Строительство и ремонт

Проектирование и устройство свайных фундаментов

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

§ 1. Назначение и работа свай в грунте

Сван представляют собой погруженные в грунт или изготовленные в пробуренных в грунте скважинах тонкие стойки, которые передают нагрузку от сооружения на более плотные слои грунта. По длине сваи могут иметь постоянное сечение (призматические и цилиндрические) или переменное (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные). По форме поперечного сечения сваи различают квадратные, прямоугольные, круглые, треугольные, трубчатые, трапецеидальные.

Забитые в грунт сваи перекрывают балкой или плитой, называемой ростверком. Ростверк служит для взаимной связи свай между собой и обеспечивает выравнивание их осадки под нагрузкой. В зависимости от материала свай и положения постоянного уровня грунтовых вод ростверки выполняют из дерева, бетона или железобетона.

Различают свайные фундаменты с высоким и низким ростверком (1.1). При высоком ростверке подошва его не соприкасается с поверхностью грунта. Такие ростверки устраивают в тех случаях, когда поверхность грунта покрыта водой (например, при строительстве набережных, мостовых опор и т. д.). На высоких ростверках можно размещать также гражданские здания (например, при устройстве технического подполья).

В промышленном и гражданском строительстве чаще всего применяются низкие ростверки. Отметка заглубления низкого ростверка в грунт зависит от наличия подвалов и проходящих в них подземных коммуникаций, возможности пучения грунтов, глубины заложения соседних фундаментов и ряда других причин.

Вися ч и е с в а и, называемые также сваями трения, опираются острием на сжимаемые грунты и передают нагрузку на грунт как по площади поперечного сечения, так и по боковой поверхности свай, взаимодействующей с окружающим грунтом

§ 2. Основы классификации свай

Для устройства свайных фундаментов применяют сван, различающиеся по материалу, положению в вертикальной плоскости, форме поперечного и продольного сечений, способу изготовления и погружения в грунт. В зависимости от материала сваи могут быть деревянными,   металлическими,   бетонными   и  железобетонными.

В последнее время начали применять грунтобетонные, грунтовые и песчаные сваи,   подробно   рассматриваемые  во  втором    разделе книги.

По положению в вертикальной плоскости различают сваи вертикальные и наклонные. Наклонные сваи служат для воспринятая горизонтальных нагрузок.

По условиям изготовления сваи подразделяют на две группы: сваи готовые (1.3, а, е), погружаемые в грунт забивкой, вдавливанием, ввинчиванием и т. д., и набивные сваи (1.3, б, в, г, д), изготовляемые непосредственно в скважине, предварительно пробуренной или пробитой в грунте.

Поперечное сечение свай может быть сплошным (полнотелые сваи) пли полым'(пустотелые сваи и сзаи-оболочки). Принципиального    различия     между    пустотелыми     сваями    и   сваями- оболочками нет. Обычно при диаметре (стороне) поперечного сечения сваи до 800 мм и наличии внутренней полости сваи называют пустотелыми. При тех же условиях, но при диаметре более 800 мм сваи относят к сваям-оболочкам.

Пустотелые сваи и сваи-оболочки могут быть с открытым пли с закрытым нижним концом, что сказывается на способе производства работ и на несущей способности сваи.

Для повышения несущей способности набивных свай в нижних концах их устраивают уширенные пяты (разбуриванием или камуф-летным взрывом). Уширенные пяты могут иметь и забивные сваи.

Для изготовления металлических свай используют цельнотянутые трубы диаметром 30—100 см и более. Иногда для этого применяют двухтавровые балки пли сваривают из двух шпунтпн корыт-ного профиля трубобетонные сваи. Трубы большого диаметра погружают в грунт чаще всего с применением подмыва. Погруженную в грунт трубу заполняют бетоном. Такая трубобетонная свая при опирании на твердый грунт может обладать несущей способностью 250—300 т.

Разновидностью металлических свай являются винтовые, которые могут иметь длину до 40 м, а диаметр винтовой лопасти до 2,4 м. Несущая способность винтовых свай достигает 400—500 тс. Их ввинчивают в грунт с помощью кабестана (особого вида лебедки).

Преимущество винтовых свай заключается в возможности быстрого ввинчивания без толчков и сотрясений. Кроме того, винтовые сваи одинаково хорошо сопротивляются  сжатию  и выдергиванию.

Опыт строительства в СССР показал, что в ряде случаев применять винтовые сваи экономически более выгодно, чем забивные железобетонные.

В последние годы разработаны конструкции свай, в которых металлическая оболочка заменена сборной железобетонной. Погружают такие сваи с помощью размещаемого внутри оболочки стального сердечника, который соединен с винтовой лопастью. После ввинчивания оболочки сердечник отсоединяют и используют для> погружения других свай. Ввиду того, что металлические сваи в зоне переменной влажности подвергаются коррозии, для защиты их окрашивают, обмазывают битумами, каменноугольными смолами, а также покрывают специальными антикоррозийными пленками.

