Материал для составления типовой технологической карты «Погружение железобетонных свай бурозабивным способом»
Общие сведения
По способу заглубления в грунт различают следующие виды свай:
- забивные железобетонные, деревянные и стальные, погружаемые в грунт без его выемки с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих и вдавливающих устройств, а также железобетонные сваи-оболочки, заглубляемые вибропогружателями без выемки или с частичной выемкой грунта и не заполняемые бетонной смесью;
- сваи-оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью;
- набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного отжатия (вытеснения) грунта;
- буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов.
По условиям взаимодействия с грунтом сваи следует подразделять на сваи-стойки и висячие. К сваям-стойкам надлежит относить сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а забивные сваи, кроме того, на малосжимаемые грунты.
К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотным, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации 50000 кПа (500 кгс). Силы сопротивления грунтов, за исключением отрицательных (негативных) сил трения на боковой поверхности свай-стоек, в расчетах их несущей способности по грунту основания на сжимающую нагрузку не должны учитываться. К висячим сваям следует относить сваи всех видов, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом. Отрицательными (негативными) силами трения называются силы, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз.
Забивные железобетонные сваи размером поперечного сечения до 0,8 м и сваи-оболочки диаметром 1 м и более следует подразделять:
- по способу армирования на сваи и сваи-оболочки с ненапрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и на предварительно напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой (из высокопрочной проволоки и арматурных канатов) с поперечным армированием и без него;
- по форме поперечного сечения на сваи квадратные, прямоугольные, квадратные с круглой полостью, полые круглые или трубчатые диаметром до 800 мм, сваи-оболочки диаметром свыше 800 мм (рис. 1);
- по форме продольного сечения на призматические, цилиндрические и с наклонными боковыми гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные);
- по конструктивным особенностям на сваи цельные и составные (из отдельных секций);
- по конструкции нижнего конца на сваи с заостренным или плоским нижним концом, с плоским или объемным уширением (булавовидные) и на полые сваи с закрытым или открытым нижним концом или с камуфлетной пятой.
Сваи применяются для устройства фундаментов промышленных и гражданских зданий, при строительстве опор мостов, набережных, эстакад и др. Короткие сваи (длиной 3-6 м) используются в качестве столбовых фундаментов сборных зданий.
Расположение свай в плане зависит от конфигурации возводимого здания (сооружения), его массы и места приложения нагрузок.
По характеру работы сваи подразделяют на забивные сваи-стойки, висячие, шпунтовые и набивные в грунте.
Наиболее часто применяются сплошные сваи квадратного сечения от 20х20 до 40х40 см длиной от 3 до 24 м.
Для армирования свай применяется арматура диаметром не менее 12 мм и бетон класса не ниже В15.
При необходимости устройства свайных фундаментов глубокого заложения выполняют стыковку отдельных свай с помощью сварки закладных деталей, соединений клиновидными штырями, болтами и стаканного типа.
Железобетонные сваи наиболее широко распространены в строительстве благодаря их большой грузоподъемности, надежности и долговечности. Их можно применять и в случаях залегания подошвы фундамента выше уровня грунтовых вод, когда деревянные сваи неприемлемы.
Железобетонные сваи делают квадратного или прямоугольного сечения (рис. 2, а). Сваи квадратного сечения применяют в тех случаях, когда они работают в основном на сжатие. Если же на сваи кроме сжатия передается значительный изгибающий момент, сечение их целесообразно развивать в направлении действия момента, делая его прямоугольным. Применяют также железобетонные сваи трубчатого сечения (рис. 2, б), изготовленные способом центрифугирования.
Размеры поперечного сечения железобетонных свай, применяемых в мостах, составляют от 25х25 до 45х45 см квадратных и от 25х30 до 45x50 см прямоугольных, диаметр трубчатых свай до 60 см. Железобетонные сваи обычно имеют длину от 6 до 16 м, при необходимости длина их может быть доведена до 20-30 м. Бетон свай должен быть не ниже М-300, а предварительно напряженных не менее М-400 с морозостойкостью не менее Мрз200.
Наиболее рациональной конструкцией является забивная свая-колонна длиной до 8 м, способная воспринимать нагрузку в пределах 15-25 т, которая совмещает функции фундамента (часть сваи, погруженной в грунт) и колонны (надземная часть сваи). Применение свай-колонн исключает операцию монтажа колонн, что сокращает трудоемкость работ по возведению подземной части здания и монтажа 'колонн почти в 10 раз, а стоимость общестроительных работ до 30%, по сравнению с устройством сборных фундаментов стаканного типа с установкой в них железобетонных колонн с замоноличиванием.
