Строительство и ремонт

Проектирование и устройство свайных фундаментов

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

§ 1. Сваи в скважинах, образованных забивкой сердечников

Устройство скважин для набивных свай без выемки грунта путем забивки сердечников или оболочек — одно из наиболее перспективных направлений. Выемка грунта существенно влияет на удельный расход бетона — в этом причины двухкратного увеличения объема бетона на единицу несущей способности в набивных сваях п» сравнению с забивными: соответственно 6 и 3 м3 на 100 т несущей способности (в условиях площадки КамАЗа).

Созданный в начале века способ образования скважины без выемки грунта у нас в стране применялся ограниченно. Только в последние годы наметились сдвиги в этой области.

Типичной формой набивной сваи без оболочки является свая системы «К о м п р е с с о л ь», предложенная французским инженером Дюлаком в 1900 г.

Последовательность изготовления свай (15.1) состоит из указанных ниже трех операций. / — тяжелой чугунной бабой в виде конуса при падении с высоты в грунте пробивается отверстие диаметром, несколько превышающим наибольшее ее сечение; // — скважину заполняют бетоном, щебнем или песком (иногда предварительно подсыпают слой щебня) и уплотняют их трамбовкой стрельчатой формы. В результате уплотняется основание, уширяется опорная часть сваи и ствола; /// — уплотнение бетона в верхней части свай заканчивают трамбованием его плоской трамбовкой.

Сваи «Компрессоль» применялись в зарубежной и отечественной практике (для фундаментов коксовых батарей в Новокузнецке) в связных грунтах, способных сохранять вертикальные откосы скважины.

По типу «Компрессоль» разработано много современных вариантов свай, отличающихся примененными механизмами и особенностями в технологии работ. Так, в Удмуртии для выштамповыва-ния применяют сваебойные агрегаты с трубчатыми или штанговыми дизель-молотами при массе ударной части 1,8 и 2,5 т.

Формы и размеры штампов выбирают в зависимости от нагрузок и грунтовых условий. Используются конусные (диаметр верха 0,7—1,4 м) или пирамидальные (с сечением по верху от 0,5X1,2 до 0,7X1.6 м), длина ствола 1,6 м.

Копер (15.2) оборудован гидровыдергивателями и винтовыми домкратами. Перед извлечением штампа винтовые домкраты упирают в стальной щит, уложенный над местом устройства скважины. Отверстие, имеющееся по центру щита, располагают по вертикальной оси будущей сваи. Гидровыдергиватели отрывают штамп и поднимают его на 0,4—0,6 м, а затем подъем заканчивают грузовой лебедкой. Бетонируют сваи ранее описанными способами (см. гл. 12).

Сменная производительность в летних условиях звена из 4 рабочих составляет 12—16 свай. Зимой работы выполняют с предварительным электропрогревом грунта. Несущая способность таких свай составляет 40—200 тс в зависимости от размеров штампа, грунтовых условий и интенсивности выштамповывания. По сравнению с забивными призматическими сваями удельная несущая способность на 1 м3 объема сваи данной конструкции оказалась выше .на 20—30%.

Сван типа MV английской фирмы «Экономик фаундейшн Лимнтед», разработанные Л. Мюллером (ФРГ) в 195.6 г., сочетают преимущества выполнения скважин без выемки грунта с надежным способом заполнения ствола сваи. Этот тип свай можно считать перспективным ввиду того, что проходка скважины и бетонирование совмещены в один процесс.

Устройство для изготовления таких свай состоит из полого стержня коробчатого сечения и наконечника. Стержень забивают в грунт дизель-молотом и одновременно нагнетают цементно-песча-ный раствор. Пройдя через стержень коробчатого сечения, раствор выходит в верхней части наконечника и заполняет промежуток между телом стержня и грунтом, образованный вследствие разницы линейных размеров наконечника и стержня. После проходки до проектной отметки давление нагнетания увеличивают, уплотняя окружающий сваю грунт. Оставление стержня в теле сваи и потребность в подаче цементно-песчаного раствора под давлением услож-. няют производство работ, что препятствует широкому распространению этого метода.

Совмещенный метод изготовления свай нашел дальнейшее развитие в виброформованных сваях, предложенных Куйбышевским инженерно-строительным институтом.

Из нескольких методов изготовления набивных свай, внедряемых в последние годы, наиболее перспективным следует считать метод, основанный на использовании станка БС-1М. Этот станок широко применялся при устройстве грунтовых свай городов Тольятти и Набережные Челны.

На 15.5 изображены рабочие органы для пробивки скважин, применяемые также для изготовления грунтовых свай (см. § 3). Другим способом изготовления свай без выемки грунта является метод виброформования свай, сущность которого заключается в следующем. После подготовительных работ устанавливают приемный бункер и виброформователь выводят на центр будущей скважины. Полый наконечник, закрытый снизу лопастями и соединенный через жесткую штангу с вибропогружателем, под действием последнего погружается в грунт и образует скважину, которая сразу по мере погружения наконечника заполняется бетонной смесью из бункера, устанавливаемого над устьем скважины. По достижении проектной глубины наконечник приподнимают, лопасти раскрываются

и наконечник извлекают с раскрытыми лопастями, причем бетон-лая смесь остается в скважине.

Технологическая схема изготовления виброформованных свай приведена на 15.6, а рабочие органы виброформования в двух вариантах показаны на 15.7. Во втором варианте вместо самораскрывающихся створок предусмотрен теряемый железобетонный башмак.

Виброформованные сваи экономичнее забивных свай по удельному расходу цемента, бетона и арматуры, что видно из данных инженера П. М. Ермошкина (НИС Гидропроекта), приведенных в табл. 15.1 и 15.2.

