- •1.1. Основные понятия, классификация фундаментов и оснований
- •1.2. Развитие и особенности современного фундаментостроения
- •ГлаваIi естественные основания
- •11.3. Расчет деформаций естественных оснований
- •Глава III искусственно укрепленные
- •Глава IV конструкция и расчет
- •IV.!. Материал фундаментов
- •Глава V. Постройка фундаментов
- •У.7. Осушение котлованов
- •Глава VI конструкция свайных
- •VI. 1. Классификация свай
- •У11.2. Погружение свай
- •Глава VIII. Несущая способность свай
- •1Х.4. Проверка несущей способности фундаментов и перемещений опор
Глава VI конструкция свайных
ФУНДАМЕНТОВ И СВАЙ
VI. 1. Классификация свай
Основным конструктивным элементом свайного фундамента являются сваи. Сваи передают на грунты нагрузки от сооружения и обеспечивают его устойчивость и жесткость.
В зависимости от материала, формы, конструкции, способа изготовления и условий работы можно выделить следующие основные виды свай.
По материалу сваи могут быть деревянными, железобетонными, бетонными и стальными, а также комбинированными из стальной оболочки (трубы), заполненной бетоном (такие сваи называют сталебетонными). Иногда применяют сваи, составленные по длине из разных материалов, преимущественно из дерева в нижней части и из железобетона или из стальных труб, заполненных бетоном, в верхней части.
Поперечное сечение свай может быть круговым, прямоугольным, квадратным, многоугольным и кольцевым. Значительно реже встречаются более сложные формы сечения, например двутавровые, коробчатые и т. д.
В профиле сваи бывают коническими, цилиндрическими, призматическими, пирамидальными и ромбовидными, а также неправильного очертания, меняющегося по длине сваи. Нижний конец сваи может быть заострен, оставаться плоским или иметь уши-рение (пяту).
Ствол сваи может быть сплошным и пустотелым. Пустотелые железобетонные и стальные сваи после погружения в грунт обычно заполняют бетоном, реже — песчаным грунтом или оставляют незаполненными.
Наибольшее распространение получили сваи полностью или частично изготовленные заранее, принудительно погружаемые в грунт в готовом виде. Примером таких свай служат деревянные сваи, железобетонные сваи сплошного сечения, а также сваи из железобетонных или стальных труб-оболочек. Такие сваи погружают в грунт, забивая их или завинчивая. В первом случае сваи называют забивными, во втором — винтовыми. Кроме принудительно погружаемых свай, в мостовом и промышленном строительстве применяются сваи, для изготовления которых предварительно в грунте бурят скважины. Такие сваи носят название буровых. При этом если пробуренные скважины заполняют бетонной смесью, то сваи называют набивными, а при заполнении скважин заранее изготовленным железобетонным элементом — буроопускными.
149
■Рис. VI.1. Виды свай:
/—сплошная свая; 2 — трубчатая свая; 3 — грунт (песок); 4 — буровая скважина; 5—бетон
6. Сваи подразделяются на собственно сваи, сваи-оболочки и сваи-столбы. К сваям (рис. VI.1, а—в) относятся сплошные сваи и оболочки (железобетонные и стальные), погружаемые с закры тым или открытым нижним концом, но без удаления грунта из внутренней полости, с размерами поперечного сечения до 0,8 м включительно. Сваями-оболочками (рис. VI. 1, г, д) назы вают пустотелые цилиндрические оболочки диаметром более 0,8 м, погружаемые всегда с открытым нижним концом и удалением" грун та из внутренней полости. Характерная особенность свай и оболо чек — принудительное погружение их в грунт даже и тогда, когда погружение облегчается предварительным разбуриванием лидер- ных скважин (см. рис. VI.!, в, д). В последнем случае сваи или оболочки после установки в скважины допогружают в грунт за бивкой.
Принудительное погружение сваи сопровождается уплотнением грунта, так как при таком погружении свая вытесняет грунт в объеме, равном объему сваи. Особенно значительное уплотнение достигается под нижним концом забивной сваи. Оболочки уплотняют грунт в меньшей -степени.
Сваи сооружаемые в грунте с помощью предварительного бурения скважин, иазывают сваями-столбами. Пробуренные скважины заполняют бетонной смесью (рис. VI. 1, е) или заранее изготовленным элементом (рис. VI.1, ж), но без последующего принудительного допогружения его в грунт. При изготовлении свай-столбов уплотнения грунта не происходит. При большом их диаметре, особенно в уровне нижних концов, грунт может даже разуплотняться, что снижает его несущую способность по сравнению со сваями и оболочками.
Если скважины бурят с помощью обсадных неизвлекаемых труб или железобетонных оболочек, то свая называется бурооб-садным столбом (рис. VI.!, з).
7. Если свая опирается на практически несжимаемый грунт (скалу, крупнооболочные отложения с песчаным заполнением, гли ны твердой консистенции), то действующие на сваю продольные
450
силы передаются грунту только ее нижним концом. Такая свая называется сваей-стойкой. Если же под сваей располагается сжимаемый грунт, то продольная сила передается грунту не только нижним концом, но и боковой поверхностью сваи, по которой развиваются силы трения. Такие сваи называются висячими или сваями трения.
В фундаменте сваи могут быть расположены вертикально или наклонно. Наклонное расположение применяют для увеличения жесткости (в горизонтальном направлении) свайного фундамента.
Кроме продольных сжимающих сил, сваи могут испытывать выдергивающие усилия. Выдергиванию свай, называемых в этом случае анкерными, оказывают сопротивление силы трения, а при уширенном конце— и вес вышележащего грунта. Сопротивление выдергиванию значительно меньше сопротивления сжатию.
У1.2. КОНСТРУКЦИЯ ЗАБИВНЫХ СВАЙ
В транспортном и промышленном строительстве применяют сваи различной конструкции.
