединяют на сварке. Сваи с открытым нижним торцом по мере заглубления заполняют грунтом, который, уплотняясь, увеличивает несущую способность сваи. Сваи-оболочки с закрытым нижним торцом в виде съемного наконечника забивают в грунт. Металлический наконечник всегда остается в грунте, сама свая может быть оставлена и заполнена бетонной смесью для повышения несущей способности или извлечена. В процессе извлечения сваи-оболочки ее полость заполняется бетонной смесью.
Стальной шпунт применяют для устройства водонепроницаемых стенок котлованов, подпорных стенок, пирсов, набережных. Для шпунта выпускают специальные профили - плоские, корытообразные, зет-образные длиной до 30 м, в отдельных случаях используют обычный стальной прокат.
Железобетонные сваи выпускают сечением от 20 х 20 до 60 х 60 см и длиной от 3 до 16 м с обычной и предварительно напряженной арматурой. Предварительное напряжение позволяет сократить расход бетона на 15...20%, металла до 50...60% по сравнению с обычным армированием. Армирование необходимо для транспортирования и забивки свай, для нормальной работы на сжатие достаточно косвенного армирования. Предварительное напряжение при забивке препятствует возникновению деформаций, трещин, стягивает имеющиеся трещины.
Полые сваи квадратного и трубчатого сечения длиной 2...6 м применяют в плотных грунтах и малых нагрузках от строящегося сооружения, наружный диаметр может доходить до 80 см
Устройство свайных фундаментов является комплексным процессом, включающим на примере метода забивки:
- подготовку территории для ведения работ;
- геодезическую разбивку с выносом в натуру положения каждой сваи;
- доставку на стройплощадку, монтаж, наладку и опробование оборудования для погружения свай;
- транспортировку готовых свай от места их изготовления к месту их погружения;
- забивку свай;
- срезку готовых свай по заданной отметке;
- вывоз со строительной площадки срезанных остатков свай;
- устройство монолитного или сборного ростверка;
- демонтаж оборудования.
Анализ грунтов, их несущей способности показывает, что для большей части территории России плотные грунты залегают на сравнительно небольшой глубине, что позволяет использовать сваи длиной 3...7 м.
В зависимости от характеристик грунта существует ряд методов устройства свай, в том числе ударный, вибрационый, вдавливанием, завинчиванием, с использованием подмыва и электроосмоса, а также различными комбинациями этих методов.
Ударный метод основан на использовании энергии удара (воздействия ударной нагрузки), под действием которой свая своей нижней заостренной частью внедряется в грунт. Ударную нагрузку на оголовок сваи создают специальные механизмы:
- паровоздушные молоты, которые приводятся в действие силой сжатого воздуха или пара, непосредственно воздействующих на ударную часть молота;
- дизель-молоты, работа которых основана на передаче энергии сгорающих газов ударной части молота;
- вибропогружатели — передача колебательных движений рабочего органа на сваю (использование вибрации);
- вибромолоты - сочетание вибрации и ударного воздействия на сваю.
Вибропогружатели и вибромолоты чаще используют при погружении трубчатых свай-оболочек большого диаметра, при погружении в грунт и извлечении шпунтовых свай.
Дизель-молоты, по сравнению с паровоздушными, отличаются более высокой производительностью, простотой в эксплуатации, автономностью действия и более низкой стоимостью. Автономность обеспечивается путем подъема за счет рабочего хода двухтактного дизельного двигателя.
На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты. Ударная часть штанговых дизель-молотов -подвижный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направляющих штангах. При падении цилиндра на неподвижный поршень в камере сгорания воспламеняется смесь воздуха и топлива. Образовавшиеся в результате сгорания смеси газы подбрасывают цилиндр вверх, после чего происходит новый удар и цикл повторяется.
В трубчатых дизель-молотах неподвижный цилиндр, имеющий пяту, является направляющей всей конструкции. Ударная часть -подвижный поршень с головкой. Воспламенение смеси происходит при ударе головки поршня по поверхности сферической впадины цилиндра.
Главное преимущество дизель-молота трубчатого типа над штанговым в том, что при одинаковой массе ударной части они обладают значительно большей (в 2...3 раза) энергией удара.