Винтовые лопасти свай можно изготовлять из чугуна, стали, железобетона, пластмасс и стеклопластиков. Последние обладают большой механической прочностью, не подвержены коррозии и хорошо обрабатываются. Лопастям из стеклопластика можно придать любую форму, гладкую поверхность, что резко уменьшает коэффициент трения по грунту при ввинчивании сваи.

Готовые сван изготовляют нескольких типов, тогда как конструкции набивных свай весьма разнообразны. Возможно комбинирование различных методов устройства ствола свай и уширенной пяты.

§ 3. Характеристика отдельных видов забивных свай

Дер ев я ни ы_е... ев а и изготовляют из бревен хвойных пород. Такие сваи могут быть цельными, изготовляемыми из одного брев-ка, и срощенными по длине из двух бревен. Сращивать сваи более

чем из двух бревен не допускается (1.4). Применяют также пакетные сваи, сплоченные из нескольких цельных или срощенных по длине бревен или брусьев, а также клееные из досок толщиной 3—5 см.

Диаметр бревен для цельных и составных свай в тонком отрубе должен быть в пределах 22—34 см, а их длина — 6,5 и 8,5 м. Применять для деревянных свай брезна длиной более 8,5 м можно, только по соглашению с предприятием-изготовителем свай.

Применять деревянные сваи целесообразно в тех районах, где древесина является дешевым строительным материалом и при условии, что головы свай после срезки всегда будут находиться на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды. При устройстве ростверка из древесины верхняя плоскость деревянного ростверка также должна быть заглублена на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды.

Перед забивкой нижние концы деревянных свай заостряют, придавая им форму трех- или четырехгранных пирамид при общей длине заострения. 2<i + 5 см, где d — диаметр сваи. Поэтому заготовительная длина сваи должна быть больше расчетной на величину острия и срезаемого участка. При прохождении плотных грунтов, а также имеющих твердые прослойки и включения на острие сваи надевают металлический башмак, на голову же ее — металлическое кольцо (бугель). При погружении деревянных свай вибраторами головам свай придают формы с учетом конструкций вибраторов (1.5).

При изготовлении деревянных свай бревна очищают от коры, наростов и сучьев. Естественную конусность (сбег) бревен сохраняют.

Стыки бревен в срощенных по длине и в пакетных сваях устраивают впритык, соединяя их металлическими накладками или патрубками. Стыки бревен в пакетных сваях должны располагаться вразбежку на расстоянии друг от друга не менее 1,5 м.

Забивные железобетонные сваи и свап-оболоч-киТфименяют в различных конструктивных вариантах; изготовляют их из обычного или предварительно напряженного железобетона.

В настоящее время применяется номенклатура железобетонных свай сплошного квадратного сечения с поперечным армированием ствола. Кроме квадратных свай изготовляют сваи прямоугольного сечения размерами 200><400 и 250X500 мм.

В последние годы НИИ оснований и подземных сооружений совместно с экспериментально-конструкторским бюро ЦНИИСКа разработаны конструкции свай без поперечного армирования, что позволяет уменьшить расход стали в 2—4 раза по сравнению с расходом ее на предварительно напряженные сваи других конструкций.

При изготовлении сваи предварительное напряжение продольной арматуры'производят в форме.

Испытания предварительно напряженных свай без поперечной арматуры показали, что их прочность и трещиностойкость практически не зависят от места размещения стержней арматуры и определяются только расположением центра тяжести сечения. По этой причине арматуру в сваях размещают в центральной зоне сечения.

Армирование свай лишь в центральной зоне позволяет сущест* венно сократить расход металла, поскольку арматуру нужно ставить только по расчету, а не по конструктивным соображениям. Главное же преимущество такого способа армирования — упрощение технологии изготовления свай. Вместе с тем отсутствие поперечной арматуры иногда приводит к поломке свай в процессе погрузки и транспортирования..

Армирование стволов свай без поперечной арматуры производят высокопрочной проволокой класса Вр-П диаметром 5 мм (по 2—3 нити), стержневой стальной арматурой класса A-IV, термически упрочненной сталью класса Ат-V ИЛИ прядевой арматурой из семнпроволочных прядей класса П-7.

Для изготовления свай без поперечного армирования ствола применяют бетон М300, причем прочность бетона при отпуске натяжения арматуры должна быть не менее 200 кгс/см2, т. е. не менее 70% проектной прочности.

Сваи без поперечного армирования (серии 1.031—6, вып. 1) изготовляют сечением 200X200, 250x250 и 300x300 мм и длиной от 3,0 до 12,0 м.