Деревянные сваи. Их изготовляют из леса хвойных пород, преимущественно из сосны, не ниже второго сорта (по ГОСТ 9463—72) с вполне здоровой древесиной, со сбегом (коничностью) не более 1 см на 1 пог. м. Кривизна бревен допускается только односторонняя не более 1 %. Рекомендуется применять лес зимней рубки. Влажность леса не ограничивается. Бревна очищают от коры, сучьев и наростов. Естественную коничность сохраняют, если она не мешает погружению свай; в противном случае, например при погружении в каркасах, бревна цилиндруют. Диаметр деревянных свай в тонком конце должен быть не менее 18 см. Длина свай обычно составляет от 4,5 до 8,5 м. Более длинные сваи (свыше 8,5 м) дефицитны и дороги, и лес для них заготовляют только' по особому заказу.
Сваи погружают в грунт тонким концом. Для облегчения погружения этот конец заостряют, придавая ему форму четырехгранной или трехгранной пирамиды с притуплённой вершиной (рис. У1.2, а). В зависимости от плотности грунтов заострение нижнего' конца сваи делают высотой от 1,5 до 2 диаметров. Если сваю забивают в плотные грунты или грунты, содержащие твердые включения (прослойки гравия, гальки и пр.), острие сваи защищают от повреждений стальным трехгранным башмаком (рис. VI.2, б). Башмаки прикрепляют к свае коваными гвоздями; отверстия для гвоздей в лапках башмака делают продолговатыми, чтобы гвозди не препятствовали обмятию древесины при забивке сваи. Заострение должно быть выполнено строго по продольной оси сваи, в противном случае свая при погружении в грунт будет уходить в сторону.
Верхний конец сваи (голову) обрезают перпендикулярно-к продольной оси и при забивке молотами одиночного действия ук-
151
' г ИЗ ДОСОК
/ — бугель; 2 — кованые гвозди; 3—-стальные накладки; 4 — болты; 5 — штырь
репляют от раскалывания и размочаливания бугелем из полосовой стали размером 50X12—100x20 мм. Бугель насаживают на голову сваи в горячем состоянии с тем, чтобы, остывая, он плотно сжал древесину.
При отсутствии длинномерного леса бревна наращивают. По длине сваи разрешается иметь не более одного стыка. Стык (рис. У1.2, е) делают в торец, ставя по оси бревен штырь, и перекрывая его стальными полосовыми или уголковыми накладками длиной от 2,5 до 3 диаметров сваи. Накладки прикрепляют болтами диаметром 19—25 мм или заершенными коваными гвоздями. Стыки нужно располагать так, чтобы после забивки свай они находились на глубине не менее 2—3 м от поверхности грунта, а стыки смеж-
ных свай были в разных уровнях на взаимном расстоянии по высоте не менее 0,75 м.
При необходимости забивки длинных свай (до 25 м) большой несущей способности применяют пакетные деревянные сваи (рис. У1.3, а), сплоченные из трех или четырех бревен (рис. У1.3, б). Бревна соединяют между собой болтами или нагелями. Стыки бревен располагают вразбежку на взаимном расстоянии не менее 1,5 м и не менее 6с? (где й — диаметр бревен). Стыки перекрывают стальными полосовыми накладками. Заострение пакетной сваи делают общим на все бревна и укрепляют стальным башмаком. На голову сваи насаживают общий бугель.
Геометрические характеристики поперечных сечений пакетных свай приведены в табл. VI.1.
Большой расход металла .на пакетные сваи ограничивает их применение. Значительно перспективнее клееные сваи (рис. У1.3, в), составляемые из досок или брусьев, склеенных между собой специальными водостойкими составами. Клееные сваи применяются в портовом строительстве; с развитием клееных мостовых
Таблица VI.!
Геометрические характеристики сечения
Периметр
Поперечное сечение пакетной деревянной
Площадь
Момент инерции
6,28й
2,22^2
0,423й4
7,33й
2,96^2
0,780^4
2,57й2
6,28й
0,707(1
0,548^4
8,0а
4,00а2
1,33а4
153
~5
А
деревянных конструкций они найдут применение и в мостострое-
Деревянные сваи просты в изготовлении и имеют небольшой вес, что упрощает их транспорт и погружение в грунт. Недостатками их являются ограниченная длина, сравнительно небольшая несущая способность, трудность погружения в плотные грунты" Деревянные сваи должны быть всегда погружены в грунт ниже уровня грунтовых вод, так как в условиях переменной влажности* древесина быстро загнивает (особенно в песчаных грунтах); при низком уровне грунтовых вод это может привести к столь глубок кому заложению плиты фундамента, что применение деревянные свай станет невыгодным.
Железобетонные сваи. В мостостроении преимущественно применяют железобетонные призматические сваи сплошного сеченая* и сваи цилиндрические полые.
Сплошные сваи делают с обычной или напрягаемой арматурой из бетона не ниже М-250 для обычных свай и М-400 для предварительно напряженных. Сечение свай квадратное размерами
|
Л1 |
А |
|
| ||
/ |
|
|
|
|
\ | |
* |
|
|
|
1 |
Й | |
|
|
|
|
|
« | |
|
|
|
|
|
^ | |
|
|
|
|
|
Й | |
& |
|
|
|
1 |
й | |
ч |
|
|
|
|
/ | |
70 |
55 |
0 |
55 |
70 |
| |
|
|
|
|
7 |
т |
30X30, 35X35 и 40X40 см. Значительно реже применяют сваи прямоугольного сечения 25X30, 30X35 и 35X40 см.
В сваях без преднапряжения, изготовляемых длиной от 6 до 18 м, продольная (рабочая) арматура ставится в количестве от четырех до двенадцати стержней диаметром от 12 до 28 мм класса А-П (рис. У1.4). Число стержней и их диаметр зависят от размеров сваи и требуемой прочности по стволу.
Стержни сосредоточивают в углах сваи, сваривая их в пакеты из двух стержней при общем ко личестве 8 шт. или из трех при 12 шт. По длине сваи число стер жней и их диаметр может менять ся в соответствии с эпюрой возни кающих изгибающих моментов. Стержни стыкуют электросвар кой (способом оплавления). За щитный слой арматуры — не ме нее 3 см, а для северной клима тической зоны —5 см. Располо жение продольной арматуры в уг лах сваи обеспечивает механиза- Рис. М1А. Конструкция железобетон- Дию изготовления арматурного «ой сваи каркаса, позволяя применить
154
спиральную поперечную арматуру. Последняя делается из катанки класса А-1, диаметром 6— 8 мм. Шаг спирали принимается равным 15—20 см, а у концов сваи, где возникают наибольшие напряжения при забивке—10 и
Рис. VI.5. Арматурный каркас сваи
см. Голову сваи укрепляют сетками из проволоки диаметром
мм с ячейками 5x5 см. В острие сваи продольную арматуру отгибают, приваривают к центральному осевому стержню и заводят в обойму '(рис. VI.5).