Более высокая несущая способность обоих типов набивных свай объясняется наличием уплотненной зоны вокруг свай за счет увеличения объемной массы скелета грунта с 1,4—1,57 до 1,74—1,9 т/м3 на контакте со сваей.

Сваи, скважины для которых выполнены станками БС-1М, можно устраивать только в маловлажных  устойчивых грунтах,   тогда

как технология виброформования обеспечивает устройство свай и в неустойчивых обводненных грунтах.

Вибронабивные сваи, предложенные Е. М. Перлеем и А. М. Рукавцовым, применяют в отечественном строительстве с 1960 г. Сваи диаметром 40 см и длиной до 9 м с уширенной пятой устраивают в последовательности, показанной на 15.8 (с. 300).

На этой схеме приняты следующие обозначения: / — вибропогружение инвентарной стальной трубы, закрытой снизу теряемым башмаком; //—-заполнение трубы пластичной бетонной смесью на высоту 0,8—1 м; /// и IV— образование уширенной пяты с помощью трамбовки, соединенной с вибропогружателем; V — установка армокаркаса; VI — заполнение трубы бетоном и последующее извлечение ее краном и вибропогружателем с одновременным уплотнением прилегающего грунта.

Этот способ дает возможность изготовлять сваи при высоком уровне грунтовых вод. Вибрирование позволяет применять жесткие смеси, что обеспечивает лучшее качество свайного ствола и сокращает расход бетона. Замена забивных свай вибронабивными снижает стоимость свай в фундаментах жилых и промышленных зданий на 35—65%; расход стали при этом уменьшается до 10 раз.

К описанному типу набивных свай относят заливные сваи, изготовленные по технологии, предложенной инженером В. Пангае-вым в 1967 г. (трест «Новосибирскцелинстрой-1).

Скважины выполняют с помощью передвижной копровой установки на автокране К-61 с дизель-молотом С-222. Последовательность устройства свай показана на 15.9. С помощью лидера пробивают скважину диаметром 0,36 м и глубиной 2—-3 м (поз. /). Затем рабочий орган извлекают на поверхность и на его наконечник надевают уширитель, с которым его погружают в скважину. Уширитель представляет собой отрезок трубы, имеющий в верхней

части упорный стакан, а в нижней — плоское днище. К днищу уширителя прикреплены две плиты, которые могут поворачиваться вверх до упора в днище. При погружении плиты принимают полураскрытое положение и не касаются стенок скважины (поз. //).

Статическими испытаниями установлено, что расчетные нагрузки на заливные сваи диаметром 0,36 м и длиной 2,5—3 м в грунтах тугопластичной и твердой консистенции колеблются в пределах 15—25 тс без уширения и до 35 тс — с уширением основания.

На разработку одной скважины с уширением уходит 10—12 мин в талых грунтах и 20—30 мин — в мерзлых.

Для жилых двухэтажных домов и животноводческих помещений сваи размещают в один ряд по контуру стен. По сваям сооружают монолитный железобетонный или сборный ростверк из несущих перемычек высотой 22 см с закладными деталями для сварки.

При устройстве сборного ростверка на сваи надевают оголовки стаканного типа, по которым укладывают балки ростверка.

Шаг свай под двухэтажные жилые дома принимают равным 1,5—2 м (всего на дом их требуется 72—82 шт.). В животноводческих помещениях шаг свай принимают больший — 3—6 м.

В 1967—1968 гг. в Новосибирской области на таких набивных сваях были возведены 12 жилых домов, птичник и свиноферма на 800 голов. Экономический эффект от внедрения свай на этих объектах достиг 60 тыс. руб., причем в 4—5 раз снижен расход бетона по сравнению с устройством блочных фундаментов.

Метод устройства коротких конических свай в вытрамбованном ложе, предложенный С. А. Зацем и А. И. Работни-ковым, отличается от изложенных выше применением вибровдавливания.

При устройстве таких свай выполняют следующие операции: 1) навеску лидера на агрегат типа ВВПС-20/11 или ВВПС-32/19 (15.10); 2) выштамповку ложа в грунте с помощью лидера усилием вибратора и тяговой лебедки агрегата; 3) бетонирование скважины; 4) установку армокаркаса.

Исследованиями, проведенными на лёссовидных грунтах I типа по просадочности, установлены следующие оптимальные размеры конической сваи под нагрузку 40—50 тс при осадке около 4 см: диаметр оголовка 80 см; высота конической части 2,2 м; угол конусности 21°.

При погружении штампа эффект уплотнения околосвайной зоны зависит от влажности грунта. При консистенции ниже 0,4 основание увлажняется до 18%- Затем, работая только тяговой лебедкой без вибратора, продавливают гнезда и заливают их водой. Через 12—14 ч ложе выштамповывают до проектной отметки. Все работы выполняет звено, состоящее из машиниста установки и 2—3 бетонщиков. Сменная производительность звена— 16—18 свай.

Несущая способность конических свай, составляющая ПО— 150 тс на 1 м3 бетона, является весьма высоким показателем. Внедрение таких свай на одном из промышленных объектов позволило снизить стоимость фундаментов на 70%, а на строительстве 9-этажного жилого дома — на 50%

§ 2. Столбчатые фундаменты в котлованах, вытрамбованных в просадочных грунтах

Строительные нормы и правила рекомендуют два принципиальных подхода к уплотнению просадочных грунтов.

В первом случае глубинное уплотнение ведут в пределах всей толщи основания с предварительным замачиванием его или грунтовыми сваями (см. § 3 настоящей главы).