Для подъема и установки сваи в заданное положение и для забивки свай с обеспечением передачи усилия от молота сваи строго в вертикальном положении применяют специальные устройства -копры. Основная рабочая часть копра - его стрела, вдоль которой устанавливают перед погружением молот, опускают и поднимают его по мере забивки сваи. Наклонные сваи погружают в грунт копрами с наклонной стрелой. Копры бывают на рельсовом ходу (универсальные металлические копры башенного типа) и самоходные - на базе кранов, тракторов, экскаваторов и автомашин со стрелой длиной 9...18 м.
Наиболее распространены в промышленном и гражданском строительстве сваи длиной 6... 10 м, которые забивают с помощью самоходных сваебойных установок. Такие установки маневренны и имеют механические устройства для подтаскивания и подъема на необходимую высоту сваи, закрепления головы сваи в наголовнике, в вертикальном выравнивании стрелы со сваей перед забивкой.
Забивка свай состоит из трех основных повторяющихся операций:
- передвижка и установка копра на место забивки сваи;
- подъем и установка сваи в позицию для забивки;
- забивка сваи.
От каждого удара свая погружается на определенную глубину, которая уменьшается по мере заглубления сваи. В дальнейшем наступает момент, когда глубина забивки сваи практически незаметна. Практически свая погружается в грунт на одну и ту же малую величину, называемую отказом.
Отказ — глубина погружения сваи за определенное количество ударов обычно молота одиночного действия или за единицу времени для молотов двойного действия. Величина отказа - среднее от 10 или серии ударов в единицу времени.
Залог — серия ударов, выполняемых для замера средней величины отказа: для паровоздушных молотов в залоге 20...30 ударов; для дизель-молотов одиночного действия в залоге 10 ударов; для дизель-молотов двойного действия отказ определяют за 1 мин. забивки.
Замеры проводят с точностью до 1 мм, забивку прекращают при получении заданного по проекту отказа (расчетного). Если средний отказ в трех последовательных залогах не превышает расчетного, то процесс забивки сваи считается законченным.
Если при погружении свая не дошла до проектной отметки, но уже получен заданный отказ, то этот отказ может оказаться ложным, вследствие возможного перенапряжения в грунте от забивки предыдущих свай. Через 3...4 дня свая может быть погружена до проектной отметки.
Погружение свай вибрированием осуществляют с использованием вибрационных механизмов, оказывающих на сваю динамические воздействия, которые позволяют преодолеть сопротивление трения на боковых поверхностях сваи, лобовое сопротивление грунта, возникающее под острием сваи, и погрузить сваю на проектную глубину. Благодаря вибрации для погружения свай в грунт требуется усилия иногда в десятки раз меньшие, чем при забивке. При этом происходит частичное уплотнение грунта, в том числе и под головкой сваи. Зона уплотнения для разных грунтов составляет 1,5...3 диаметра сваи.
Для погружения свай в грунт вибрированием используют вибропогружатели, которые подвешивают к мачте сваепогружающей установки и жестко соединяют с наголовником сваи. Амплитуда виброколебаний и масса вибросистемы, в которую входят свая, наголовники и вибропогружатель, должны обеспечить вибрацию примыкающим слоям грунта, включение их в эту систему, в результате происходит раздвижка зерен грунта под контуром погруженной части сваи.
Способ наиболее приемлем в песчаных грунтах, водонасыщенных мелких и пылеватых грунтах, где скорость погружения может достигать 3,5...7 м/мин. Этим методом погружают сплошные и полые железобетонные сваи, сваи-оболочки, металлический шпунт.
При глинистых и тяжелых суглинистых грунтах под острием сваи может возникнуть глинистая подушка, которая снижает несущую способность сваи до 40%. Поэтому на заключительной стадии погружения, на последние 15...30 см свая погружается в грунт ударным способом.
Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных водонасыщенных фунтах. Применение метода для погружения свай в маловлажные плотные грунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т. е. при предварительном пробуривании скважин.
Более универсальным является виброударный способ погружения свай с помощью вибромолотов. При работе вибромолота наряду с вибрационным воздействием на сваю периодически опускается ударник, оказывая и динамическое воздействие на голову сваи.