Сваи квадратного и прямоугольного сечения армируют продольными стрежнями диаметром не менее 12 мм и хомутами (рис. 2, в). Продольные стержни из гладкой или периодического профиля стали служат основной арматурой, воспринимающей усилия при транспортировании сваи, ее забивке и последующей работе в основании сооружения. Арматура свай может быть ненапрягаемой или же напрягаемой.
Нижний конец сваи имеет заострение, в котором сводят продольные стержни арматуры, сваривают их с коротким стальным осевым стрежнем и заводят в кольцевую обойму из листовой стали или отрезка трубы. Головную часть сваи, воспринимающую ударные или вибрационные воздействия сваебойного снаряда, усиливают несколькими рядами арматурных сеток.
Хомуты делают в виде отдельных стержней или из непрерывной, обвивающей продольные стержни спиральной арматуры из стали диаметром 6-8 мм с шагом порядка 5 см на концах сваи и 10-20 см в пределах средней ее части. Хомуты отстоят от поверхности бетона не менее чем на 3 см (защитный слой). Вдоль каждой грани сваи устанавливают не менее трех продольных стержней, охватывая их хомутами или спиральной арматурой. Если расстояние в свету между продольными стержнями более двух их диаметров, то каждый из них должен удерживаться хомутом или стяжкой. Для поднятия при транспортировании и установке в свае должны быть две арматурные строповочные петли (рис. 2 в). Трубчатые сваи армируют продольными стрежнями и хомутами в виде спиральной арматуры.В предварительно напряженных сваях применяют арматуру из высокопрочной стали в виде проволок, проволочных прядей или стержней периодического профиля.
Предварительное напряжение улучшает трещиностойкость свай и благодаря применению высокопрочной стали дает снижение расхода металла.
Расстояние между осями соседних свай в уровне подошвы ростверка должно быть не менее 1,5 толщины (диаметров) сваи, а расстояние в свету от сваи до края ростверка - не менее 0,25 м. Головы свай нужно заделывать в бетон плиты ростверка не менее чем на двойную толщину сваи (рис. 3, а). При этом не учитывается заделка в слое бетона, уложенного подводным способом. Допускается также заделка голов свай в плите ростверка с помощью выпусков арматуры свай. В этом случае головы свай должны входить в бетон плиты ростверка не менее чем на 15 см. Остальную часть бетона свай разбивают, а арматуру отгибают так, чтобы заделка ее в бетон была не менее 20 диаметров стержня при арматуре периодического профиля и 40 диаметров стержня при гладкой арматуре.
Бетон плиты ростверка армируют у подошвы между рядами свай в обоих направлениях. При больших давлениях, передаваемых сваями, над их головами полезно ставить распределительные арматурные сетки. Диаметр стержней в арматурных сетках должен быть не менее 12 мм, а размер ячеек порядка 10х10 см. Ширина сеток, расположенных над головами свай, должна превышать толщину сваи в каждом направлении не менее чем на 0,5 м.
Технические условия на производство свайных работ
Поставляемые на строительную площадку сваи должны по своим качествам полностью соответствовать требованиям проекта.
Приемка железобетонных свай, свай-оболочек, обсадных труб и элементов сборных ростверков от предприятия-изготовителя должна производиться по паспорту, в котором указываются: наименование завода-изготовителя и его адрес; номер и дата выдачи паспорта, дата изготовления изделия; номер ГОСТа (СТБ) или наименование проекта, в соответствии с которым изготовлено изделие; прочность (марки) бетона изделия (маркировочные знаки должны наноситься на изделие на видном месте несмываемой краской).
Технология погружения свай
В зависимости от характеристик грунта существует ряд методов устройства свай, в том числе ударный, вибрационный, вдавливанием, завинчиванием, с использованием подмыва и электроосмоса, а также различные комбинации этих методов.
Ударный метод основан на использовании энергии удара (воздействия ударной нагрузки), под действием которой свая своей нижней заостренной частью внедряется в грунт. По мере погружения она смещает частицы грунта в стороны, частично вниз или наверх. В результате погружения свая вытесняет объем грунта, практически равный объему ее погруженной части. Меньшая часть этого грунта оказывается на дневной поверхности, большая - смешивается с окружающим грунтом и значительно уплотняет грунтовое основание. Зона заметного уплотнения грунта вокруг сваи составляет 2-3 диаметра сваи.
Забивка - основной способ погружения готовых свай. Для забивки применяют специальные установки - копры, оборудованные механическими, паровоздушными или дизельными молотами.Забиваются деревянные, железобетонные, стальные сваи и шпунтовые ограждения (рис. 3)
Нижний конец деревянных свай заостряют и устанавливают металлические башмаки, защищающие острие сваи от повреждения при погружении, на головную часть сваи надевают бугель - металлическое кольцо, предохраняющее сваю от «размочаливания» при ударах. Обычно оно состоит из стальной обоймы, охватывающей головку сваи, и закрепленной на ней подушки из твердого дерева толщиной 80 мм. Размер металлического кольца должен соответствовать поперечному сечению сваи с допуском не более +20 мм.