В других случаях грунт уплотняют только в пределах деформируемой зоны основания одним из трех методов: поверхностным уплотнением грунта тяжелыми трамбовками, устройством грунтовых подушек и вытрамбовыванием котлованов заданной формы и глубины.

Последний метод излагается в настоящем параграфе.

При устройстве оснований на просадочных грунтах необходимо предпринимать меры по предохранению грунтов от неорганизованного увлажнения. Так, планировка площадки должна обеспечить сток поверхностных вод с территории.

Метод возведения столбчатых фундаментов в котлованах, образованных путем вытрамбовывания просадочных грунтов, -отличается от метода «Компрессоль» тем, что бетон не трамбуют, а вибрируют и уширения не происходит. Кроме того, новую технологию отличает более высокий уровень механизации.

Работы по устройству столбчатых фундаментов выполняют в следующем порядке. С поверхности срезают растительный и насыпной слой до отметки, соответствующей отметке основания по-

лов. Падающая на грунт трамбовка образует на заданной глубине котлован диаметром по низу 0,8—1,5 м. Глубина котлована составляет от 0,6 до 1,5 м.

В процессе трамбования в основании котлована образуется зона с плотностью грунта в пределах 1,85—1,55 т/м3. При такой плотности в лёссовом грунте под уплотненной зоной остается зона не-

достаточного уплотнения, где грунг, однако, имеет меньшую про-садочность и более высокую прочность, чем при естественной плотности.

Несущая способность столбчатых фундаментов, возводимых таким методом, составляет в зависимости от диаметра котлована 50—90 т, что в 3—4 раза выше, чем у аналогичных фундаментов на естественном основании.

Фундаменты этого типа устраивают в просадочных грунтах для зданий с небольшими нагрузками, когда не требуется объединять несколько столбчатых фундаментов в один куст.

Котлованы образуют путем уплотнения грунта навесным оборудованием на кране-экскаваторе, состоящем из трамбовки и направляющей штанги (см. 15.11). Трамбовка имеет форму усеченного конуса с уклоном 1 : 20—1 : 10 (15.11). Удельное статическое давление трамбовки на грунт 0,30—0,35 кг/см2 при массе 4—6 т. Для понижения центра тяжести трамбовки в нижнюю ее часть закладывают металлолом. До начала работ рядом с рабочим котлованом проводят опытное трамбование и по полученным данным устанавливают необходимое количество ударов трамбовки. Средняя производительность при использовании описанного оборудования составляет 30—35 котлованов в смену.

В проект устройства трамбованных, котлованов обычно включают следующие документы: план котлована под здание (снятие растительного слоя); планы расположения отдельных котлованов с нанесением пунктирными линиями контура фундаментов или фундаментных балок; определение проектной глубины котлованов; данные о количестве воды, заливаемой на один котлован в случае необходимого повышения влажности грунта до оптимальной; данные о диаметре, массе, форме и высоте сбрасывания трамбовки; ориентировочные размеры уплотняемой зоны при заданных параметрах трамбовки и сведения о необходимом количестве ударов трамбовки.

§ 3. Грунтовые и песчаные сваи

Одним из способов глубинного уплотнения просадочных и макропористых лёссовых грунтов является устройство грунтовых набивных свай (предложение Ю. М. Абелева). В массовом объеме такие сваи применялись при строительстве 5—12-этажных жилых домов в г. Тольятти, где только в период 1968—1972 гг. их было изготовлено более 200 тыс.

.Метод основан на том, что при механическом трамбовании природная макропористая структура полностью разрушается и уплотненный грунт теряет просадочные свойства. Одновременно вследствие вытеснения грунта в стороны при проходке скважины и набивке ее грунтом происходит уплотнение грунта вокруг сваи. Скважины, заполненные уплотненным грунтом, условно называют грунтовыми.

Этот способ целесообразно применять для устранения просадочных свойств грунтов со степенью влажности до 0,7 при толщине макропористого слоя грунта в основании от 5 до 22 м. При большей толщине просадочного слоя целесообразность уплотнения устанавливают на основе опытных работ.

Глубинным уплотнением грунта его плотность в основании повышается до средней плотности скелета грунта, равной 1,65 т/м3. Для устройства противофильтрационных завес степень уплотнения грунта в свае должна составлять 1,75 т/м3. С учетом этого в проекте устанавливают диаметры скважин и соответствующие расстояния между ними.

До начала работ по глубинному уплотнению грунта грунтовыми сваями для уточнения проектных параметров необходимо провести опытное уплотнение его. Выделенный для этих целей участок грунта уплотняют несколькими (не менее трех) смежными сваями, расположенными в плане .в вершинах равностороннего треугольника со сторонами, определенными проектом. Результаты опытного уплотнения проверяют отрывкой шурфа на глубину не менее 0,7 просадочной толщи с определением плотности и влажности грунта.

В рабочий проект глубинного уплотнения грунта входят плай свайного поля с указанием отметок заложения фундамента, план свай и рабочего горизонта; геологическая характеристика участка; требования к влажности, а также к средней и минимальной плотности грунта; характеристика оборудования; общая масса грунта и масса отдельных порций, засыпаемых в скважины.

Перед разбивкой сетки расположения скважин по результатам устройства пробных свай отбирают пробы грунта и вносят необходимые коррективы для достижения    проектной    плотности грунта.