Для выполнения монтажных операций (складирования, перевозки, установки под сваебойное оборудование) сваи снабжают строповочными петлями. Места строповочных петель назначают из расчета сваи на изгиб от собственного веса (с динамическим коэффициентом 1,25 при расчете на прочность и 1,5 при расчете на трещиностоикость) при подъеме ее за две или одну точку (для установки под молот) исходя из равенства абсолютных значений наибольших изгибающих моментов, возникающих в свае на расстоянии 0,207 Ь от концов сваи при подъеме за две точки и 0,292 Ь от головы при подъеме за одну точку (где Ь — длина сваи).
Сплошные, сваи с обычной арматурой просты в изготовлении. Они могут быть изготовлены не только в заводских условиях, но и на строительной площадке вблизи строящегося моста.
1200
Ь8>20
:БЮ2
В-В-
Недостаток свай с обычной арматурой — значительный расход арматуры. Кроме этого, при погружении в грунты с твердыми включениями, несмотря на значительный процент армирования, в сваях все же могут возникнуть трещины с раскрытием до 0,25 мм,
"=■ |
|
|
А- |
А 1 |
| ||
"^- |
|
' |
гП |
V |
А^ |
7~» | |
|
|
|
|
5; | |||
|
|
• |
|
|
«, | ||
|
|
| |||||
|
|
|
|
( | |||
|
|
V ' |
|
г | |||
^ |
. |
|
|
|
3 |
Рис. У1.6. Конструкция преднапряженной сваи с прутковой арматурой:
1 — сетка с ячейками БХ5 см 0 5; 2 — высокопрочная прутковая арматура кл. А-IV,
4 0 14; 3 — стержни кл. А-1, 0 18 длиной 200 см; 4 — строповочные петлн кл. А-1, 0 18;
5 — спираль кл.'В 0 5; €•—арматура острия кл. А-1, 4 0 18; 7 — осевой стержень кл. А-1 0 24, длиной 45 см
155
что во влажной грунтовой среде вызывает ржавление арматуры;-трещины особенно опасны при агрессивных грунтовых водах.
Для повышения трещиностойкости и снижения расхода армату-* ры применяют предварительно напряженные железобетонные сваи. В отечественной практике предварительное напряжение осуществляется натяжением продольной арматуры до бетонирования, сваи.
Преднапряженные сваи изготовляют квадратного сечения указанных выше размеров длиной от 8 до 20 м. Сваи армируют отдельными проволоками периодического профиля диаметром 7—5 мм,-
|
.5 |
> 5 | |||
, |
|
|
| ||
кз |
/ |
|
у? | ||
'X т |
|
• ^ | |||
|
|
| |||
|
« |
|
' • |
| |
1га |
|
|
ч |
~г1 | |
|
• |
|
• |
| |
|
|
|
• • |
| |
|
К. |
|
| ||
|
|
/ | |||
|
|
1 |
'- |
5 |
|
А^_
Я |
|
5 |
к |
| |||
|
|
|
|
| |||
Сч,)- |
|
|
\ч |
-2 | |||
|
|
|
< |
> • « | |||
|
| ||||||
. |
|
|
|
|
прочностью 160 кг/мм2 (класс Вр-П) или витыми семипроволоч-Ц ными прядями из той же прово-' локи, а также стержнями перио-1 дического профиля диаметром 12—20 мм, прочностью 80 кгс/мм2 (класс А-1У). Поперечная арма-1 тура спиральная из катанки клас-1 са А-1 диаметром 5 мм. Предва-! рительное натяжение проволочной] арматуры и прядей осуществи ляется домкратными установками на упоры, стержневой — домкратами или электронагревом.
|
г |
В^й |
|
^ |
У | ||
|
|
| |
1о сча |
■ |
• • • »• 0 • |
|
1^ |
|
|
|
|
|
| |
. |
|
|
у_ |
■ |
1 |
г |
|
|
ш |
Конструкция предварительно, напряженной сваи сечением 35X Х35 см, длиной 12 м с прутковой арматурой показана на рис. У1.6. Продольные стержни диаметг^рм 14 мм поставлены по углам сваи и связаны в каркас спиралью из проволоки диаметром 5 мм. Шаг спирали — от 5 до 20 см. Голова сваи усилена арматурными сетками, острие армировано отдельным каркасом из четырех стержней диаметром 18 мм, приваренных к центральному стержню диаметром 24 мм.
а
Конструкция преднапряженной сваи с проволочной арматурой приведена на рис. VI.?. Высоко прочная проволока диаметром 5 мм сосредоточена в углах сваи. Рис. У1.7. Конструкция преднапря- ' Поперечная арматура спиральная женной сваи с проволочной армату- с шагом от 5 до 30 см — из катан- ?0и!.ет„о о\ к. о =-,,,„ „ „„ „ ки диаметром 5 мм. Сваи с прут*
/— сетка ЬЗ 5; г«высокопрочная прово- * г**
лока 0 5; 3 — спираль 0 5; 4 — строповоч- КОВОЙ арматурой рекомендуется
™?б:Т-осеЕ0ой%ж7н?Г2Г °стрия применять при значительной аг-
156
рессивности грунтовых вод, так как прутковая арматура корро-зиоустойчивей тонкой высокопрочной проволоки.
Сплошные сваи имеют значительный вес, и их перевозка, установка под сваебойное оборудование и погружение в грунт требуют мощных транспортных и грузоподъемных средств и мощного сваебойного оборудования. Это ограничивает размеры свай (длину и толщину), а следовательно, и их несущую способность.
Значительное уменьшение массы достигается в полых железобетонных сваях круглого поперечного сечения. Полые сваи делают сборными из железобетонных центрифугированных звеньев длиной от 8 до 12 м. В мостостроении сваи собирают из звеньев наружным диаметром 40 см с толщиной стенки 8 см, диаметром 60 и 80 см с толщиной стенки 100 см.