Расчет свай без поперечной арматуры ведут.на величину контролирующего напряжения арматуры, которое принимают равным «Ra —для свай со стержневой арматурой класса A-IV; 0,8 Ra — для свай со стержневой арматурой класса Ат-V И 0,75 i?a — для свай с проволочной и прядевой арматурой. Потери предварительного напряжения арматуры при пропаривании принимают равными 800 кгс/см2.

Подбор сечений и определение количества свай без поперечного армирования ведут по тем же формулам и расчетным положениям, что и расчет обычных Железобетонных свай с поперечным армированием.

Сваи без поперечного армирования можно применять только как висячие, погружаемые в пески, рыхлые и средней плотности, в супеси пластичной и текучей консистенции, в суглинки и глины тугопластичной, мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции. Не допускается применять сваи без поперечного армирования, а также использовать их в качестве свай-стоек при наличии плотных песков и глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции. Погружают такие сваи забивкой молотами или вдавливанием; погружать их с помощью вибраторов не допускается. При забивке молотами оголовникп их должны иметь деревянную или какую-либо иную упругую прокладку.

Железо б етонные полые (пустотелые) сваи изго-товляют квадратного или круглого сечения. Сваи квадратного сечения делают   размерами   250x250, 300X300 и 400X400 мм при

толщине стенок не менее 70 мм. Полые сваи круглого сечения (цилиндрические) делают с наружным диаметром 400, 500, 600 и 800 мм при толщине стенки не менее 80 мм (1.7), а сваи-оболочки— диаметром 1000, 1200 и 1600 мм.

Полые сваи квадратного сечения применяют для устройства свайных фундаментов любых зданий и сооружений, кроме гидротехнических. Внутреннюю полость свай не заполняют, если сваи погружены на всю длину в грунт, а уровень грунтовых вод находится ниже глубины промерзания или когда сваи расположены в незамерзающем    грунте.

Полые круглые сваи и сваи-оболочки рекомендуется применять для устройства свайных фундаментов в сейсмических районах, а также при передаче на них горизонтальной нагрузки больше Зт и при строительстве на слабых грунтах

Нижние концы полых свай могут быть тупыми или с наконечниками, в которых иногда устраивают отверстия для погружения свай с подмывом. Наличие в полых сваях как открытых, так и закрытых нижних концов позволяет широко варьировать способы их погружения. В гидротехническом строительстве и мостостроении широко применяют железобетонные сваи-оболочки диаметром до 5—6 м.

Такие оболочки после погружения в грунт вибратором заполняют бетоном (часто с установкой арматурного каркаса), в результате чего несущая способность свай увеличивается.

Сборные железобетонные сваи трубчатой конструкции собирают из элементов, изготовленных на полигоне или в заводских условиях. Эти сваи, по существу, вытеснили стальные  оболочки. Фун-

даменты из сборных железобетонных свай, как правило, экономичнее цельных. Особенно широко применяют трубчатые сваи в морском портовом строительстве.

На свайные фундаменты гидротехнических сооружений обычно не передаются сосредоточенные нагрузки, и поскольку сваи применяют в массовом количестве, они должны быть просты по своей конструкции и дешевы. Этим требованиям удовлетворяют железобетонные трубчатые сваи диаметром 0,6—2,0 м с грунтовым ядром. Погружают такие сваи вибропогружателями с открытым нижним концом, т. е. без удаления грунта, проникающего в полость. Под подошвой сваи создается уплотненный массив грунта, который наравне со стенками воспринимает часть нагрузки от сооружения.

Несущая способность по грунту железобетонных свай с ядром. достигает 1000 т и более.

В зависимости от длины полая железобетонная свая может состоять из секций по 4—8 м каждая. Характер уплотнения грунтового ядра в большой степени зависит от формы ножа сваи. Как показали исследования, наибольшее уплотнение обеспечивает нож, скошенный внутрь.

§ 4. Размещение свай в фундаменте

Ростверки — плиты, объединяющие головы свай и обеспечивающие их совместную работу, изготовляют чаще всего из бетона или железобетона. Деревянные ростверки устраивают редко. По форме в плане ростверк в основном повторяет план опорных частей сооружения или здания, для которого проектируют свайный фундамент. В зависимости от размеров и формы свайного фундамента в плане сваи могут образовывать свайный куст, полосу или свайное поле.

Свайный куст объединяет сравнительно небольшое количество свай, при этом соотношение сторон ростверка в плане составляет не более 1 :5. Свайные кусты устраивают как фундаменты под колонны, стойки и отдельные высокие сооружения (например, дымососные трубы).