Для предохранения от гниения деревянные сваи пропитывают антисептиком и располагают ниже уровня грунтовых вод.
Для повышения трещиностойкости железобетонные сваи рекомендуется подвергать предварительному напряжению, а перед погружением - пропитывать составами на основе нефтебитума. Металлические сваи и шпунтовые ограждения, погружаемые забивкой, покрывают антикоррозийной обмазкой.
Забивные сваи также могут погружаться в грунт способами подмыва, завинчивания и вдавливанием.
Погружение свай в грунт является сложным процессом и осуществляется двумя основными способами:
- с помощью сваебойных машин ударного действия;
- с помощью вибропогружателей.
Кроме этих способов для погружения свай применяют машины вдавливающего и завинчивающего действия, а также агрегаты смешанного действия — виброударные молоты и вибровдавливающие машины.
К сваебойным машинам ударного действия относятся свайные молоты, которые разделяются по роду привода на молоты с дизелем внутреннего сгорания (дизель-молоты), паровоздушные молоты одиночного и двойного действия и молоты механические.
Дизель-молоты работают по принципу дизель-моторов; паровоздушные молоты приводятся в действие силой пара или сжатого воздуха, непосредственно воздействующего на ударную часть молота, а механические молоты приводятся в действие лебедкой, соединенной канатами через систему блоков с ударной частью молота. 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.
Для подтаскивания и установки свай на место заглубления, для установки молота на сваю, направления молота к свае при забивке, а также для перемещения сваебойного агрегата на строительной площадке служат копры. В зависимости от назначения они подразделяются на копры для забивки вертикальных свай, поворотные для забивки свай при различных способах погружения и краны-копры, смонтированные на кране с гусеничным передвижением или на одноковшовом экскаваторе.
Паровоздушные молоты по характеру использования энергии делятся на молоты простого и молоты двойного действия. Первые состоят из 34массивного корпуса, внутри которого находится паровой цилиндр. У такого молота рабочий ход происходит под действием силы тяжести ударной части, а энергия пара или сжатого воздуха используется при холостом ходе для подъема ударной части. Масса ударной части 1250-6000 кг и число ударов до 40 в минуту.
Паровоздушные молоты двойного действия отличаются от молотов простого действия тем, что энергия пара или сжатого воздуха используется для дополнительного увеличения скорости падения ударной части, что увеличивает силу удара по свае. Масса ударной части составляет от 1250 до 8000 кг, с энергией удара по свае 140-1800 кг и числом ударов 100-270 в минуту, а в более легких моделях - до 500 ударов.Механический молот состоит из литой ударной части массой 100-3000 кг, подвешенной к свободному концу каната приводной фрикционной лебедки, переброшенного через блок, укрепленного на верхней части стрелы копра и захватного устройства. Ударная часть, поднятая на высоту 3-4 м с помощью лебедки, освобождается от захватного устройства и, падая под действием своей массы, ударяет по свае.
Вибропогружатели применяют для погружения свай в слабых водонасыщенных несвязных или малосвязных грунтах. Действие их основано на вибрации, которая передается грунту вокруг сваи. От направленных колебаний сопротивление грунта снижается, и свая под действием собственной массы вибропогружателя углубляется в грунт. Вибропогружатели бывают с жестким креплением узлов и с подрессорной пригрузочной плитой. Первые состоят из электродвигателя, приводящего во вращение вибратор, который с помощью захватов жестко укрепляется на свае и передает ей колебательные движения.
Более совершенными являются вибропогружатели с подрессорной пригрузочной плитой. Его электродвигатель, установленный на пригрузочной плите, связан с вибратором не жестко, а через систему амортизирующих пружин. Промышленность выпускает низкочастотные и высокочастотные вибропогружатели. Низкочастотные создают 300-700 колебаний в минуту, имеют общую массу 4,5-9 т и могут развивать усилие 160-480 кН.
Используются низкочастотные вибропогружатели для погружения тяжелых железобетонных свай-оболочек и шпунтовых рядов. Высокочастотные вибропогружатели с частотой 1300-1500 кол/мин применяют для погружения более легких свай.
Свайные вибромолоты являются наиболее эффективными. Их принцип действия основан на совместном воздействии энергии удара и вибрации. В отличие от вибропогружателей вибромолоты способны погружать сваи в более плотные грунты и на большую глубину при меньшей затрате времени. Забивку свай вибромолотом можно производить с применением крана или копра. Вибропогружатели и вибромолоты чаще используют при погружении трубчатых свай-оболочек большого диаметра, при погружении в грунт и извлечении шпунтовых свай.