Рис. У1.8. Конструкция секций полой
сваи:
/ — фланец; 2 — продольная арматура
0 20; 3 — спиральная арматура 0 6; 4 —
вспомогательная арматура 0 10
как правило, применяют сваи
Свая может быть смонтирована на полную длину как до погружения сваи в грунт, так и в процессе погружения по мере ее забивки. В последнем случае длина сваи может достигать 50 м и более. Звенья изготовляют из бетона марки 400 с обычной или напрягаемой продольной арматурой.
В фундаментах опор мостов, с обычной арматурой, изготовление которых значительно проще.
Конструкция секций всех диаметров однотипна (рис. У1.8). Продольная арматура расположена посередине толщины стенки, на взаимном расстоянии, не превышающем ее толщину. Диаметр арматуры для оболочек с 3%-ным армированием — 20 мм, с 5%-ным армированием — 25 мм.
Ненапрягаемая арматура из стали класса А-Н, преднапрягае-мая — класса А-1У. Шаг спиральной арматуры 10 см, а у концов 5 см.
На торцах секций закреплены стальные закладные части, образующие монтажные стыки.
157
Монтажные стыки могут быть фланцевыми на болтах и сварными.
А-А Б-Б В-В Г-Г
Рис. VI.9. Конструкция стыков полых свай:
/ — продольная арматура; 2 — нарезной наконечник; 3 — фланцы толщиной 16 мм; 4 — обечайка толщиной 10—12 мм; Б — ребро жесткости толщиной 10 мм; 6 — спиральная арматура; 7 — вспомогательная арматура; 8 — стык продольной арматуры; 9 — бетон омоноличн-ваиия
Фланцевые стыки применяют при наращивании секций в процессе погружения сваи в грунт. На рис. У1.9, а (см. также рис. У1.8) показана конструкция фланцевого стыка, в котором закладные части закреплены с помощью наконечников с винтовой нарезкой, приваренных к стержням продольной арматуры. Для лучшего сцепления с бетоном к фланцам приварены короткие стержни вспомогательной арматуры. Такой стык применяют главным образом в предварительно напряженных секциях. Несколько иная конструкция фланцевого стыка приведена на рис. У1.9, б. В этом стыке продольная арматура приварена к короткой стальной трубе, называемой обечайкой; к обечайке приварены кольца из листовой стали, окаймляющие торцы секций и образующие фланцевое соединение.
Изготовление фланцев требует большой точности, обеспечивающей совпадение болтовых отверстий стыкуемых секций. Их нужно изготовлять в кондукторах на заводах металлоконструкций.
Сварные стыки применяют преимущественно при сборке сваи на стеллажах до погружения в грунт. В стыке с обечайками (рис. У1.9, в) сваривают кромки обечаек; в необходимых случаях стык
может быть усилен накладками. При предварительной сборке сваи в горизонтальном положении на стеллажах применяют стыки со сваркой ванным способом выпусков продольной арматуры секций (рис. У1.9, г) и последующего обетонирования стыка. Такой стык требует наименьшего расхода стали, но для его выполнения необходимо точное расположение продольной арматуры в стыкуемых секциях.
Для защиты стали от коррозии стыки заполняют бетоном на быстротвердеющем цементе; если стык после погружения сваи располагается в грунте, его заливают горячим битумом.
Нижние концы полых свай могут быть закрытыми или открытыми.
Закрытые сваи заканчиваются железобетонным наконечником1 (рис. VI. 10, а). Наконечник присоединяют к стволу фланцем или сваркой. При погружении сваи с подмывом в наконечнике оставляют центральное отверстие диаметром 75—100 мм. Применяют также наконечники, сваренные из листовой стали. Значительно реже применяют сваи с отрытым нижним концом. В этом случае нижний конец сваи заканчивается стальным коротким ножом (рис. VI. 10, б). При погружении в плотные или скальные грунты нож удлиняют (рис. VI.10, в) и усиливают дополнительным листом.
158
/
Рис. VI.10. Конструкция наконечника и ножей
159
Рис.
VI.
12.
Конструкция утолщенной оболочки
В грунтах с напорными водами для предохранения от фильтрации воды через стенку сваи ее полость можно заполнить песком, смешанным с мазутом в пропорции 1:5—1:6. Заполнение бетоном обязательно при погружении сваи в грунты с твердыми включениями, когда можно ожидать образование трещин в стволе при забивке.
Рис.
VI.11.
Квадратная свая с
цилиндрической полостью
Весьма удачной нужно считать квадратные сваи с цилиндрической полостью (рис. У1.11), забиваемые с открытым нижним концом без удаления из полости грунта. Такие сваи изготовляют на многопустотных установках большой производительности на заводах железобетонных конструкций общего назначения.
Железобетонные сваи-оболочки. В современном отечественном строительстве мостов и гидротехнических сооружений в широких масштабах применяют железобетонные тонкостенные оболочки, погружаемые в грунт с открытым нижним концом мощными вибропогружателями. Применение сборного железобетона для оболочек и современных методов их погружения, разработанных и освоенных советскими учеными и инженерами (К- С. Силин, Н. М. Глотов, В. А. Карпинский, Н. М. Колоколов, Г. П. Соловьев и др.), открыли новые большие возможности создания дешевых глубоких фундаментов на базе широкой индустриализации и механизации строительства.
Оболочки собирают из унифицированных секций длиной от 6 до 12 м наружным диаметром 100, 120, 160, 200 и 300 см с толщиной стенок 12 см. Длина секций кратна 1 м.
Возможно применение оболочек и большего диаметра — до 5—6 м. Однако опыт строительства нескольких мостов показал, что погружение оболочек диаметром более 3 м сопряжено ,с боль-
160
шими трудностями и применять их можно только в особых случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании.
Секции оболочек изготовляют из обычного железобетона с арматурой из стали марки ВСт. 5 и из предварительно напряженного железобетона с арматурой из стали марки 30ХГ2С; марка бетона— 400. Предварительное напряжение значительно повышает трещиностойкость оболочек при внецентренном сжатии с большими эксцентриситетами, но изготовление их сложнее и стоимость выше; поэтому сейчас в опорах мостов, как правило, применяют оболочки из обычного железобетона преимущественно с 3%-ным (реже с 5%-ным) армированием.