Скважины образуют бурением, пробивкой лидером или с помощью взрывов ценных зарядов с предварительным устройством шпуров. Для образования скважин применяют станки ударно-канатного бурения БС-1 (см. 15.4) или другие станочные механизмы, позволяющие работать со снарядом массой не менее 3 т. Сначала скважины пробивают через одну, а после набивки их грунтом возвращаются к пропущенным. Для пробивки скважин используют специальный снаряд, состоящий из штанги с наконечником (см. 15.5) и направляющего цилиндра (кондуктора). В ходе работ необходимо вести контроль за точным соблюдением расположения свай в плане и за соответствием диаметров оборудования. Для обеспечения вертикальности шпуров используют кондуктор или направляющие. Патроны ВВ изготовляют из аммонита № 9 или № 10, его набивают в патроны диаметром 42—-45 мм и массой ВВ по 50 г. Количество патронов на 1 м шпура определяют с учетом глинистости грунта, характеризуемой числом пластичности, и уточняют опытными взрывами. На 1 м скважины требуется от 5 до 10 патронов.

Патроны размещают в шпуре равномерно в пределах каждого однородного слоя, прикрепляя их к шпагату или вязальной проволоке. Цепочку зарядов фиксируют строго по центру скважины (15.12). Взрыв производится с помощью детонирующего шнура. В результате взрыва вокруг образуется зона уплотненного грунта. Взрывание в шурфах производят через скважину, пропущенные скважины взрывают только после засыпки и уплотнения предыдущих. После взрыва замеряют глубину скважины и в случае обнаружения завала до 1,5 м уплотняют грунт не менее чем 20 ударами снаряда, а при большем завале бурят новую скважину. Качественно образовать скважину взрывным методом можно лишь при оптимальной влажности грунта, т. е. когда она находится на пределе раскатывания. При меньшей влажности грунт нужно. доувлажиить, так как переуплотненный грунт может отслоиться от стенки скважины. В этом случае необходимо   определить природную влажность грунта и рассчитать потребное количество воды.

Набивают скважины тем же грунтом. Грунт укладывают в скважины послойно, дозами из расчета заполнения ее за один раз рыхлым материалом на высоту, равную 2,5 ее диаметра. Уплотняют засыпаемый материал станками ударно-канатного бурения с ударными органами массой не менее 1 т. При таком уплотнении для засыпки можно применять грунты с отклонениями от оптимальной влажности в пределах 0,02—0,06.

Образовывать скважины станками ударно-канатного бурения в мерзлых грунтах разрешается при глубине промерзания до —0,3 м, при большей глубине необходимо предварительно оттаивать грунт или проходить его бурением. Скважины заполняют только талым грунтом. Для этого можно использовать супеси и суглинки, имеющие влажность в пределах 2—6% от оптимальной.

Число ударов определяют из расчета 100 т-м на 1 т трамбуемого грунтового материала, подлежащего уплотнению до объемной массы скелета грунта 1,75 т/м3. Набивать скважины грунтовым материалом требуется до полного их заполнения.

Пооперационный контроль качества изготовления грунтовых свай должно вести лицо, ответственное за ведение журнала работ, а выборочный — технадзор заказчика и автор проекта.

Качество уплотнения контролируется лабораторией строительной организации. Акт на скрытые работы по глубинному уплотнению грунта составляют после осмотра котлована, открытого до отметки заложения фундамента, представителями организации, выполняющей уплотнение, генподрядчика, заказчика и авторского надзора.

§ 4. Сваи с забивной оболочкой, извлекаемой из грунта

Сваи «Симплекс» (конструкции Франка Шумана) были применены впервые в США в 1903 г. На 15.13, а показана последовательность работ по изготовлению этой сваи. Цифрой / обозначена толстостенная обсадная труба диаметром 40 см с литым чугунным башмаком, забиваемая в грунт паровым копром; // — подача бетонной смеси порциями в обсадную трубу с помощью бадьи со створчатым днищем; /// — трамбование бетона с помощью ударного снаряда с одновременным выдергиванием обсадной трубы; IV — окончание работ по изготовлению сваи. В мягких грунтах вместо башмака на конце трубы закрепляют инвентарный раскрывающийся наконечник — «пасть аллигатора».

Сваи «Фр а нкиньол ь», созданные во Франции в 1909 г., применяются до сих пор. Обсадная труба состоит из концентрических звеньев, вставленных друг в друга. Длина звеньев 3—6 м при диаметре 0,4—0,7 м. Специальные муфты, не мешая телескопическому передвижению звеньев, предохраняют их от разъединения.

Забивают трубу с помощью наконечника (15.13) со стержнем, по которому, как по направляющей, ходит ударный орган.

Процесс изготовления сваи состоит из следующих шести операций: / и // — забивки первого и второго звеньев обсадной трубы; /// — начала бетонирования после извлечения бабы и наконечника из обсадной трубы; IV — трамбования бетона в трубе (последняя несколько поднимается вверх, а смесь под давлением от трамбования впрессовывается в грунт, уширяя сечение сваи). Ударный орган ходит по направляющим проволокам, которые постепенно заделывают в бетон, а нижнее звено обсадной трубы поднимается вверх за тяжи; V — извлечения нижнего звена обсадной трубы и бетонирования следующего звена; VI — показана изготовленная свая.

Сваи «Харлей Э б б о т» отличаются от свай «Симплекс» в основном уширенным основанием. В обсадную толстостенную трубу диаметром 40 см вставляют сердечник, выступающий ниже обсадной

тЬубы на 1,25—1,5 м. Сердечник имеет наверху уширенную голову,. Опирающуюся на обсадную трубу. Энергия удара через уширенный оголовок передается на обсадку.

На 15.13, в показана последовательность операций по изготовлению таких свай: /—окончание забивки сердечника; // — сердечник вынут, в трубу подана порция бетона, а труба приподнята; /// — в свае создается уширенная пята ударами сердечника по бетону; IV — обсадная труба извлечена, бетонирование закончено.