На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты (рис. 4). 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 он обладает значительно большей (в 2-3 раза) энергией удара. Рекомендуется следующее отношение массы ударной части молота к массе сваи: для штанговых молотов 1,25; для трубчатых - 0,5-0,7. Для молотов одиночного действия количество ударов в 1 минуту составляет 45-100, масса ударной части до 2500 кг. Аналогично для молотов двойного действия количество ударов в 1 минуту до 300, масса ударной части до 1200 кг.
В комплект молота входит наголовник, необходимый для закрепления сваи в направляющих сваебойной установки, предохранения головы сваи от разрушения ударами молота и равномерного распределения удара по площади сваи. В этой связи внутренняя полость наголовника должна соответствовать очертанию и размерам головы сваи и жестко на ней быть закрепленной.
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.
Универсальные копры имеют значительную собственную массу до 20 т. Монтаж и демонтаж таких копров, устройство для них подкрановых путей - достаточно трудоемкие процессы, поэтому универсальные копры применяют для забивки свай длиной более 12 м при большом объеме свайных работ на объекте.
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.
Центр тяжести свайного молота должен совпадать с направлением забивки сваи. Свайный молот поднимают на высоту, достаточную для установки сваи, с некоторым запасом на ход молота и в таком положении закрепляют. При забивке стальных и железобетонных свай молотами одиночного действия обязательно применение наголовников для смягчения удара и предохранения головы сваи от разрушения.В процесс забивки свай входят установка сваи в проектное положение, надевание наголовника, опускание молота и первые удары по свае с высоты 0,2-0,4 м, после погружения сваи на глубину 1 м - переход к режиму нормальной забивки. От каждого удара свая погружается на определенную глубину, которая уменьшается по мере заглубления сваи. В дальнейшем наступает момент, когда глубина забивки сваи почти 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. При забивке молотом одиночного действия в конце, когда отказ по своей величине близок к расчетно-контрольному, забивка производится залогами по 10 ударов в каждом, причем величина погружения (с точностью до 1 мм) измеряется после каждого залога.
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.
Недостатком забивных свай является динамическое воздействие на людей и здания, поэтому были разработаны безударные способы погружения готовых свай (рис. 5).
Вибрационным методом обычно погружают полые сваи и стальной шпунт, так как такие конструкции свай при погружении встречают меньшее сопротивление грунта. При определенной частоте колебаний сцепление частиц вибрируемого грунта ослабевает, в связи с этим уменьшается и сила трения боковых поверхностей сваи о грунт. При этом свая преодолевает сопротивление грунта и под давлением собственной массы и работающего вибропогружателя опускается в глубину грунта.
Сваи преодолевают лобовое сопротивление грунта в зависимости от его физико-механических свойств. В сухих грунтах (песчаные, плотные, глинистые), а также при наличии твердых прослоек лобовые сопротивления преодолеваются ударами острия сваи, в результате чего свая внедряется, а грунт выпирает в стороны. В водонасыщенных грунтах под влиянием возникающих у острия сваи знакопеременных давлений грунт разжижается, и она погружается под влиянием собственной массы, если давление жидкообразного грунта меньше массы свай с погружателем.
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 (рис. 6). На скорость погружения и амплитуду колебаний влияют масса вибрирующих частей сваи и вибратора, его эксцентриситет, плотность грунта, участвующего в колебаниях, частота колебаний вибропогружателя. Благодаря вибрации для погружения свай в грунт требуются усилия иногда в десятки раз меньшие, чем при забивке. При этом происходит частичное виброуплотнение 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. Действие вибропогружателя основано на принципе, при котором вызываемые дисбалансами вибратора горизонтальные центробежные силы взаимно ликвидируются, а вертикальные суммируются. 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.
При выборе низкочастотных погружателей (до 420 кол/мин), применяемых при погружении тяжелых железобетонных свай и трубчатых свай диаметром 1000 мм и более, необходимо, чтобы момент эксцентриков превышал массу вибросистемы не менее чем в 7 раз для легких грунтов и в 11 раз для средних и тяжелых.
Для погружения легких свай массой до 3 т и металлического шпунта в грунты, не оказывающие большого лобового сопротивления под острием сваи, применяют высокочастотные (от 1500 кол/мин) вибропогружатели с подрессорной пригрузкой, состоящие из самого вибратора и присоединенного к нему с помощью системы пружин дополнительного пригруза с расположенным на нем электродвигателем.
Зона смещения частиц грунта при вибропогружении в слабовлажных грунтах составляет 2,5-5 радиусов сваи, а в водонасыщенных – 4-5 радиусов.
Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных водонасыщенных грунтах. Применение метода для погружения свай в маловлажные плотные грунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т.е. при предварительном пробуривании скважин.
В строительстве широко применяют виброударный метод погружения свай (с помощью вибромолотов). Вибромолот совершает удары по наголовнику сваи, когда зазор между ударником вибровозбудителя и сваей меньше амплитуды колебаний возбудителя.
Наиболее распространены пружинные вибромолоты. В них при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях создаются постоянные колебания. Когда зазор между ударником и наковальней сваи оказывается меньше амплитуды колебаний, ударник периодически ударяет через наковальню по свае. Вибромолоты могут самонастраиваться, т.е. увеличивать энергию удара с повышением сопротивления грунта погружению сваи. Масса ударной части вибромолота применительно к погружению железобетонных свай должна быть не менее 50% от массы сваи и составлять 650-1350 кг.
Виброударный способ применим в связанных плотных грунтах. Он позволяет в 3-8 раз быстрее при одинаковой мощности с вибрационным способом осуществлять погружение свай в грунт за счет одновременной вибрации и забивки. При этом должно быть обеспечено жесткое соединение вибропогружателя со сваей.
При вибровдавливании свая погружается от комбинированных воздействий вибрации и статической нагрузки. Метод более эффективен, чем простое вдавливание. Он используется для погружения свай во влажные глинистые и суглинистые грунты. В этом случае на установленную сваю передается усилие вдавливания лебедками с системой трособлоков или гидродомкратов, под действием которых свая погружается в грунт.
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. 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.
Метод вдавливания коротких свай более безопасен для окружающих сооружений, чем вибрационный и виброударный способы. Если в целях предохранения от вибрации конструкций и оборудования, находящихся вблизи погружаемой сваи, нельзя допускать никаких сотрясений и ударов, то погружение сваи в грунт производится вдавливанием.
При погружении свай статической нагрузкой по ее поверхности развиваются большие силы трения. Наиболее благоприятные условия вдавливания свай обеспечиваются при слабых грунтах и погружении сваи на небольшую глубину. В плотных грунтах перед вдавливанием необходимо бурить лидирующие скважины небольшого диаметра.
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, затем 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. Применимо статическое вдавливание с использованием одновременно задействованных двух механизмов (рис. 7).
Метод завинчивания применяется для погружения в любой грунт винтовых свай. Производится специальными механизмами без устройства направляющего отверстия. Лопасти винтовой сваи после полного погружения ее в грунт остаются в грунте и служат опорой для сваи. Благодаря большой площади опирания, а также тому, что в процессе завинчивания грунт под лопастью уплотняется за счет погружения сваи, несущая способность винтовых свай в 5-10 раз выше забивных. Большим преимуществом винтовых свай является и то, что процесс погружения происходит без толчков и ударов, а также достигается возможность быстрого извлечения их из грунта.
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. Чаще всего этот метод применяют 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 (рис. 8).
Установка для завинчивания состоит из рабочего органа, приводов вращения и наклона рабочего органа, гидросистемы, пульта управления, четырех гидравлических выносных опор и вспомогательного оборудования. Рабочий орган кабестан - механизм, состоящий из двух пар захватов и электродвигателя. Захваты обжимают сваю и передают ей вращение от электродвигателя. В зависимости от назначения (передачи нагрузки на большую площадь или заглубления в плотные грунты) винтовые лопасти наконечников могут иметь в диаметре до 3 м, минимальный диаметр лопастей 30 см; длина свай может превышать 20 м.
Конструкция рабочего органа позволяет втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую оболочку), обеспечивать заданный угол погружения сваи в пределах 0-45 от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одновременным использованием осевого усилия. Это усилие при необходимости можно использовать при вывертывании сваи из грунта. Вращение рабочего органа осуществляют от коробки отбора мощности через соответствующие редукторы.Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай методами забивки или вибропогружения, только вместо установки и снятия наголовника здесь 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 с подмывом применяется в песчаных, супесчаных, гравийных и других грунтах, обладающих способностью размываться водой. Целесообразно подмыв использовать для свай большого поперечного сечения и большой длины, но недопустимо для висячих свай. С подмывом под давлением воды не менее 0,5 МПа могут погружаться сваи-стойки, если нет опасности осадки близлежащих сооружений. 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 (рис. 9). 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 так, чтобы наконечники находились у свай на 30-40 см выше острия. 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 производительность возрастает на 30-40% по сравнению с чистой забивкой, экономится горючее. После прекращения подачи воды и стабилизации уровня грунтовых вод, грунт уплотняется и плотно обжимает сваю.
Подмыв не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также в целом на просадочных грунтах.