Метод вибровдавливания основан на комбинации вибрационного или виброударного воздействия на сваю и статического пригруза. Вибровдавливающая установка состоит из двух рам. На задней раме находятся электрогенератор, работающий от тракторного двигателя, и двухбарабанная лебедка, на передней раме размещены направляющая стрела с вибропогружателем и блоки, через которые проходит к вибропогружателю вдавливающий канат от лебедки. В рабочем положении вибропогружатель, расположенный над местом погружения сваи, поднимает сваю и устанавливает ее вместе с закрепленным наголовником на место ее забивки. При включении вибропогружателя и лебедки свая погружается за счет собственной массы, массы вибропогружателя и части массы трактора, передаваемой вдавливающим канатом через вибропогружатель на сваю. Одновременно на сваю действует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессоренной плитой.
Метод вибровдавливания не требует устройства путей для передвижки рабочего агрегата, исключает повреждение и разрушение свай. Особенно эффективен при погружении свай длиной до 6 м.
Погружение свай вдавливанием применяют для коротких свай сплошного и трубчатого сечения (3...5 м). Статическое вдавливание осуществляется в такой последовательности: сваю устанавливают в вертикальное положение в направляющей стреле агрегата. Далее на голову сваи опускают и закрепляют оголовник, передающий давление от базовой машины (трактора, экскаватора) через систему блоков и полиспастов непосредственно на сваю, которая благодаря этому давлению постепенно погружается в грунт. После достижения сваей проектной отметки погружение прекращают, снимают наголовник, агрегат переезжает на новую позицию.
Погружение свай завинчиванием основано на завинчивании стальных и железобетонных свай со стальным наконечником с помощью мобильных установок, смонтированных на базе автомобилей или других самоходных средств. Метод применяют чаще всего при устройстве фундаментов под мачты линий электропередачи, радиосвязи и других сооружений, где в достаточной мере могут быть использованы несущая способность винтовых свай и их сопротивление выдергиванию
Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай методами забивки или вибропогружения. Только вместо установки и снятия наголовника при этом методе одевают и снимают металлическую оболочку.
После завинчивания винтовой сваи (диаметр труб достигает 1 м), ее внутренняя полость заполняется бетоном. Скорость погружения винтовых свай зависит от диаметра лопасти и характеристик грунта и находится в пределах 0,2...0,6 м/мин.
Достоинства винтовых свай в их высокой несущей способности, возможности плавного погружения в грунт, восприятии отрицательных усилий.
Погружение свай подмывом грунта применяют в несвязных и малосвязных грунтах - песчаных и супесчаных. Целесообразно подмыв использовать для свай большого поперечного сечения и большой длины, но недопустимо для висячих свай. Способ заключается в том, что под действием воды, вытекающей под напором у острия сваи из одной или нескольких труб, закрепленных на свае, грунт разрыхляется и частично вымывается. При этом сопротивление грунта у острия сваи снижается, а поднимающаяся вдоль сваи вода размывает прилегающий грунт, уменьшая тем самым трение по боковым поверхностям сваи. В результате свая погружается в грунт под действием собственной массы и массы установленного на ней молота.
Расположение трубок для подмыва грунта диаметром 38...62 мм может быть боковым, когда две или четыре трубки с наконечниками находятся по бокам сваи, и центральным, когда одно- или многоструйный наконечник размещен в центре пустотелой забиваемой сваи. При боковом подмыве, по сравнению с центральным подмывом, создаются более благоприятные условия для уменьшения сил трения по боковой поверхности свай. При боковом расположении подмывные трубки крепят таким образом, чтобы наконечники находились у свай на 30...40 см выше острия.
Для подмыва грунта воду в трубки подают под давлением не менее 0,5 МПа. При подмыве нарушается сцепление между частицами грунта под подошвой и частично по боковой поверхности свай, что может в последующем привести к снижению несущей способности сваи. Учитывая, что свая должна будет в дальнейшем воспринимать нагрузку, погружение с подмывом осуществляют только до заданного уровня, а затем с помощью сваебойной установки ее забивают до проектной глубины (на 0,5...2,0 м). При этом способе погружения производительность возрастает на 30...40% по сравнению с чистой забивкой, экономится горючее. Применение метода подмыва не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также в целом на просадочных грунтах.
