Строительство и ремонт

Проектирование и устройство свайных фундаментов

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

На территории Советского Союза районы вечномерзлых грунтов занимают до 40% площади. Это указывает на важность поисков путей возведения надежных и экономичных фундаментов на мерзлых грунтах. Многочисленные исследования и опыт эксплуатации гражданских и промышленных зданий показали, что свайные фундаменты на вечномерзлых грунтах являются наиболее индустриальными, конструктивно надежными и экономичными в строительстве.

§ 1. Особенности конструкции

К мерзлым относят грунты, содержащие лед и имеющие постоянную отрицательную температуру. Мерзлые глинистые грунты обладают высокой прочностью, трудно поддаются механической обработке, но при оттаивании они превращаются в разжиженную массу с малой несущей способностью.

К свойствам мерзлых грунтов необходимо отнести также мгновенную и длительную прочность.

Мгновенной прочностью называют напряжение, вызывающее разрушение, грунта при мгновенном приложении нагрузки. Напряжения, вызывающие разрушение через определенный промежуток времени, называют длительной прочностью.

К числу типов свай, применяемых на вечномерзлых грунтах, относят сваи, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины и заполненные грунтовым раствором (7.1), сваи, установленные в предварительно оттаенные скважины с заливкой их грунтом, а также сваи, забиваемые в лидерные скважины (бу-розабивные) или без предварительной подготовки грунта.

Для строительства на вечномерзлых грунтах применяют деревянные, железобетонные и металлические сваи. По условиям передачи нагрузок сваи подразделяют на висячие (вмороженные в грунты) и сваи-стойки. Длина свай колеблется от 6 до 15 м.

Конструкции свай. Железобетонные сваи серии 1.011.3М применяют в районах с твердомерзлыми грунтами, имеющими температуру ниже минус 0,3° С. Сваи этой серии рассчитаны на несущую способность от 10 до 150 т.

Сваи серии 1.011-1 с дополнительным армированием, учитывающим усилия от морозного пучения, применимы в тех районах, где вечномерзлые грунты находятся в пластичномерзлом состоянии, такие сваи используются как забивные или бурозабивные.

Для рассредоточенных, сооружений рекомендуются металлические сваи с принятием мер по защите их от агрессивных надмерз-лотных грунтовых вод.

По форме поперечного сечения сваи выпускают квадратные, прямоугольные, восьмигранные, с заостренным и незаостренным нижним концом.

Налмерзлых грунтах наиболее эффективно работают восьми-гранныёхи круглые сваи сплошного сечения, поскольку при одинаковом поперечном сечении можно уменьшить диаметр скважины и одновременно увеличить несущую способность свай.

В зависимости от величины и направления нагрузок применяют вертикальные, наклонные и козловые сваи.

Ростверки по сваям целесообразно устраивать сборные. Устройство таких ростверков и укладка сборных плит перекрытий над вентилируемым подпольем не требуют температурных швов, что снижает стоимость работ. Высота между грунтом и низом ростверка должна обеспечивать вентиляцию подполья.

Для свайных фундаментов, возводимых по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов оснований, на период строительства нужно обязательно бурить температурные скважины наблюдения .за смерзанием свай с грунтом.

§ 2. Устройство скважин

Устройство скважин для свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах — одна из самых трудоемких операций, составляющая 70—80% от общих трудозатрат на устройство фундамента объекта.

Разработку скважин в мерзлых грунтах ведут машинам/ З' но-канатного, вращательного, ударно-вращательного и термомеханического бурения, а также бурением с помощью трубча/ых лидеров (буров), погружаемых сваебойными агрегатами.

Имея в виду, что конструкции свайных фундаментов на таких грунтах состоят из большого количества свай, на каДцом объекте следует подбирать механизмы для устройства скважин с учетом особенностей грунтов и обеспечения автономности работы машины и экономичной эксплуатации их.

Машины ударно-канатного бурения применяют редко из-за ограниченной маневренности, сложности перевозки и затруднения при наводке их на точку расположения сваи/ Более целесообразно применять в этих условиях машины ударно-вращательного и термомеханического бурения.

При лидерном способе проходки скважин сваи-лидеры погружают сваепогружающими механизмами, а извлекают с помощью тяговой лебедки базовой машины.