В водонасыщенных плотных глинистых грунтах, в моренных суглинках и глинах вместо подмыва с успехом применяют постоянный электрический ток (явление электроосмоса). Для этого одну из ранее забитых свай превращают в положительный электрод, а забиваемую - в отрицательный. Стальные сваи сами служат электродами.
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 быстро восстанавливается былая стабилизация грунта и его влажностного состояния. Благодаря этому только за счет уменьшения влажности вокруг забитой сваи ее несущая способность значительно возрастает.
Если железобетонные сваи при методе осмоса дополнительно оснастить металлическими полосами, которые будут занимать 20-25% боковой поверхности свай, и уже забитую сваю подсоединить к аноду, а погружаемую с металлическими полосами к катоду, то это позволит на 20-30% сократить трудозатраты и продолжительность погружения по сравнению с чистым методом электроосмоса. По сравнению с забивкой использование дополнительно особенностей электроосмоса позволяет на 25-40% ускорить процесс погружения свай в грунт. В результате получается примерно тот же эффект, что и при подмыве, но без разрушения структуры грунта.
Последовательность погружения свай
Порядок погружения свай зависит от их расположения в свайном поле и параметров сваепогружающего оборудования. Последовательность забивки определяется технической картой или проектом производства работ и зависит от размеров свайного поля и свойств грунтов. Применимы три схемы (рис. 10): рядовая, когда последовательно забиваются все сваи в одном ряду; спиральная, при забивке свай от центра к сваям внешних рядов; секционная, когда все поле делят на отдельные секции по ширине здания, в которых забивка осуществляется по рядовой схеме.
Спиральная схема предусматривает погружение свай концентрическими кругами от центра к краям свайного поля, что позволяет получить минимальную протяженность пути сваепогружающей установки. Кроме этого при погружении грунт вокруг сваи дополнительно уплотняется. При спиральной схеме вновь забиваемые сваи находятся всегда по внешнему контуру свайного поля, поэтому напряженность уже забитого поля оказывает минимальное воздействие.
При больших расстояниях между отдельными сваями последовательность погружения может определяться в основном технологическими соображениями, прежде всего используемым оборудованием. У некоторых копров башенного типа мачты опираются на выдвижные рамы, смещающиеся примерно на 1 м. Такими копрами можно забивать сразу сваи двух рядов с одной стоянки, что значительно снижает трассу движения копра и время на его передвижки. При сооружении подземной части жилых зданий применяются краны, оснащенные навесным копровым оборудованием, перемещающиеся по рельсовому пути вдоль бровки котлована здания.
При устройстве свайных фундаментов зданий большой протяженности рационально использовать мостовую сваебойную установку, 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 сваепогружающего 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 зависят выбор оборудования для погружения свай и количество сваепогружающих установок.
Производство свайных работ в зимнее время
Работы по устройству свайных фундаментов в зимнее время необходимо организовать так, чтобы площадка для погружения свай была подготовлена до начала промерзания грунта. Следует одновременно выполнить необходимые земляные работы, отрыть и разобрать подлежащие ликвидации подземные сооружения, препятствующие забивке свай, засыпать разрытые места качественным грунтом с надлежащим уплотнением, подготовить места для складирования свай и сборных элементов подземной части здания.
До наступления морозов площадка в зоне производства свайных работ должна быть тщательно спланирована. В противном случае перекосы самоходной копровой установки на неровностях грунта вызовут неточную забивку свай. Чтобы уменьшить глубину промерзания, дно котлована желательно засыпать слоем снега толщиной 70-80 см. По мере производства работ снег удаляют бульдозером.При складировании нижний ряд свай следует укладывать на подкладки так, чтобы он не соприкасался с грунтом. Штабеля свай рекомендуется укрывать толем.
Перед забивкой сваи следует очищать от снега, наледи.Способы погружения свай в мерзлый грунт выбирают в зависимости от глубины промерзания грунта, его категории и физико-механических свойств.
Производить силовое вдавливание и вибропогружение свай в мерзлые связные грунты из-за недостаточности усилий существующих машин нецелесообразно. Эти способы можно применять лишь при наличии сухих сыпучих грунтов. В зимних условиях лучше использовать ударный способ погружения свай преимущественно с помощью дизель-молотов и организации работы в три смены. В первую смену совершают забивку свай. Во вторую смену в вершинах равностороннего треугольника со стороной, равной 25-30 см, устанавливают в грунт стержневые электроды. В третью смену производят электропрогрев грунта в местах забивки свай.