Погружение свай с использованием электроосмоса применяют в водонасыщенных плотных глинистых грунтах, в моренных суглинках и глинах. Для практической реализации метода уже погруженную в грунт сваю присоединяют к положительному полюсу (аноду) электрической сети постоянного тока, а соседнюю с ней, подготовленную для погружения в грунт - к отрицательному полюсу (катоду). При включении тока вокруг сваи с положительным полюсом резко снижается влажность грунта, а у соседней с отрицательным полюсом она наоборот резко увеличивается. В более влажной среде свая быстрее погружается в грунт, что позволяет применять сваебойное оборудование меньшей мощности.
После окончания забивки и отсоединения свай от источника тока в грунте быстро восстанавливается былая стабилизация фунта и его влажностного состояния. Благодаря этому, только за счет уменьшения влажности вокруг забитой сваи ее несущая способность значительно возрастает.
Последовательность погружения свай. Порядок погружения свай зависит от их расположения в свайном поле и параметров свае-погружающего оборудования. Последовательность забивки свай определяется техкартой или проектом производства работ, она зависит от размеров свайного поля и свойств грунтов. Применимы три схемы - рядовая, когда последовательно забиваются все сваи в одном ряду; спиральная, при забивке свай от центра к сваям внешних рядов и секционная, когда все поле делят на отдельные секции по ширине здания, в которых забивка осуществляется по рядовой схеме.
При устройстве свайных фундаментов зданий большой протяженности рационально применять мостовую сваебойную установку (рис. 6.12), представляющую собой передвижной мост, по которому перемещается тележка с копром. Сваи длиной 8...12 м забивают дизель-молотом. Достоинством мостовой сваебойной установки является возможность точной установки свай в месте забивки, предварительная раскладка свай в зоне работ значительно сокращает операции по подтаскиванию и закреплению сваи на копре, что значительно повышает производительность и качество работ.
При погружении свай основными факторами, определяющими выбор метода и сваепофужающего оборудования, являются физико-механические свойства грунта, объем свайных работ, вид свай, глубина их погружения, производительность применяемых сваебойных установок и свайных погружателей.
Объемы предстоящих работ измеряют числом свай, которые необходимо забить, или суммарной длиной погружаемой в грунт части свай. От этих объемов, специфики грунтовых условий и заданных сроков работ зависит выбор оборудования для погружения свай и количество сваепогружающих установок.
Конструкцию ростверка и технологию его устройства принимают в зависимости от типа свай. Ростверки объединяют группу свай в одну конструкцию и распределяют на них нагрузки от сооружения. Они чаще всего представляют собой непрерывную ленту по всему контуру здания в плане, включая внутренние стены. При использовании железобетонных свай ростверки могут быть выполнены из монолитного и сборного железобетона.
В зависимости от типа здания или сооружения ростверки разделяют на высокие и низкие.
При забивных сваях, головы которых после забивки могут оказаться на разных отметках, перед устройством ростверка необходимо выполнить трудоемкие операции по выравниванию голов свай. Для этого необходимо под определенный уровень срубить (срезать) бетон свай, обрезать или задуть их арматуру
Срезка свай. Деревянные сваи и шпунт срезают механическими или электрическими пилами, стальные сваи - автогеном или бензорезом, в железобетонных сваях бетон оголовков разрушают обычно с помощью пневматических отбойных молотков. Более эффективно для этих целей применять пуансоны - установки для срезания голов свай, состоящие из жесткой замкнутой станины, опускаемой и зажимаемой на свае, подвижной рамы, съемных зубьев и гидродомкрата с поршнем. В комплект установки входит несколько пар пуансонов для свай с различными размерами поперечного сечения. Максимальное рабочее усилие 200 т, рабочий ход от 10 до 50 см, производительность установки - обрезка голов 15...20 свай в час.
Сваи при погружении иногда отклоняются в плане, при многорядном или кустовом расположении свай эти отклонения не вызывают осложнений при устройстве ростверков. Если же имеется однорядное расположение свай и часть сечения отдельных свай выходит за границы будущего ростверка, то в этом случае необходимо устраивать монолитный ростверк и специальные выступы в ростверке для включения в него этих свай.