У сваи «Компаунд» с уширением сверху (15.13, б) обсадная труба состоит из двух частей: оболочки большого диаметра и свободно перемещающейся в ней оболочки меньшего диаметра с металлическим теряемым наконечником.

До определенной глубины оболочки погружаются совместно, после чего внутренняя оболочка добивается до проектной отметки. Бетонирование производится в обратном порядке — сначала бетонируются ствол до уширения с извлечением обсадной трубы, а затем и уширенная часть.

Сваи Макартура без оболочки, применяемые до сих пор в США, изготовляют забивкой стальных труб диаметром 0,35 м вместе с наконечником. Бетонирование ведут с одновременным извлечением трубы. Сердечник с молотом, опущенный на бетон, обеспечивает плотность укладки и необходимый контакт бетона с окружающим грунтом. Уширение основания достигается трамбованием бетона. Такие сваи изготовляют длиной до 18 м.

Большое преимущество способа устройства свай Макартура заключается в быстроте образования скважин стальными трубами и в одновременном уплотнении грунта, окружающего трубы, при трамбовании бетона. Однако при этом весьма оперативном способе устройства свайного поля нужен агрегат для погружения труб.

Свая «Ридлей» — смешанная сборно-монолитная конструкция, состоящая из забивной стойки-колонны и бетонной монолитной оболочки. На 15.13, г показана схема изготовления такой сваи: / — толстостенная обсадная труба с литым башмаком и муфтой забивается в грунт; // — в трубу подается литая бетонная смесь, в которую вдавливается железобетонная стойка; /// — приподнятая оболочка освобождает часть пространства. При этом стойка опускается на башмак, вытесняя смесь, которая распределяется по ее .периметру. На стойке имеется уширение, препятствующее выдавливанию бетона вверх.

На 15.14 изображено приспособление Ридлея для одновременного вдавливания сборной стойки и извлечения оболочки.

Сборно-монолитную конструкцию применяют в отечественной практике в вариантах буронабивных свай с механическим ушире-.нием пяты и камуфлетных.

Частотрамбованные набивные сваи. Такие бетонные сваи относятся к группе набивных, при этом скважины для них образуют в грунте путем забивки обсадной трубы, свободно опирающейся на специальный чугунный башмак. Трубу после заполнения ее бетоном .извлекают из грунта, и бетонная смесь,   выходящая из трубы, заполняют скважину. Набивные частотрамбованные сваи иногда армируют.

Забивают и извлекают обсадную трубу из грунта с помощью специального копра, оборудованного паровым молотом одиночного действия. Этот молот приспособлен и для трамбования бетона в скважине.

Процесс изготовления набивной частотрамбованной сваи состоит из следующих операций (15.15): забивки обсадной трубы диаметром 0,4—0,45 м в грунт (труба при забивке свободно опирается нижним концом на чугунный башмак, остающийся после в грунте); установки арматурного каркаса в трубу (в случае надобности), заполнения трубы бетоном; извлечения трубы из грунта.

15.14. Схема приспособления   для   одновременного вдавливания   стойки   и извлечения оболочки

Бетон подают в бадьях, вмещающих по 0,4—0,5 м3, и загружают в трубу для изготовления всей сваи в 2—3 приема. После загрузки каждой порции смеси трубу поднимают на соответствующую высоту. Извлекают ее под действием частых ударов молота: от удара, направленного вверх, труба несколько приподнимается, а от удара, направленного вниз, она осаживается.

Высота подъема трубы от удара молота примерно в 1,5—2 раза превосходит величину погружения ее от последующего удара. Удары передаются через трубу на бетонную смесь, вышедшую из нее под действием собственной массы столба в скважину, и трамбуют его. Образующаяся волнистая поверхность сваи повышает ее несущую способность. В некоторых случаях такие сваи по несущей способности превосходят забивные железобетонные.

Для изготовления набивных частотрамбованных свай применялись копры Т-135. Копер (15.16) состоит из следующих основных частей: опорной рамы с катками, башни, парового котла, паровоздушного молота, паровой двухбарабанной лебедки, обсапной трубы и тяговых соединений.

Копер приспособлен для забивки и извлечения обсадной трубы. Он оборудован молотом одиночного действия С-276 с полуавтоматическим парораспределением. При забивке обсадной трубы высоту подъема молота регулируют рычагом управления выпуска пара. В комплекс копра входят обсадные трубы (15.17) диаметром 325 мм со стенкой толщиной 20 мм.

Частотрамбованные сваи применялись на стройках Москвы в 1949—1957 гг., например, для усиления коробчатых фундаментов высотной гостиницы «Ленинградская» и высотного жилого дома на Котельнической набережной. Сваи изготовляли длиной от 7 до-11м. Производительность работ по изготовлению частотрамбованных свай на указанном объекте в отдельные дни доходила до 6 свай

в смену, что несколько ниже средней производительности копровой установки на забивке железобетонных свай.

Статические испытания показали высокую несущую способность этих свай, составившую 90—100 т при осадках, не превышающих 3 мм. Расчетная нагрузка на сваи по проекту была принята 60 т.

Недостатком частотрамбо-ванных свай является затруднительность контроля за процессом бетонирования,вследствие чего были случаи местных сужений (шеек) ствола сваи под действием подземных вод. Поэтому при изготовлении час-тотрамбованных свай исключительно строго должна соблюдаться и контролироваться технология производства работ.

Сваи системы «Франки». Такие набивные сваи, сконструированные в 1915 г., широко применялись в последние годы в Польше, Венгрии, Англии, Бельгии, АРЕ и странах Латинской Америки. Широкому применению их в Польше (до 70%) способствовал выпуск оборудования (станки KPF) и создание специализированных организаций.