Конструкция оболочек и их стыков такая, как и полых свай диаметром до 0,8 м (см. рис. У1.8), и отличается только количеством продольной арматуры.
Длина секций назначается исходя из условий транспорта и грузоподъемности средств для их монтажа; изменение длины через 1 м позволяет собирать оболочки необходимого размера в зависимости от глубины погружения.
Опыт применения унифицированных оболочек с толщиной стенок 12 см показал недостаточную их прочность при погружении в трудно проходимые грунты (гравийно-галечные и галечно-валун-ные отложения). Кроме этого, такие оболочки обычно приходится заполнять бетоном для восприятия действующих на них внешних усилий. Этих недостатков лишены оболочки с утолщёнными стенками.
Толщина стенок усиленных оболочек диаметром 1,6 м равна 16 см, диаметром 2 м— 18 см и диаметром 3 м — 20 см. Размеры стенок определены исходя из возможности погружения оболочек имеющимися вибропогружателями. В отличие от тонкостенных, усиленные оболочки армированы двойной арматурой, располагаемой вдоль внутренней и наружной поверхности стенок (рис. VI.12).
6—2644161
в л
1600
е-б
Рис. VI. 13. Фланцевый стык утолщенной оболочки
Фланцево-болтовой стык такой оболочки, показанный на рис. VI.13, также несколько усложнен. Он состоит из обечайки, к которой приварены стержни внутренней арматуры, и специальных ребер с приваренными к ним стержнями наружной арматуры.
Нижние секции оболочек снабжают стальными ножами, сваренными из листовой стали (см. рис. VI.10). При погружении в мягкие грунты применяют короткий нож (см. рис. VI.10, б), при погружении в плотные породы — удлиненный нож, усиленный приваркой второго листа (см. рис. VI.10, б), или железобетонные ножи с стальной окантовкой и односторонним или двусторонним заострением (рис. VI.14).
После погружения оболочки и удаления грунта из внутренней полости ее частично или полностью заполняют бетоном марки не менее 200. Тонкостенные оболочки обычно заполняют бетоном полностью (рис. VI.15, а), оставляя внизу уплотненное песчаное ядро высотой не менее диаметра оболочки и не менее 2 м.
В валунно-галечные отложения и в глины с консистенцией ^1,^0,1 оболочки погружают не менее чем на 0,5 м, в остальные глинистые грунты — не менее 1 м.
В оболочках с утолщенными стенками для опирания на грунт всем поперечным сечением внизу располагают бетонную пробку (рис. VI. 15, б). Высоту пробки определяют расчетом на срез по внутренней поверхности оболочки, она должна быть не менее трех
162
Железобетонные ножи
б>Пси
Рис. VI.14. оболочек
диаметров оболочки и не менее 3 м. Стенки оболочек при необходимости могут быть утолщены до необходимых по расчету размеров. Для этого по внутренней поверхности оболочки укладывают кольцевой слой бетона (рис. VI.15, в). Исходя из удобства бетонирования толщину слоя не следует назначать менее 50— 70 см. Утолщение стенки обычно требуется в оболочках большого диаметра (свыше 2 м), погруженных в нескальные грунты средней несущей способности. Для обеспечения сцепления бетона заполнений со стенками оболочек последним необходимо придавать шероховатую поверхность с глубиной 1—2 см. Увеличение несущей способности оболочки по грунту до* стигается устройством внизу уширенных пят (рис. VI. 15, г).
Уширять оболочки наиболее целесообразно в глинистых грунтах средней прочности, в которые оболочки погрузить трудно. Уши-рения делают специальными бурильными установками (см. гл. VII). Оболочки с уширенным основанием заглубляют в грунт ниже уровня размыва дна реки не менее чем на 3 м. Если цилиндрическую часть скважины армируют, то оболочки нужно заглублять на 1—2 м ниже сечений, в которых арматура не требуется.
В скальные породы оболочки обычно забуривают (рис. VI. 15, д). К забуриванию прибегают, когда толща наносных отложений не обеспечивает заделку оболочек, необходимую для восприятия го-
Рис. VI.15. Схемы конструкций свай-оболочек:
1 — свая-оболочка; 2 — бетонное заполнение; 3 — бетонная пробка; 4 — кольцевой слой бетона; 5—арматурный каркас; 6 — уширенная пята; 7 — буровая скважина в скальной породе
6*
*)
а)
11=0,6
Оболочки, опираемые на скальные породы или имеющие внизу уширения, могут нести значительные сжимающие нагрузки (1000 тс и более). Для восприятия этих сил оболочки обычно приходится полностью заполнять бетоном. В толстостенных оболочках иногда удается ограничиться устройством нижней бетонной
пробки. -
Стальные и сталебетонные сваи. Стальные сваи делают из прокатных профилей — двутавров, швеллеров, уголков и т. д. или из цельнотянутых либо сварных труб. Для увеличения площади поперечного сечения и жесткости сваи прокатные профили сваривают или соединяют заклепками в пакеты сплошного или трубчатого сечения. По затрате металла и сложности изготовления более выгодны сталебетонные сваи из цельнотянутых или сварных труб-оболочек, заполняемых бетоном после погружения в грунт. Диаметр трубчатых оболочек 25—100 см, толщина стенки 12—14 мм. Поступающие с заводов звенья труб стыкуют в горизонтальном положении на стеллажах на полную длину сваи. При длине свай более 20—25 м их наращивают по мере погружения в грунт. Стыки делают электросварными. Сварку рекомендуется выполнять автоматами под слоем флюса. Для усиления стыка ставят наружные накладки (рис. VI. 16, с), вырезанные из труб того же диаметра. Нижний конец оболочки оставляют открытым или закрывают конусным наконечником. Наконечник (рис. VI.16, б) делают из обрезка трубы, вырезая по шаблону треугольники, которые затем загибают и сваривают. В конце наконечника оставляют отверстие для размыва грунта водой при погружении оболочки.