Способ бурения скважин выбирают с учетом метода погружения свай. Для погружения свай в скважины с заливкой грунтовым или песчаным раствором, независимо от того, как и чем образованы скважины, оборудование подбирают только с учетом мерзлот-но-грунтовых условий площадки и возможностей строительной организации. При бурозабивном способе погружения свай необходимы точные размеры скважин для забивки свай в соответствии с требованиями проекта.

Мерзлотно-грунтовые и технологические условия для выбора способа бурения и бурового оборудования охарактеризованы в табл. 7.1; сравнительные технические характеристики бурового оборудования для устройства скважин в вечномерзлых грунтах приведены в табл. 7.2.

Технология и механизация работ по устройству скважин подробно изложена в гл. 10 и 11.

§ 3. Погружение свай в вечномерзлые грунты

Способ погружения свай в вечномерзлые грунты выбирают с учетом физико-механических свойств грунтов, их среднегодовой; температуры, района строительства, времени года, требований к точности погружения свай и т. п.

Температура вечномерзлого грунта на глубине до 10—15 м в течение года изменяется, оставаясь все время отрицательной. Эти колебания температуры грунта происходят около некоторой среднегодовой величины.

Среднегодовую температуру вечномерзлого грунта определяют замером на глубине 10 м, где сезонные колебания незначительны.. С учетом этой температуры вечномерзлые грунты условно подразделяют на низкотемпературные (ниже —1,5° С) и высокотемпературные (от 0° до —1,5е С). Б зависимости от этого выбирают способ устройства свайных фундаментов, продолжительность вмерза-

ния свай и восстановления расчетных   температур   грунта   около-них, возможность и срок передачи на сваи расчетных нагрузок.

В условиях низкотемпературных (твердомерзлых) грунтов целесообразно использовать основания в мерзлом состоянии. Несущая способность сваи в них значительно выше, чем в высокотемпературных, а сроки вмерзания сваи и начала загрузки фундаментов значительно меньшие.

При устройстве фундаментов на высокотемпературных вечно-мерзлых грунтах'(в основном пластичномерзлых) требуется соблюдать особые меры предосторожности и до начала строительства проводить мероприятия с целью понижения температуры грунтов. При устройстве скважин большого диаметра требуется искусственно охлаждать грунт для вмораживания сваи, ибо естественное вмерзание их может продолжаться несколько месяцев, что удлиняет сроки строительства.

На 7.2 приведен график среднемесячных температур для районов с низкотемпературными вечномерзлыми грунтами, характерный для Якутска и Норильска, и рекомендуемые в этих условиях способы погружения свай.

На 7.3 показан график среднемесячных температур с высокотемпературными вечномерзлыми грунтами с большой амплитудой колебания температур на поверхности и перечислены рекомендуемые методы погружения свай в эти грунты.

Погружение свай в предварительно подготовленные •скважины с диаметром на 5 см больше диаметра сваи с заливкой скважин грунтовым раствором производят в технической/последовательности, указанной ниже: 1) бурят скважины при /температуре в зоне заделки сваи не выше —0,5° С, при большей температуре

работы допустимо выполнять при условии искусственного охлаждения грунта; 2) заливают грунтовый раствор в скважину при температуре, равной летней температуре наружного воздуха, или подогревают его до 20—40° С в зимний период; 3) после заполнения скважины грунтовым раствором в нее сразу погружают сваи. При работе летом и осенью для исключения заплывания скважин грунтом их устья следует обсаживать на глубину, равную толщине оттаявшего слоя мерзлого грунта. Сваи, погруженные в скважины, рихтуют для обеспечения проектного и высотного положения.

Глубина     проходки скважины должна быть

равна длине сваи или несколько большей. Излишний грунт можно заменять песком, щебнем или другим сыпучим малосжимаемым материалом.

Для заливки скважин применяют глинистые растворы с песчаными заполнителями. Раствор должен состоять из 1 части глинистого грунта и 4—12 частей песка, влажность раствора составляет 25—40%, осадка конуса 10—16 см. Раствор заливают до погружения сваи. Качество заполнения пазух скважин контролируется отжимаемым на поверхность раствором.

От подбора состава глинистого раствора зависит продолжительность вмерзания свай и сроки начала передачи нагрузок на сваи. При температуре грунтов —5° и ниже глинистый раствор замерзает несколько дней, при температурах же грунтов в зоне за-

делки —0,5—1° С вмерзание свай может длиться несколько месяцев..