При подготовке голов набивных свай к устройству сборных ростверков проверяют верхнюю поверхность по нивелиру и при необходимости выравнивают опорную поверхность свай с помощью бетонной смеси или цементного раствора. Сами же балки железобетонного ростверка устанавливают на выравнивающую подсыпку из песка или шлака, начиная от угла здания, и выполняют монтажные работы строго по захваткам. Элементы сборного ростверка соединяют со сборными короткими сваями на сварке с омоноличиванием стыков.
Набивные сваи устраивают на месте их будущего положения путем заполнения скважины (полости) бетонной смесью или песком. В настоящее время применяют большое количество вариантов решения таких свай. Их основные преимущества:
- возможность изготовления любой длины;
- отсутствие значительных динамических воздействий при устройстве свай;
- применимость в стесненных условиях;
- применимость при усилении существующих фундаментов.
Набивные сваи изготовляют бетонными, железобетонными и грунтовыми, причем имеется возможность устройства свай с уширенной пятой. Способ устройства свай прост - в предварительно пробуренные скважины подается для заполнения бетонная смесь или грунты, в основном песчаные.
Применяют следующие разновидности набивных свай:
- сваи А.Э. Страуса,
- буронабивные,
- пневмонабивные,
- вибротрамбованные,
- частотрамбо-ванные,
- вибронабивные,
- песчаные и грунтобетонные.
Длина свай достигает 20...30 м при диаметре 50...150 см. Сваи, изготовляемые с применением установок фирм Като, Беното, Либхер могут иметь диаметр до 3,5 м, глубину до 60 м, несущую способность до 500 т.
Буронабивные сваи. Характерной особенностью устройства буронабивных свай является предварительное бурение скважин до заданной глубины.
Самими первыми в нашей стране, на основе которых применяются все существующие разновидности буронабивных свай, являются сваи А.Э. Страуса, которые были предложены в 1899 г. Изготовление свай включает следующие операции:
- пробуривание скважины;
- опускание в скважину обсадной трубы;
- извлечение из скважины осыпавшегося грунта;
- заполнение скважины бетоном отдельными порциями;
- трамбование бетона этими порциями;
- постепенное извлечение обсадной трубы.
В пробуренную до проектной отметки (5...12 м) скважину осторожно опускают трубу диаметром 25...40 см и далее загружают бетонной смесью. После заполнения скважины на глубину около 1 м бетонную смесь трамбуют и медленно поднимают вверх обсадную трубу до тех пор, пока высота смеси в трубе не уменьшится до 0,3...0,4 м. Снова загружается бетонная смесь и процесс повторяется. Учитывая, что диаметр скважины больше диаметра обсадной трубы и поверхность пробуренного грунта оказывается неровной, шероховатой, при наполнении бетонной смесью обсадной трубы, ее подъеме и уплотнении смеси, бетон заполнит весь свободный объем, включая и зазор между стенками скважины и обсадной трубой. Часть бетона и цементного молока проникнет в грунт, повысив его прочность.
Недостатки способа — невозможность контролировать плотность и монолитность бетона по всей высоте сваи, возможность размыва не-схватившейся бетонной смеси грунтовыми водами.
Армирование свай производят только в верхней части, где на глубину 1,5...2,0 м в свежеуложенный бетон устанавливают металлические стержни для их последующей связи с ростверком.
В зависимости от грунтовых условий буронабивные сваи устраивают одним из следующих способов:
- сухим способом (без крепления стенок скважин),
- с применением глинистого раствора (для предотвращения обрушения стенок скважины)
- с креплением скважины обсадной трубой
Сухой способ применим в устойчивых грунтах (просадочные и глинистые твердой полутвердой и тугопластичной консистенции), которые могут держать стенки скважины. Скважина необходимого диаметра разбуривается методом вращательного бурения в грунте на заданную глубину. После приемки скважины в установленном порядке при необходимости в ней монтируют арматурный каркас и бетонируют методом вертикально перемещающейся трубы.
Сухим способом по рассмотренной технологии изготовляют буронабивные сваи диаметром от 400 до 1200 мм, длина свай достигает 30 м.