Существенный недостаток сталебетонных свай — коррозия металла. Интенсивность коррозии зависит от ряда причин: вида грунта-, химического состава грунтовых вод и пр. По некоторым данным коррозия составляет от 0,014 до 0,05 мм/год; в зоне переменного увлажнения коррозия значительно возрастает. Для защиты от коррозии наружную поверхность стальных труб нужно покрывать асфальтовыми красками или каменноугольной смолой. Наблюдения показали, что эти краски достаточно устойчивы и при погружении даже в песчаные грунты хорошо сохраняются.
Оболочки заполняют бетонной смесью марки 200—300. Длина сталебетонных свай может достигать 30—35 м и более.
164
4
тИШ
Щ
щ
«I
Риа VI. 16. Конструкция оболочки сталебетонной сваи:
а —стык труб; б — заострение сваи; I — накладка; 2 — электрошов
77777Т77Т777
Рис. VI. 17. Свая с грунтовым ядром и схема к расчету ядра
Стальные сваи значительно легче железобетонных, они хорошо сопротивляются усилиям, возникающим при их транспортировании и погружении в грунт, легко проходят плотные грунты и скальные прослойки и могут быть забиты на некоторую глубину в скальные породы. Однако большой расход стали ограничивает их применение; к ним прибегают только в тех случаях, когда по тем или иным причинам погружение сплошных или полых железобетонных свай оказывается невозможным.
Сваи с грунтовым ядром. Погружение свай с закрытым нижним концом в плотные грунты, например в гравелистые пески, а также з грунты с прослойками скальных пород, часто встречает большие затруднения и оказывается невозможным. В этих условиях целесообразно погружать сваю с открытым нижним концом, не удаляя грунт (песок) из ее внутренней полости (рис. VI.17,а). Такая свая позволяет погрузить нижний ее конец, сделанный из стальной трубы, даже в полускальные и скальные породы на глубину 1,5—2 м и обеспечить надежную ее заделку. Грунтовое ядро во внутренней полости сваи создается за счет уплотнения песка при забивке сваи преимущественно молотами двойного действия и вибропогружателями. Заключенное в жесткую оболочку сваи песчаное ядро способно выдерживать значительные сжимающие напряжения, а силы трения, между ядром и внутренней поверхностью сваи обеспечивают участие ядра в передаче подстилающему грунту давления на сваю.
Несущую способность такой сваи, зависящей от высоты грунтового ядра, толщины стенки оболочки и ряда других факторов, определяют испытанием опытных свай в реальных условиях строительной площадки. Приближенно высоту ядра можно получить из
165
Ш-№
Г (оу + йоу) — Рчу — К.и<зуйу — Руйу = 0,
где Р — площадь сечения ядра, равная 0,25яГ>2; и — периметр внутренней полости сваи (зтГ>); С — диаметр ядра;
/ — коэффициент трения между песком и оболочкой, равный 0,6. 1 — коэффициент бокового давления песка, примерно равный 0,35; ■у — объемный вес грунтового ядра.
После простых преобразований, обозначая
к- 0 ,
получим
йау — кавйу — уйу — 0.
Этому дифференциальному уравнению удовлетворяет функция
.„«Сё*»- — V-к
Из условия у=0 и оу=0 находят постоянную
[С=±у
V
= _^е^_— у. к к
и тогда
«;
Отсюда
е*"=— в„ + 1, V
логарифмируя, получим
*=т1п(т%+1)-
Для конца сваи у=#, а оу = оо, т. е. давлению под нижним концом сваи. Следовательно,
Я=1п(^-с0+1).
По этой формуле находят минимальную высоту песчаного ядра.
Сваи с грунтовым ядром позволяют погружать их в трудно проходимые грунты более легким сваебойным оборудованием, уменьшить объем работ по удалению грунта из внутренней полости сваи и последующего ее бетонирования и, следовательно,, сократить время изготовления свай.
Рис. У1.19. Патрон-иако-нечиик железобетонных комуфлетных свай:
/ — железобетонная оболочка; 2 — патрон; 3 — бандаж
Рис. VI. 18. Последовательность (/—V) устройства комуфлетных свай: / — оболочка; 2 — электропровода; 3 •— заряд ВВ; 4 — бетонная смесь; 5 — комуф-летиое уширение; 6 — арматурный каркас
Камуфлетные сваи. Увеличение несущей способности сваи по грунту может быть достигнуто устройством уширения ее нижнего конца. В забивных полых сваях такое уширение достигается каму-«рлетированием— взрывом заряда взрывчатого вещества (ВВ).
Камуфлетные сваи изготовляют в такой последовательности (рис. VI. 18). После погружения в грунт железобетонной или стальной сваи-оболочки с закрытым или открытым концом и удаления грунта из ее внутренней полости в сваю опускают заряд ВВ с электродетонаторами, соединенными электропроводами с источником энергии (подрывной машинкой). Сверху заряд защищают слоем -тощего песчано-цементного раствора или сухой песчано-цементной -смесью и затем оболочку заполняют на некоторую высоту литым -бетоном с осадкой конуса 15—20 см при стальных оболочках и 20—■ 25 см при железобетонных. После этого заряд ВВ подрывают. Силой взрыва нижний конец оболочки разрушается, и за счет местного уплотнения грунта в нем образуется близкое к шарообразному камуфлетное уширение, которое заполняется литой бетонной смесью, поступающей из ствола оболочки. Далее оболочку заполняют бетонной смесью на полную высоту обычным способом.
Для камуфлетирования свай желательно применять водоустойчивые взрывчатые вещества — тротилы (тол, пироксилин) или аммониты. Ориентировочно массу заряда определяют в зависимости ют диаметра камуфлетного уширения:
167
166
Диаметр камуфлетного
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
1,9 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
И |
12 |
уширения, м 1,2
Масса заряда ВВ, кг . 5
Массу заряда уточняют после первых производственных взрывов. Диаметр камуфлетного уширения с достаточной точностью может быть определен по количеству литого бетона, заполнившее го уширение после взрыва. Если до взрыва оболочка была заполнена бетоном на высоту А,, а после взрыва высота бетонного столба оказалась равной Аг, то объем камуфлетного уширения
У=0,25л^(Й1 — Л2),
где Лъ — внутренний диаметр оболочки.