С помощью копрового оборудования K.PF сваи «Франки» . изготовляют    диаметром     до 0,6 м и длиной до 20 м с несущей способностью до 200 т.

Последовательность изготовления свай показана на 15.18. Сваи изготовляют в инвентарной толстостенной обсадной трубе с помощью специального копра. Подвешенную к копру обсадную трубу устанавливают в месте изготовления сваи на поверхности грунта (полож. /) и заполняют на высоту 0,8—1 м жестким бетоном или сухой бетонной смесью. Затем смесь уплотняют бабой, падающей с высоты 1 м; заклиниваясь в трубе, смесь образует бетонную пробку (полож. //). При дальнейшем трамбовании бетона пробка, тянущая за собой обсадную трубу (полож. ///), вгоняется вместе с ней в грунт.

После достижения проектной отметки обсадную трубу поднимают на тросах на 20—30 см и той же трамбовкой выбивают из нее бетонную пробку (полож. IV).

Уширенную пяту образуют трамбованием бетонной смеси жесткой консистенции. О достигнутом расширении пяты судят по объему израсходованного бетона. Площадь горизонтального сечения пяты обычно в 2—3 раза больше сечения обсадной трубы. В слабых грунтах объем пяты достигает нескольких кубических метров.

После установки арматурного каркаса (полож. V) обсадную трубу заполняют бетоном и постепенно извлекают ее из скважины (полож. VI). Последнюю стадию рассмотрим подробнее. Процесс формирования ствола сваи включает следующие операции: наполнение бадьи бетоном (около 100 л); подъем снаряда на 2 м; подъем бадьи и засыпка бетонной смеси в обсадную трубу (высота бетонной смеси после засыпки не должна превышать 0,9 м); подъем снаряда на высоту около 7 м и опускание его для стряхивания бетона с арматурного каркаса; опускание снаряда до соприкосновения с бетоном и натяжение троса; подтягивание трубы на высоту 20—30 см. Высота столба бетонной смеси в трубе после подтягивания должна составлять 20-—30 см.

Расширяют ствол сваи ударами снаряда с высоты 1—1,5 м. Когда высота столба в трубе достигнет 20—30 см, трамбование прекращают до загрузки следующей порции бетона. Вследствие уплотнения окружающего грунта бетоном диаметр ствола сваи на 10— 20% получается больше внутреннего диаметра обсадной трубы.

Все указанные операции повторяют до момента подъема обсадной трубы на уровень контрольной отметки на стреле копра. В этом случае нижний конец трубы находится на проектной отметке головы сваи. Бетонирование заканчивают с таким расчетом, чтобы сформированная голова сваи находилась на 10—20 см выше проектной отметки (полож. VII). _

От описанной выше технологии несколько отличается способ изготовления свай «В и б р о - Ф р а н к и». Работы по устройству этого вида свай на стадиях /—V ведут по системе «Франки», после чего включают вибратор для извлечения обсадной трубы и формования бетонного ствола.

Сваи системы «Франки» можно размещать в грунте как вертикально, так и наклонно. Такие сваи можно устраивать в любых грунтах, допускающих забивку обсадных труб с закрытым торцом. Копры KPF выпускают в Польше различных модификаций: на автомобиле, рельсовой тележке, шагающие и др. (15.19). Копровая установка KPF-22S состоит из дизельного двигателя, лебедки, стрелы и ходовой части.

Двигатель установки, оборудованный разъединительной муфтой, расположен на раме ходовой части. Вращающий момент от двигателя передается лебедке через редуктор и используется для привода гидравлического насоса системы управления механизмами копровой установки.

Механизмы лебедки состоят из трех канатных барабанов для подъема ударного снаряда, перемещения бадьи с бетонной смесью и извлечения обсадной трубы. На валу барабана, предназначенного для извлечения обсадной трубы, насажен кабестан для перемещения

копровой установки по рельсовому пути и других вспомогательных работ. Стрела может поворачиваться на 60°.

Ходовая часть копровой установки состоит из четырех двухколесных тележек, передвигающихся по временному рельсовому пути.

Во время формовки сваи, монтажа, демонтажа или во время укладки рельсового пути стрела поддерживается четырьмя винтовыми домкратами. Стрела, выполненная из стальных труб, с помощью петлевого шарнира может наклоняться назад на 15° от вертикального положения. На вершине стрелы укреплены блоки для направления канатов от отдельных барабанов лебедки в переднюю часть направляющей.

Установка KPF оснащена ударным снарядом для погружения обсадной трубы диаметром 0,5 м. В ее комплект входят также обсадная труба, загрузочное устройство для бетонной смеси, откидывающееся при достижении верха трубы, а также загрузочное устройство, отрываемое вручную.

Копровые установки KPF оснащены электрическими светильниками и сигнализационной системой для согласования действий машиниста и формовщика.

В комплект копровых установок могут входить колесные тележки для перевозки установок и контейнеры для бетонной смеси. На площадке для работы копровых установок требуются также: бетоносмеситель емкостью 250 л, винтовые (или другие) домкраты, тяговые лебедки, комплект шпал И

рельсов, емкость для цемента (если не используют цемент в мешках) и самосвалы.

Копровые установки KPF-22 можно применять в различных климатических условиях. На монтаж (демонтаж) установки требуется 3—4 ч; столько же занимает погрузка или выгрузка.

Установку обслуживают машинист и его помощник. Машинист управляет механизмами подъема ударного снаряда и двигателем. Свайные работы выполняет бригада из шести-восьми человек, в зависимости от степени механизации вспомогательных работ.

О производительности установки KPF можно судить по данным табл. 15.5.