Применение глинистого раствора. Устройство буронабивных свай в слабых водонасыщенных грунтах требует повышенных трудозатрат, что обусловлено необходимостью крепления стенок скважины для предохранения их от обрушения. В таких неустойчивых грунтах для предотвращения обрушения стенок скважин применяют насыщенный глинистый раствор бентонитовых глин плотностью 1,15...1,3 г/см3, который оказывает гидростатическое давление на стенки, хорошо временно скрепляет отдельные грунты, особенно обводненные и неустойчивые, при этом хорошо удерживает стенки скважин от обрушения. Этому же способствует образование на стенках скважины глинистой корки вследствие проникновения раствора в грунт
Скважины бурят вращательным способом. Глинистый раствор готовят на месте выполнения работ и по мере бурения подают в скважину по пустотелой буровой штанге под давлением. По мере бурения находящийся под гидростатическим давлением раствор от места забуривания, встречая сопротивление грунта, начинает подниматься вверх вдоль стенок скважины, вынося разрушенные бурами грунты, и выходя на поверхность, попадает в отстойник-зумпф, откуда снова насосом подается в скважину для дальнейшей циркуляции.
Глинистый раствор, находящийся в скважине под давлением, цементирует грунт стенок, тем самым препятствуя проникновению воды, что позволяет исключить применение обсадных труб. После завершения проходки скважины в нее при необходимости устанавливается арматурный каркас, бетонная смесь из вибробункера по бетонолитной трубе попадает на дно скважины, поднимаясь вверх, бетонная смесь вытесняет глинистый раствор. По мере заполнения скважины бетонной смесью производят подъем бетоновода.
Крепление скважин обсадными трубами. Устройство свай этим методом возможно в любых гидрогеологических условиях; обсадные трубы могут быть оставлены в скважине или извлечены из нее в процессе изготовления сваи. Обсадные трубы соединяют между собой при помощи замков специальной конструкции (если это инвентарные трубы) или на сварке. Пробуривают скважины вращательным или ударным способом. Погружение обсадных труб в грунт в процессе бурения скважины осуществляют гидродомкратами.
После зачистки забоя и установки арматурного каркаса скважину бетонируют методом вертикально перемещаемой трубы. По мере заполнения скважины бетонной смесью могут производить извлечение и инвентарной обсадной трубы. Специальная система домкратов, смонтированных на установке, сообщает трубе возвратно-поступательное движение, за счет чего бетонная смесь дополнительно уплотняется. По завершении бетонирования скважины осуществляют формирование головы сваи.
Буронабивные сваи с уширенной пятой. Диаметр таких свай 0,6...2,0 м, длина 14...50 м. Существуют три способа устройства уширений свай. Первый способ — распирание грунта усиленным трамбованием бетонной смеси в нижней части скважины, когда невозможно оценить качество работ, форму (какой стала пята уширения), насколько бетон перемешался с грунтом и какова его несущая способность.
При втором способе скважину пробуривают станком, имеющим на буровой колонке специальное устройство в виде раскрывающегося ножа, для образования уширения скважины диаметром до 3 м. Нож раскрывается гидравлическим механизмом, управляемым с поверхности земли. После завершения бурения скважины на проектную глубину буровую колонку с уширителем извлекают, в скважину устанавливают арматурный каркас. 'Бетонирование ведут методом вертикально перемещающейся трубы, когда одновременно в трубу подают бетонную смесь и поднимают ее.
Взрывной способ устройства уширений. В пробуренную скважину устанавливают обсадную трубу. На дно скважины опускают заряд взрывчатого вещества расчетной массы и выводят провода от детонатора к взрывной машинке, находящейся на поверхности. Скважину заполняют бетонной смесью на 1,5...2,0 м, поднимают на 0,5 м обсадную трубу и производят взрыв. Энергия взрыва уплотняет грунт и создает сферическую полость, которая заполняется бетонной смесью из обсадной трубы. После этого порциями и с необходимым уплотнением заполняют обсадную трубу бетонной смесью доверху.
Трубобетонные сваи. Принципиальное отличие метода в том, что обсадная труба длиной до 40...50 м имеет в нижней части жестко закрепленный башмак. После достижения дна скважины труба остается там, не извлекается, а заполняется бетонной смесью.