Диаметр уширения
Для надежного соединения уширения со стволом сваи необходимо, чтобы после взрыва в стволе оставался столб бетона высотой не менее 2 м. Исходя из этого минимальный объем Ущт литого бетона, укладываемого до взрыва, должен удовлетворять условию
Уа1я > 0,М>2 + 24
При взрыве заряда частично разрушается оболочка. Для. ограничения разрушения к железобетонной оболочке присоединяют стальной патрон (рис. VI. 19), усиленный бандажами. При наличии бандажей разрушается только нижняя зона патрона. Аналогично усиливают и стальные оболочки. Камуфлетирование целесообразно в грунтах большой несущей способности. В скальных и полускальных породах оно нецелесообразно, так как прочность этих пород может быть нарушена взрывом.
У1.3. КОНСТРУКЦИЯ ВИНТОВЫХ СВАЙ
Кроме забивки сваебойными снарядами сваи могут быть погружены путем завинчивания особыми механизмами, называемыми кабестаном.
Винтовая свая (рис. У1.20) состоит из цилиндрического ствола и башмака с винтовыми лопастями, которые обеспечивают погружение сваи в грунт при ее вращении вокруг продольной оси. Ствол сваи собирают из стальных труб, заполняемых бетоном после погружения. Ствол может быть сделан и железобетонным сплошным или полым. Однако значительные крутящие моменты, возникающие в стволе при завинчивании, ограничивают применение железобетонных стволов. Конструкция стальных стволов такая же, как и сталебетонных свай.
Башмаки отливают из стали или чугуна или же изготовляют из отрезков труб. Нижний конец башмака при небольшом диаметре ствола закрывают конусным наконечником высотой 0,75—1,5 м.
168
Я-Я
При диаметре ствола более 0,6— 0,8 м нижний конец оставляют открытым, облегчая этим завинчивание. В этом случае по мере завинчивания грунт из внутренней полости удаляют.
Рис. У1.20. Конструкция винтовой сваи:
I — ствол сваи; 2 — башмак; 3 — винтовая лопасть; 4 <— бетон
На цилиндрической части башмака располагается винтовая лопасть. Диаметр лопасти принимается равным 3—4,5 диаметрам ствола, но не более 2,5—3 м. Шаг лопасти лри стволе 300—400 мм составляет 0,6— 0,8 с?ств, а при стволе 900— 1500 мм —0,35—0,4 с?ств. Шаг лопасти зависит также от размеров шалунов, имеющихся в грунте: валуны должны свободно проходить между лопастями, не мешая завинчиванию. Толщина Т, лопасти ш корне не превышает 0,4—0,5 шага. Лопасти изготовляют литыми, отлитыми вместе с башмаком (рис. У1.20,а), сварными сплошного сечения (рис. VI.20, б) и сварными полыми (рис. У1.20, в). Полые лопасти заполняют цементным раствором. Лопасти обычно имеют 1,25—1,5 оборота.
Винтовые сваи могут быть погружены в грунт вертикально или с наклоном 1 : 3—1:5 на глубину до 30—40 м. Несущая способность таких свай за счет большого сопротивления грунта под лопастями достигает нескольких сотен тонн. В этих сваях легко получить экономичную конструкцию, равнопрочную по грунту и по материалу отвала.
Сваи со стальным стволом способны воспринимать большие выдергивающие усилия. К достоинствам винтовых свай нужно отнести также то, что погружение их в грунт происходит без сотрясения окружающей местности.
Основная область применения винтовых свай — башенные сооружения, фундаменты, которые испытывают значительные выдергивающие усилия. Примером таких сооружений служат телевизионные башни, опоры линий электропередачи и пр. Небольшое число опор мостов было сооружено на винтовых сваях в 40—50-х годах.
Однако вскоре они были вытеснены более технологичными и менее металлоемкими железобетонными сваями, сваями-оболочками и буровыми столбами.
169
/
Особенность буровых свай — предварительное бурение скважин, заполняемых затем бетонной смесью или заранее изготовленным железобетонным элементом. Буронабивные сваи с заполнением' скважин бетонной смесью находят широкое применение во всех областях строительства, в том числе и в мостостроении. Значительно реже в особых грунтовых условиях, например в вечномерзлых грунтах (см. гл. XIII), скважины заполняют заранее изготовленным столбом. Простейшим видом буровых свай являются сваи А. Э. Страуса, называемые так по фамилии киевского инженера, впервые предложившего их в 1899 г.
Для устройства этих свай в грунт погружают стальную обсадную трубу диаметром 30—40 см. После удаления из трубы грунта при помощи обычного бурового оборудования, ее заполняют трамбованным бетоном. По мере бетонирования обсадную трубу извлекают. При трамбовании бетон раздается в стороны, уплотняя грунт. Извлекают трубу так, чтобы нижний ее конец всегда был погружен в свежеуложенный бетон на 1—1,25 м, чем обеспечивают монолитность ствола сваи. Обсадную трубу монтируют из отдельных звеньев длиной 1,5—2 м. Это позволяет изготовлять сваи в стесненных условиях, например в подвальных помещениях.
Изготовление свай Страуса в отличие от забивных проходит без сотрясения, что иногда является необходимым условием производства работ (например, при ремонтных работах, при усилении фундаментов и пр.).
Сваи Страуса обладают небольшой несущей способностью, так как при их изготовлении грунт уплотняется мало. Кроме того, в грунтах, насыщенных водой, трудно обеспечить надлежащую прочность бетонного заполнения.
В дальнейшем на этом принципе было создано большое число различных улучшенных конструкций свай.
Так, в СССР применяют «частотрамбованные» сваи. В них обсадная труба диаметром 35—40 см закрыта снизу чугунным или железобетонным башмаком, остающимся в грунте. Обсадную трубу забивают вместе с башмаком, что уплотняет грунт и повышает его несущую способность. После погружения трубы до проектной отметки ее бетонируют жесткой бетонной смесью, одновременно' извлекая трубу частыми (60—80 ударов в минуту) ударами молота специальной конструкции: при ударе, направленном вверх, труба вытаскивается на 3—4 см, при ударе вниз она осаживается на 1,5—2 см. От ударов, направленных вниз, происходит уплотнение бетонной смеси и окружающего сваю грунта.