Копровые установки KPF-22, помимо набивных свай, можно применять для выполнения различных работ: устройства заглубленных каптажей, депрессионных колодцев, углубленных реперов, для извлечения стальных шпунтин, для забивки готовых свай, шпунтовых стенок.

Контроль за устройством свай ведут в процессе забивки обсадной трубы и в процессе формования сваи. После затвердевания бетонной смеси качество сваи определяют пробными нагрузками. Результаты контрольных измерений заносят в паспорт сваи. В паспорте должны быть указаны следующие данные: дата изготовления, номер сваи; время начала и окончания забивки; время бетонирования; температура воздуха; марка бетона; величина среднего отказа обсадной трубы; длина погружения трубы и длина ствола.

Учитывая многолетний опыт применения свай KPF и их надежность, польские строители пришли к выводу о необходимости расширения области применения набивных свай системы «Франки».

Метод, аналогичный устройству свай системы «Франки», приме

нен Главленинградстроем при сооружении одного из зданий по

Гражданскому проспекту. В отличие от описанного выше способа

использовался не жесткий, а литой бетон. При формировании ство

ла для выталкивания бетона из обсадной трубы применялся гид

родомкрат.

§ 5. Сваи в забивных оболочках, остающихся в грунте

Прототипом ряда бетонных свай, изготовляемых в металлической оболочке, забитой в грунт, послужила свая О. Штерна. Эта свая имеет коническую форму и состоит из оболочек и сердечника. Оболочку изготовляют из листовой стали толщиной 3 мм. Сердечник деревянный, сплошной, со сверлением по центру, служит для пропуска металлического стержня диаметром 40 мм. Сердечник предназначен для забивки сваи, а стержень — для извлечения сердечника после ее забивки (15.20, а). Свая Маета (15.20, б) имеет усиленный наконечник. После удаления сердечника полость оболочки, оставшейся в грунте, заполняется бетоном.

Положительные стороны свай подобной конструкции — гарантия сплошности ствола сваи в сложных гидрогеологических условиях, а также изоляция бетона сваи от химически агрессивных вод. Кроме того, наличие оболочки позволяет без ущерба для качества сваи

допускать значительные перерывы между забивкой оболочки и заполнением ее бетонной смесью

Недостатками свай такой конструкции являются.значительныи расход листовой стали, а также понижение несущей способности свай вследствие незначительной величины трения гладкой поверхности металла по грунту. Кроме того, из свай Штерна трудно извлекать сердечники из-за смятия оболочек и недостаточной жесткости их при забивке. Поэтому теперь сваи Штерна, не применяются, однако идея их использована в ряде конструкций современных видов свай.

Смятие оболочки при извлечении сердечника удалось преодолеть с помощью разъемного сердечника в сваях Раймонда (см. далее).

Сваи      британской     фирмы типа  «Скрурэт»  имеют несущую способность до 1500 т.   Способ их устройства включает    все основные операции, характерные для свай, имеющих гибкую стальную оболочку и жесткий сердечник. Особенностью    конструкции сваи, имеющей рифленую оболочку, состоящую из отдельных секций, является то, что нижняя секция выполнена из стальной пластины, на которую свободно опи» рается жесткий сердечник.    Свая погружается    при    вращательно-поступательном внедрении   ее   в грунт. После достижения нижней секцией проектной отметки стальной сердечник   извлекают,   в по-

лость сваи опускают арматурный каркас, после чего ее бетонируют. Сваи этого типа диаметром 1,37 м использовались в качестве свай-стоек при строительстве моста.

Сваи «А к к е р м а н». При их устройстве используют тонкие металлические трубы диаметром 30 см, забиваемые в грунт с помощью сердечника. Для предотвращения смещений оболочки в процессе забивки последняя снабжена специальными ребрами-стабилизаторами, что обеспечивает более точное погружение сваи. После забивки сердечник извлекают и полость бетонируют.

С в а и «Р и ф о л» могут быть двух видов: с металлической оболочкой, непосредственно воспринимающей   удары   молота,   или   с   тонкостенной   оболочкой,

забиваемой в грунт сердечником. После достижения проектной отметки полость на высоту 1,2—1,5 м заполняют бетоном, обсадную трубу приподнимают на 1—1,2 м и заполняют бетоном доверху. Труба закрывается герметизирующим наконечником. Далее трубу снова забивают в грунт и в ее основании образуют уширение. Если грунт плотный, диаметр сваи уширяют путем трамбования первой порции бетона.

Сваи «Эксплоудид». Металлическая тонкостенная оболочка погружается в грунт с помощью деревянного сердечника. При достижении проектной глубины сердечник извлекают, в полость оболочки   опускают   заряд   ВВ, после

чего обсадную трубу заполняют бетоном. Затем трубу приподнимают, причем лопастный наконечник раскрывается, пропуская заряд ВВ и бетон. После подрыва заряда в трубу опускают следующие порции бетона, которые уплотняют деревянным сердечником. Такие сваи целесообразно устраивать в обводненных грунтах.

Сваи Янссена имеют надежную конструкцию железобетонного заострения, позволяющего проходить плотные глины с включением гравия. Оболочку сваи из стали толщиной 2 мм сваривают автогеном с обоймой заострения.

Сваи Пирлесса. Оболочка сваи такой конструкции состоит из железобетонных колец, причем нижнее кольцо опирается на полое заострение литого металлического башмака (15.21). Сердечником служит толстостенная стальная труба, опирающаяся на муфту диаметром большим, чем у трубы, благодаря чему при извлечении сердечника исключается его трение об оболочку. Кольца оболочки бетонируют после подъема сердечника. Такие сваи отличаются большой несущей способностью, как и другие сваи-оболочки.