Подводное бетонирование применяют для предохранения бетонной смеси от размыва при высоком уровне малоподвижных грунтовых вод. Бетонную смесь подают в обсадную трубу не по лотку, а под давлением по трубопроводу, погруженному до самого низа скважины. Благодаря давлению смесь выдавливается из трубы, заполняет снизу пространство скважины и начинает подниматься вверх, оттесняя наверх и находящуюся в скважине воду. В процессе заполнения бетонной смесью скважины необходимо следить, чтобы бетонолитная труба поднималась с одной скоростью с обсадной трубой, низ трубы постоянно был ниже верха уложенной бетонной смеси на 30...40 см. После полного заполнения скважины верхний слой бетонной смеси толщиной 10...20 см, находившийся в контакте с водой, срезают.
Пневмотрамбованные сваи. Сваи применяют при устройстве фундаментов в насыщенных водой грунтах с большим коэффициентом фильтрации. В этом случае бетонную смесь укладывают в полость обсадной трубы при постоянном повышенном давлении воздуха (0,25...0,3 МПа), который подается от компрессора через ресивер, служащий для сглаживания колебаний давления. Бетонную смесь подают небольшими порциями через специальное устройство - шлюзовую камеру, действующую по принципу пневмонагнетательных установок, применяемых для транспортирования бетонной смеси. Шлюзовая камера закрывается специальными клапанами. Подача бетонной смеси в камеру осуществляется при закрытом нижнем клапане и открытом верхнем; при заполнении камеры смесью верхний клапан закрывается, нижний, наоборот, открывается, смесь выжимается в скважину.
Набивные сваи любого типа следует бетонировать без перерывов. При расположении свай одна от другой менее чем на 1,5 м их выполняют через одну, чтобы не повредить только что забетонированные. Пропущенные скважины бетонируют при второй проходке бетонолитной установки, после набора ранее забетонированными сваями достаточной прочности и несущей способности. Такая последовательность работ предусматривает предохранение как готовых скважин, так и све-жезабетонированных свай от повреждения.
Буронабивные сваи обладают рядом недостатков, которые сдерживают их более широкое применение. К таким недостаткам можно отнести небольшую удельную несущую способность, высокую трудоемкость буровых работ, необходимость крепления скважин в неустойчивых грунтах, сложность бетонирования свай в водонасыщенных грунтах и трудность контроля качества выполненных работ.
Грунтобетонные сваи. Нашли применение грунтобетонные сваи, которые устраивают с помощью бурильных установок с пустотелой буровой штангой, имеющей на конце смесительный бур со специальными режущими и одновременно перемешивающими смесь лопастями. После пробуривания скважины в слабых песчаных грунтах до нужной отметки в пустотелую штангу под давлением из растворосмесительной установки подают водоцементную суспензию (раствор). Буровая штанга медленно при обратном вращении начинает подниматься вверх, грунт насыщается цементным раствором и дополнительно уплотняется буром. В результате получается цементно-песчаная свая, изготовленная на месте без выемки грунта.
Бурозавинчивающиеся сваи. Нередко котлованы под заглубленные сооружения приходится устраивать вблизи существующих зданий. Забивка свай и шпунта может привести к их деформациям из-за возникающих динамических воздействий. При устройстве буронабивных свай, где погружение обсадной трубы происходит с опережающей выборкой грунта из полости трубы, возможна утечка грунтового массива из-под рядом стоящих фундаментов, что также может привести к деформациям существующих строений.
Сущность метода в том, что металлическая труба не забивается в фунт, а завинчивается. На трубу в заводских условиях навивается узкий шнек из арматуры диаметром 10... 16 мм с шагом 200...500 мм. В зависимости от грунтовых условий труба может быть оснащена заглушкой с рыхлителями, глухими или теряемыми, позволяющими при необходимости не допустить воду в тело трубы. При завинчивании трубы окружающий грунт частично уплотняется, около 15...25% его выдавливается наружу.