Электропрогрев грунта. Для облегчения первоначальной забивки стержневых электродов в мерзлый грунт предварительно забуривают шпуры диаметром 18-20 мм на глубину до 30 см. На каждую сваю приходится 3 электрода длиной 1,2-1,5 м. Глубину электропрогрева принимают с таким расчетом, чтобы нижняя часть мерзлого грунта толщиной 25 - 30 см после прогревания оставалась неоттаявшей. Это будет способствовать быстрой заводке дизель-молота. При забивке свай паровоздушными молотами грунт оттаивает на всю глубину мерзлого слоя. Электропрогрев ведут послойно (до 50 см) при сетевом или пониженном напряжении. По мере оттаивания слоя грунта стержни забивают глубже.
Электропрогрев бетона монолитного ростверка. В зимних условиях бетон монолитных ростверков укладывают на подушку из песка толщиной не менее 10 см. Температура песка и бетонной смеси в момент бетонирования должна быть не менее 10-15° С. Укладка бетона на промороженное основание не допускается. Электропрогрев бетона монолитного ростверка производят в соответствии с «Руководством по электропрогреву бетонных и железобетонных конструкций и изделий». Замораживание бетона ростверка до получения им 50% проектной прочности не допускается.
Извлечение сваи из грунта
При неправильной забивке или при поломке свай во время погружения может потребоваться необходимость извлечь их из грунта.
Деревянные сваи извлекают, как правило, кранами, грузоподъемность которых достаточна для преодоления сопротивления грунта.
Неглубоко забитую сваю можно выдернуть тем же копром, при помощи которого она была забита. Для извлечения глубоко забитых железобетонных и металлических свай и шпунтов применяют различные приспособления. Наилучшие результаты достигаются при использовании вибраторов совместно с крановым оборудованием.
Вибропогружатель устанавливают на оголовнике сваи при свободном положении подъема троса. При включении вибратора свая, вибрируя под действием собственного веса и веса вибратора, начинает погружаться в грунт (на 2-4 см), после чего ее поднимают. При этом достаточно приложить усилие, примерно равное двойному весу погружателя со сваей, чтобы извлечь ее из грунта. Вибрации, обеспечивающие значительное уменьшение сил внешнего трения при извлечении свай из грунта, используются весьма эффективно.
Устройство набивных и буронабивных свай
До начала производства свайных работ выполняется срезка или подсыпка грунта до проектной отметки ростверка и разбивка свайного поля. Если работы выполняются с использованием глинистого раствора, то производится проверка качества его приготовления.
При устройстве буронабивных свай забой скважины должен быть очищен от разрыхленного грунта или уплотнен трамбованием. Уплотнение неводонасыщенных грунтов следует проводить путем сбрасывания в скважину трамбовки (при диаметре 1 м и более - массой не менее 5 т, при диаметре скважины менее 1 м - 3 т). Трамбование грунта в забое скважины необходимо производить до величины «отказов», не превышающей 2 см за последние пять ударов, при этом общая сумма «отказов» трамбовки должна составлять не менее диаметра скважины.
Уровень глинистого раствора в скважине в процессе ее бурения, очистки и бетонирования должен быть выше уровня грунтовых вод (или горизонта воды на акватории) не менее чем на 0,5 м.
По окончании бурения следует проверить соответствие проекту фактических размеров скважин, отметки их устья, забоя и расположения каждой скважины в плане, а также установить соответствие типа грунта основания данным инженерно-геологических изысканий (при необходимости с привлечением геолога).
В обводненных песчаных, просадочных и в других неустойчивых грунтах бетонирование свай должно производиться не позднее 8 ч после окончания бурения, а в устойчивых грунтах - не позднее 24 ч. При невозможности бетонирования в указанные сроки бурение скважин начинать не следует, а уже начатых - прекратить, не доведя их забой на 1-2 м до проектного уровня и не разбуривая уширений.
Непосредственно перед подводной укладкой бетонной смеси в каждую скважину, пробуренную в скальном грунте, необходимо с поверхности забоя смыть буровой шлам. Для промывки следует обеспечить подачу воды под избыточным давлением 0,8-1 Па при расходе 150-300 куб. м/ч. Промывку следует продолжать 5-15 мин до исчезновения остатков шлама (о чем должен свидетельствовать цвет воды, переливающейся через край обсадной трубы или патрубка).
Промывку необходимо прекращать только в момент начала движения бетонной смеси в бетонолитной трубе.Для контроля сплошности бетонного ствола буровых свай, выполняемых методом подводного бетонирования, необходимо выборочно производить испытание образцов, взятых из выбуренных в сваях кернов, или контролировать сплошность неразрушающими методами из одной сваи на каждые 100, но не менее чем из двух свай на объект строительства, а также во всех сваях, при устройстве которых были допущены нарушения технологии.