Прочность смерзания сваи с грунтовым раствором эквивалентна, характеристикам несущей способности сваи; она зависит от состава и влажности раствора, а также температуры грунта.

Желательно, чтобы прочность смерзания сваи с грунтами естественного сложения была не меньше прочности смерзания ее с грунтовым раствором. Если прочность смерзания сваи с грунтами естественного сложения будет меньше, чем с грунтовым раствором, появится прослойка более слабого грунтового раствора, снижающая несущую способность сваи.

В мерзлых песчаных грунтах применение глинистых растворов-снижает несущую способность сваи на 25—30% вследствие уменьшения сопротивления по боковой поверхности при полном использовании высокой прочности песчаных грунтов в торце сваи.

Размельченный и разжиженный грунт (буровой шлам), извлекаемый в летнее время из скважин ударно-канатными машинами., применяют в качестве глинистого раствора. Если буровой шлам. состоит из песка, в раствор добавляют глину.

В районах с низкотемпературными грунтами погружать сваи с оттаиванием мерзлого грунта можно в течение всего года В тех районах, где температура грунта близка к —1° С, работы вести допускается с января по сентябрь, когда температура грунта в зоне свай превышает —1,5° С. В период с октября по декабрь погружать. сваи с оттаиванием грунта нецелесообразно, так как нижняя часть их будет находиться в зоне с температурой около —1° С и процесс вмерзания будет проходить длительно.

При промерзании грунта сверху может возникнуть опасность выпучивания грунта снизу вместе со сваей.

Скважины для установки свай можно образовывать методом оттаивания. Оттаивают грунт с применением пара, воды открытыми или закрытыми нагревателями.

В закрытых нагревателях вода или пар не поступают в грунт„ а циркулируют в замкнутых системах, погружаемых в пробуренные скважины диаметром 10—15 см.

В пластичномерзлые грунты для небольшой глубины оттаивания (до 6—7 м) нагреватели можно погружать в мерзлый грунт забивкой.

Паровая игла для оттаивания вечномерзлого грунта обычно погружается под действием собственной массы, а в песчаные грунты— от усилия 1—2 рабочих. Поступающий пар оттаивает мерзлый грунт и перемешивает его. При температуре у наконечника порядка 90° С разогреваемый грунт, соприкасаясь с мерзлым, как бы омывает его, вызывая интенсивное оттаивание. Сравнительно быстрый процесс оттаивания грунта мало влияет на температуру окружающих грунтов (7.4)

Процесс погружения свай в оттаянные грунты в два раза де< шевле, чем в пробуренные скважины. Но процессом оттаивания грунта трудно управлять: сваи вмерзают неравномерно и медленно. Ориентировочные сроки продолжительности вмерзания свай приведены в табл. 7.3.

Увеличить несущую способноеть сваи можно повышением прочности смерзания грунтового раствора со сваей, что до 25% увеличивает сопротивление по ее боковой поверхности.

Бурозабивные сваи погружают в пластичномерзлые грунты в образованные лидирующие скважины при температуре грунта не ниже —0,3° С для пылеватых песков, —0,8° — для супесей, —1°— для суглинков и —1,2° С — для глин.

Расчетную несущую способность бурозабивных свай определяют по нормативным сопротивлениям мерзлого грунта сдвигу и нормальному давлению. При этом целесообразна выборочная проверка фактической несущей способности с помощью статического испытания свай.

Применение бурозабивных свай позволяет уменьшить объем буровых работ, исключает   мокрые   процессы, обеспечивает   точное

погружение сваи в плане. Облегчить погружение бурозабивных свай можно предварительным оттаиванием грунта у стенок скважины на несколько сантиметров.

Метод погружения забивных свай в вечномерзлые грунты наиболее экономичен. Для этих целей используют машины ударного или виброударного действия на базе трактора Д-804. Погружать забивные сваи можно на площадках, где над несущим слоем грунта залегают пластичномерзлые глинистые грунты без крупнообломочных включений. Забивные сваи погружаются под действием ударов, от влияния которых лед под острием сваи плавится и одновременно уменьшается прочность грунта. Образующийся вокруг тела сваи тонкий слой оттаявшего грунта облегчает погружение и одновременно ускоряет процесс вмерзания сваи в грунт.

Вследствие сложности возведения свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах авторский (или заказчика) контроль необходимо вести на всех стадиях производства работ с оформлением промежуточных актов их приемки.