Если труба в нижней части глухая, то после завинчивания до проектной отметки в нее вставляется арматурный каркас и она заполняется бетонной смесью. Для труб с теряемым наконечником в нее вставляется арматурный каркас, труба заполняется бетоном, в процессе схватывания бетона труба вывинчивается, в грунте остается башмак, на который опирается железобетонная буронабивная свая. При особо плотных грунтах возможно предварительное пробуривание скважины на несколько меньшую глубину (до 1 м) и диаметр скважины должен быть меньше диаметра трубы. Диаметр завинчиваемых труб 300...500 мм, длина от 4 до 20 м. Важно, что технология позволяет выполнять работы вблизи существующих зданий при высоте в 5 этажей на расстоянии около 40 см, при большей высоте — около 70 см.
Приемка свайных работ сопровождается освидетельствованием свайного основания, проверкой соответствия выполненных работ проекту, инструментальной проверкой правильности положения свай или шпунта, контрольными испытаниями свай. Отклонение положения свай от проектного не должно превышать в ростверке ленточного типа одного диаметра сваи, в свайных полях двойных размеров сваи.
При осуществлении контроля качества в процессе и при окончании устройства свайных фундаментов руководствуются следующими критериями:
- от качества выполнения свайных работ зависит несущая способность свайных фундаментов, что имеет важнейшее значение для всего здания или сооружения;
- устройство свай относится к скрытым работам, требующим пооперационного контроля качества в процессе их устройства.
В общем случае контролируют:
- соответствие поступающих на строительную площадку изделий и материалов проекту;
- соблюдение утвержденной технологии погружения забивных или устройства набивных свай;
- несущую способность свай;
- соответствие положения свай в плане геодезической разбивке.
Основным контролируемым параметром является обеспечение несущей способности свай. Несущую способность погруженных свай определяют статическим и динамическим методами, а набивных - только статическим.
Определение несущей способности сваи. Для свай-стоек, опирающихся на прочный грунт, главным фактором является прочность материала сваи, так как их забивают в плотные грунты до проектной отметки. Для висячих свай их несущую способность определяют способами пробных нагрузок и динамическим.
Статическим методом несущую способность определяют после окончания работ по забивке всех свай. Для этого на сваю сверху воздействуют гидравлическими домкратами до момента смещения ее относительно окружающего грунта. При этом способе пробных нагрузок на сваю передают нагрузку, возрастающую ступенями. За предельно допустимую нагрузку принимают ступень, предшествующую нагрузке, в результате которой свая погрузилась в грунт на величину, более чем в 5 раз превышающую предыдущее погружение. Этот способ надежен, но весьма трудоемок и для оценки прочностных характеристик свайного поля требуется большой промежуток времени (4... 12 сут).
Динамический метод основан на равенстве работы, совершаемой молотом при падении, и сваей на пути ее погружения. За основу принимают контрольный отказ, назначаемый проектной организацией. Отказы замеряют отказомерами, которые можно ставить на грунт или подвешивать на сваю с помощью хомута. Отказомер представляет собой мерную линейку, вдоль которой перемещаются указатели отказов. При погружении сваи в грунт один из указателей движется вниз и показывает на мерной линейке суммарное значение остаточного отказа. При наличии обратного движения сваи вверх за счет упругой реакции грунта второй указатель также перемещается вверх и показывает на мерной линейке суммарное значение упругого отказа. При отсутствии отказомеров величину отказа сваи при забивке за расчетный отрезок времени можно определить нивелиром, гидравлическим уровнем, натянутой над уровнем земли проволокой.
Учитывая, что в процессе забивки сваи грунт находится в напряженном состоянии, следует иметь в виду, что несущая способность сваи оказывается завышенной. Проверку несущей способности свай производят после отдыха свай и стабилизации грунта, а именно: в супесях - через 5...8 сут, в суглинках - через 15...25 сут и в глинистых грунтах - через 30...35 сут.
При контроле положения сваи в плане следят, чтобы не были превышены допустимые отклонения: - 0,26 для забивных свай при их однорядном расположении и 0,36 при расположении свай в два и три ряда в лентах или кустах свай (6 - диаметр круглой или максимальный размер прямоугольной сваи). Приемка готовых свайных фундаментов оформляется актом с приложением следующих документов:
- паспорта на сваи и сборный ростверк заводов-изготовителей;
- паспорта на бетон набивных свай и монолитных ростверков;
- приемка арматурных каркасов набивных свай и монолитных ростверков;
- акты сдачи свайного поля и готового ростверка;
- результаты динамических или статических испытаний свай