В процессе устройства камуфлетного уширения каждой сваи необходимо контролировать отметки опущенного в забой заряда ВВ и поверхности бетонной смеси в трубе до и после взрыва.Буронабивные полые сваи следует изготавливать из жестких бетонных смесей с осадкой конуса 1-3 см на щебне фракции не более 20 мм.Внутренняя поверхность ствола каждой буронабивной полой сваи должна быть подвергнута визуальному осмотру. При обнаружении вывалов бетона площадью более 100 кв. см или обнажении рабочей арматуры полость сваи должна быть заполнена бетонной смесью с осадкой конуса 18-20 см на высоту, превышающую на 1 м отметку обнаруженного дефекта.
Бурение скважины при устройстве буроинъекционных свай в неустойчивых обводненных грунтах следует осуществлять с промывкой скважин глинистым (бентонитовым) раствором или под защитой обсадных труб. Плотность глинистого (бентонитового) раствора следует принимать равной 1,05-1,15 г/куб.см.
Растворы, применяемые для изготовления буроинъекционных свай, должны иметь плотность в пределах 1,73-1,75 г/ куб. cм, подвижность по конусу АзНИИ не менее 17 см и водоотделение не более 2%. Состав растворов для буроинъекционных свай должен быть указан в проекте.
Заполнение скважин буроинъекционных свай твердеющими (цементным или другим) растворами следует производить через буровой став или трубку-инъектор от забоя скважины снизу вверх до полного вытеснения глинистого раствора и появления в устье скважины чистого цементного раствора.
Укладка бетонной смеси в скважину должна производиться без перерывов, превышающих период начала схватывания смеси. При бетонировании необходимо обеспечить укладку качественного бетона по всей глубине скважины, в том числе и в голове сваи. В процессе бетонирования буронабивных свай должен вестись журнал бетонных работ. Контрольные бетонные образцы должны отбираться в количестве 3 шт. на каждые 50 куб.м уложенной бетонной смеси. Изготовление и хранение контрольных бетонных образцов должно производиться в условиях, аналогичных условиям, в которых происходит бетонирование и твердение свай.
В процессе бетонирования свай контролю подлежат:
- качество и температура (зимой) бетонной смеси;
- интенсивность укладки бетонной смеси;
- технология заполнения скважины бетонной смесью;
- объем бетона, уложенного в скважину;
- время начала и окончания бетонирования, а также время вынужденных перерывов.
Требования к качеству выполнения работ
При производстве работ состав контролируемых показателей, объем и методы контроля должны соответствовать требованиям таблицы 2.
Оценку качества и приемку фундаментов из набивных и буронабивных свай выполняют на основании следующих документов:
- проекта свайных фундаментов;
- актов приемки материалов, применяемых для изготовления свай;- актов лабораторных испытаний контрольных бетонных кубиков;- актов контрольной проверки качества укладки бетонной смеси в скважину;- актов контроля изготовленных свай (отбор кернов или неразрушающий контроль);
- акта заключения по проведенным статическим испытаниям опытных свай;
- плана расположения свай с привязкой к разбивочным осям;
- исполнительной схемы расположения осей свай с указанием отклонений от проектного положения в плане и результатов нивелировки оголовков свай;
- актов на скрытые работы- журналов изготовления свай.
При приемке готовых свай необходимо проверять соответствие выполненных в натуре работ требованиям проекта. Приемку оформляют актом, в котором должны быть отмечены все выявленные дефекты и предусмотрены способы их устранения.
Приемка свайных работ
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.
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;
- приемки арматурных каркасов набивных свай и монолитных ростверков;
- актов сдачи свайного поля и готового ростверка;
- результатов динамических или статических испытаний свай.
Техника безопасности
Производство свайных работ, связанных с применением специальных машин и оборудования, требует от обслуживающего персонала особо внимательного отношения к выполнению всех операций и, как при всех строительных работах, строгого соблюдения правил техники безопасности.
При подъеме копра, собранного в горизонтальном положении, должны быть прекращены все работы в радиусе, равном длине поднимаемой конструкции плюс 5 м.
Все операции по подтягиванию и подъему свай и опусканию молота, передвижкам и разворотам копра должны производиться только по сигналу бригадира.
Копры высотой более 10 м при передвижках необходимо укреплять растяжками. Во время работы копер необходимо закреплять на рельсах противоугонными устройствами.
Каждый копер оборудуется звуковой сигнализацией. Перед пуском в действие свайного молота подается звуковой сигнал.
Коэффициенты запаса прочности для подъемных тросов допускаются при ручном приводе - не менее 4,5 и при механическом - не менее 6.
До начала работы на лебедке необходимо убедиться в исправности тормоза.
Пробуренные скважины для грунтовых свай должны быть закрыты щитами.
Полную статью ищите в соотвествующем номере печатной версии журнала Заказчики и Подрядчики.
Если Вы уже подписаны на журнал, Вам можно перейти в раздел версия в формате PDF и скачать необходимый номер журнала.