Сваи Гау изготовляют путем забивки в грунт стальных толстостенных труб без башмака и удаления из них грунта. Такой метод применяют в США. Для изготовления свай длиной до 46 м используют трубы диаметром 25—30 см со стенками толщиной 5—15 мм. Грунт удаляют сжатым воздухом или совместным применением воздуха и воды.

В сваях конструкции Гау был впервые применен механический вращающийся уширитель пяты, принцип действия которого показан на 15.22. Грунт, разрабатываемый уширителем, извлекался на поверхность также с помощью воды. Идея образования уширенной

пяты механическим способом использована в технологии современных видов буронабивных свай.

Сваи  Раймонда   конической  формы,   предложенные в Польше в 1901 г., применяют в зарубежном строительстве до сих пор.   Такая     свая    (15.23) состоит из металлической тонколистовой обо-(1—1,5 мм),   усиленной приваренной спиральной обмоткой из 6— 7 мм проволоки /, навиваемой на специальный пустотелый сердечник заводского изготовления, точно пригнанный по размеру оболочки. Наружная стальная оболочка сердечника 2 разрезана на три части. Внутри сердечника вдоль всего его корпуса помещается конической формы стержень 3, имеющий клинообразные приливы и кулачки, распирающие оболочку сердечника при ударе молота по стержню. Металлический кожух вместе с сердечником забиваются в грунт, как свая.

Когда свая забита, стержень сердечника поднимается вверх, разрезные части сердечника сдвигаются (см. II —II на 15.23, б), и он легко извлекается. Внутреннее пространство забитой в грунт оболочки после тщательного осмотра с помощью лампы заполняют бетонной смесью.

На 15.23, а показана технологическая последовательность операций по изготовлению сваи: / — оболочка и сердечник подготовлены для забивки; II — сердечник   вставлен в оболочку; III — сердечник с оболочкой забит в грунт на требуемую глубину; IV — сердечник извлечен из оболочки; V — оболочка   за-

полняется бетоном (в данном частном случае в бетон верхней части сваи втоплена стальная арматура).

В США для оболочек стандартных свай Раймонда длиной до 12 м используют волнистый тонкий лист, усиленный спиралью. Диаметр башмака 200 мм, конусность 3,3 см на 1 м. В отличие от стандартных, сваи Раймонда длиной до 27 м выполняют в форме ступенчатых секций длиной по 2,5 м.

Сваи «Монотюб» применяют в США, Канаде и некоторых других странах. Оболочку свай готовят из волнистой листовой стали толщиной 3—8 мм и снизу закрывают стальным башмаком диаметром 200 мм. Конусность стандартных типов не превышает 3,3 см на 1 м при длине сваи до 7,5 м. Верхняя часть более длинных свай имеет незначительную конусность — 0,25 см/м. Максимальная длина свай достигает 40 м. Стальную оболочку забивают в грунт без сердечника и затем заполняют бетоном.

Для изготовления сваи Макартура с оболочкой, в отличие от описанных выше, используют сменные оболочки. В грунт забивают толстостенную трубу вместе со вставленным в нее сердечником. После извлечения сердечника в обсадную трубу опускают цилиндрическую тонкостенную оболочку, заполняют ее бетонной смесью, а трубу извлекают. Уширяют пяту трамбованием бетона в обсадной трубе до опускания в нее оболочки. Длина таких свай достигает 25 м.

Сваи Вестерн, как и сваи Макартура, выполняют с помощью инвентарной обсадной трубы, но забивают их без сердечника. Цилиндрическую оболочку длиной до 33 м опускают на бетонный башмак диаметром 43 см и заполняют бетоном. Уширенная пята образуется так же, как в свае Макартура.

Сваи Макартура и Вестерн применяют в некоторых странах Западной Европы и в США.

Заключение. При выборе типов фундаментов необходимо учитывать, что в определенных грунтовых условиях устройство фундаментов из забивных свай дает возможность на 10—15% снизить трудовые затраты в сравнении с фундаментами из бетонных блоков и ленточными.

Особенно эффективно использовать свайные фундаменты на слабых, просадочных и мерзлых грунтах. Но при этом высокая надежность и незначительная деформативность фундаментов и сооружений на нвдс обеспечиваются только при четком соблюдении технологической последовательности свайных работ.

Для правильного выбора средств механизации и технологии свайных работ необходимо проводить технико-экономический анализ вариантов имеющегося свайного оборудования с учетом местных грунтовых и гидрогеологических особенностей района строительства, а также возможностей изготовления средств механизации в мастерских СМУ. Как было показано в книге, наиболее высокую производительность труда при забивке свай обеспечивают полноповоротные маневренные машины и сваебойное оборудование с повышенной энергией удара, что позволяет, кроме того, увеличить расчетные нагрузки на одиночные сваи.

Постоянно увеличиваются в последние годы масштабы применения набивных свай для устройства фундаментов в соответствующих грунтовых условиях, особенно в промышленном строительстве. Можно ожидать, что из набивных свай в ближайшие годы больше

других будут применяться буронабивные, а из буронабивного оборудования — агрегаты типа СО и БСО.

Особенно эффективной следует считать технологию устройства набивных свай со свободным сбросом бетонной смеси в скважины. Высокие технико-экономические показатели достигаются также при устройстве набивных свай в скважинах, пробитых в грунте штампом, а также таких свай, в которых операции образования скважины и бетонирования объединены в один процесс.

Перспективным направлением следует считать также разработку и внедрение свай, изготовляемых в тонкостенных металлических или синтетических оболочках, вместо металлических, что позволит расширить область применения набивных свай в неблагоприятных грунтовых условиях.