Свайные полосы образуют для фундаментов большой протяженности в одном направлении под стены гражданских и промышленных зданий (ленточные фундаменты), под фундаменты набережных и т. д.

Свайное поле от свайного куста отличается только размерами и количеством свай. Свайное поле делают, например, под фундаменты мостовых опор,, гидротехнических сооружений и некоторых зданий и сооружений на сплошном ростверке по всей их площади.

Сваи размещают рядами или в шахматном порядке (1.8). При небольшом числе свай их обычно размещают в два ряда, для обширной подошвы ростверка — в шахматном порядке. Расстояние от крайних осей свай до кромки ростверка принимают равным диаметру сваи.

§ 5. Конструкции свайных ростверков и безростверковые фундаменты

Бетонные и железобетонные ростверки устраивают монолитными и сборно-монолитными. Для устройства монолитных ростверков промышленных и гражданских зданий и сооружений применяют бетон МЛ50; для опор мостов, гидротехнических сооружений и опор больших переходов линий электропередачи — бетон М200. При устройстве сборных ростверков применяют соответственно бетон марок 200 и 300. Минимальная толщина ростверков в фундаментах промышленных и гражданских зданий и сооружений составляет 0,6— 0,7 м, в фундаментах мостовых опор — 1,5—2,0 м. Сборные железобетонные ростверки имеют меньшую толщину, определяемую по расчету.

Головы свай должны быть прочно связаны с ростверком. С этой целью у свай обнажают арматуру не менее чем на 25 см при работе их на вертикальную нагрузку и на 40 см — при горизонтальной нагрузке. Головы свай заделывают в бетон ростверка соответственно не менее чем на 5 и 10 см.

Если железобетонный ростверк устраивают по деревянным сваям, то головы свай заделывают не менее чем на 30 см. В опорах мостов-головы свай заделывают в ростверк не менее чем на удвоенную толщину ствола сваи.

Свес железобетонного ростверка, т. е. расстояние от края ростверка до ближайшей наружной грани сваи должен быть не менее 5 см. Отклонения сваи в плане от проектного положения в однорядных свайных фундаментах допускается не более 0,2 диаметра сваи, в кустах и лентах с двух- и трехрядным расположением свай — 0,3 диаметра и в свайных полях — 0,4 диаметра сваи.

Поскольку такие отклонения свай от проектной оси возможны, дополнительное требование состоит в том, чтобы свес ростверка составлял не менее 0,15 диаметра сваи и не менее 5 см. В фундаментах мостовых опор свес ростверка должен быть не менее 25 см. Свес ростверка не следует делать более 0,5 диаметра свал, так как в этом случае ухудшаются условия передачи нагрузки от сооружения на сваи.

Выпуски арматуры свай следует приваривать к арматуре ростверка или заделывать в сжатую зону бетона.

Вместо монолитных ростверков нередко экономически выгодно устраивать сборные ростверки. При устройстве их требуется особенно тщательно забивать сваи, так как допуски отклонения свай от проектной оси здесь меньшие. Головы свай в сборных ростверках скрепляют монолитно сваркой закладных деталей и заливкой цементным раствором.

Вследствие ряда недостатков, имеющихся в конструкциях сборных ростверков, были разработаны конструкции сборно-монолитных ростверков, в которых основная часть сборная, а головы свай заделывают в ростверк при помощи монолитной заливки бетоном.

Экспериментально проверено, что при малых горизонтальных нагрузках на головы свай в жилых домах можно обойтись без за-моноличивания ростверка. В таких случаях головы свай тщательно срезают под один уровень, потом на них укладывают слой цементного раствора, а по нему балки или плиты ростверка.

1.10. Конструкции свайных фундаментов под отдельные колонны зданий и сооружений;

При возведении каркасных сооружений в тех случаях, когда вся нагрузка от колонны может быть воспринята одной сваей, ростверк не устраивают, а всю нагрузку передают непосредственно на сваю. Сваи здесь применяют полнотелые и пустотелые. Сопрягают колонны с полнотелыми сваями с помощью специальных сборных муфт, а с пустотелыми — с помощью специальных стаканов, размещаемых в полости свай.

Конструкции монолитных ростверков под отдельные колонны зданий и сооружений показаны на 1.10. Особенностью таких ростверков является применение стакана для одно- и двухветвевых сборных колонн.

Таким образом, в зависимости от типа зданий и сооружений и характера нагрузки, передаваемой на основание, применяют конструкции монолитных ростверков, сборных, сборно-монолитных, а также и безростверковое опирание.

Выбор типа сопряжения свай с несущими конструкциями здания или сооружения зависит от конструктивной схемы сооружения, наличия и величины горизонтальных нагрузок, передаваемых на го-ЛОВЫ спай, а также соотношения между вертикальными и горизонтальными нагрузками.