В сваях системы Франки (рис. У1.21), часто применяемых за рубежом, роль башмака выполняет бетонная пробка, заполняющая нижний конец обсадной трубы на высоту около 1 м. Нанося сильные удары специальной трамбовкой по пробке, трубу погружают в грунт на необходимую глубину. Далее, удерживая трубу тросами от погружения, частично выбивают вниз пробку, которая,
Рис. У1.21. Последовательность устройства свай Франки:
/ — формирование пробки; //—погружение обсадной трубы; III — выбивание пробки и формирование утолщенной пяты сван; IV—армирование сваи; V —• бетонирование сваи н извлечение обсадной трубы;
/ — обсадная труба; 2 — бетонная пробка; 3 — трамбовка; 4 — арматурный каркас; 5—бетонная смесь
уплотняя грунт, образует грушевидное уширение в 1,5—2 диаметра трубы. После этого, постепенно извлекая трубу, внутреннюю полость бетонируют жесткой бетонной смесью. При необходимости сваи могут быть армированы. Длина частотрамбованных свай и свай Франки не превышает 12—16 м.
Для изготовления глубоких свай обсадную трубу погружают с открытым нижним концом. За рубежом различными фирмами создано большое число специальных буровых станков (агрегатов), обеспечивающих высокую механизацию всех работ при устройстве таких свай. Из них в нашей стране успешно используются станки' «Бенато» (Франция) и «Кото» (Япония). Длина свай, изготовляемых станками «Бенато», достигает 100 м, диаметр от 0,7 до 1,1 м. Станки снабжены набором грунторазрушающих средств для раз-буривания различных грунтов, включая скальные породы, а также особыми расширителями, позволяющими в конце сваи создавать уширенную пяту диаметром от 1,5 до 2,5 м. Станки «Кото» также предназначены для бурения скважин диаметром от 1,2 до 2,5 м в различных грунтовых породах. Существенный недостаток этих станков — необходимость иметь стальные обсадные трубы. Трубы, например, в станках «Кото» имеют особую конструкцию и изготовляются из специальных сталей, что еще более увеличивает их стоимость.
1 Более подробно см. гл. VII.
171
170
Рис.
У1.23. Арматурный каркас буровой
сваи: ■
/
— продольная арматура; 2
—
спираль; 3
— кольца; 4
— планки;
5 — подкладки
В связных и других видах устойчивых грунтов бурение без обсадных труб осуществляется за счет природной плотности грунтов.' В неустойчивых и водонасыщенных грунтах для удержания стеною скважин от обрушения в скважинах создаются внутренние давле-. ния, превышающие наружные. Для этого искусственно поддерживают уровень воды в скважинах выше уровня грунтовых вод или воды в акватории или же скважины заполняют глинистым раствором с плотностью больше единицы (см. гл. VII).
Буровые сваи применяют в грунтах без твердых прослоек и. включений. Для увеличения несущей способности их обычно делают с уширенной пятой, разбуривая в конце уширения. В зависимости от применяемого оборудования диаметр ствола таких свай составляет 0,4—1,7 м, диаметр пяты — от 1,2 до 3,5 м, глубина погружения — от 5 до 40 м.
Рис. У1.22. Буровая свая ЦНИИС: 1 — плита фундамента; 2 — песок; 3 — патрубок; 4 — продольная арматура; 5 — спираль
В мостостроении применяют предложенные в 1950 г. проф. Е. Л. Хлебниковым сваи с уширенной пятой (рис. У1.22), назы-
ваемые сваями системы ЦНИИС. Скважины для свай ЦНИИС бурят специальными станками, снабженными раскрывающимися ножами для разбуривания уширения. Диаметр ствола сваи от 0,9 до 1,7 м, диаметр уширения до 3,5 м при наибольшем угле раскрытия ножей 50е. Изменяя скорость погружения бурового механизма, можно получить верхнюю часть уширения сферической, параболической или эллипсоидной высотой 0,5—0,8 м. Средняя часть делается цилиндрической высотой 0,3—0,5 м и нижняя часть — в виде усеченного конуса. Общая высота уширения составляет около 2 м.
В зонах действия изгибающих моментов ствол сваи армируют про дольными стержнями периодиче- „,„„,,- -
, г г Рис. У1.24. Свая с уширенной пятой
ского профиля диаметром не менее
26 мм и спиралью с шагом 15—
20 мм диаметром в 10 мм, связанными в арматурный каркас (рис. У1.23). Расстояние между продольными стержнями — не менее 10 см и не более 20 см. Для жесткости каркаса к продольным стержням приваривают через каждые 2—3 м кольцо из арматуры того же диаметра, что и продольные стержни. Защитный слой бетона для каркаса должен быть не менее 10 см. Для обеспечения защитного слоя к продольным стержням приваривают фигурные планки сечением не менее 60X80 мм. В наклонных сваях к двум-трем стержням каркаса приваривают направляющие из уголков или полосовой стали. При наличии в реке перемещающихся наносных отложений верхнюю часть ствола защищают от истирания стальной или железобетонной оболочкой (см. рис. VI.15). Скважину заполняют бетонной смесью способом ВПТ. Марка бетона свай 200—300. Общий вид экспериментальной сваи на рис. У1.24. Бурообсадные и буровые сваи обладают большой несущей способностью (несколько сотен тонн) и при уширенной пяте позволяют уменьшить диаметр ствола до размеров, необходимых по прочности материала сваи. Размеры и армирование свай в отличие от забивных свай и свай-оболочек определяется только эксплуатационными нагрузками. Изготовление свай, осуществляемое без сотрясений окружающей местности, позволяет применять их вблизи здании и сооружений, не опасаясь повреждения последних. При буровых сваях отпадает необходимость в перевозках тяжелых свай и громоздких звеньев свай-оболочек и их складировании, а также значительно уменьшается потребность в крановом оборудовании большой мощности.
172
173
У1.5. КОНСТРУКЦИЯ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ
Сваи объединяют общей плитой, обеспечивающей их совместную работу. На верхней плоскости плиты (обреза свайного фундамента) возводят надфундаментную часть сооружения.
Плита может быть заглублена в грунт или расположена выше поверхности грунта после ее планировки, а на реках выше дна русла.
В первом случае подошву плиты при пучинистых грунтах заглубляют ниже глубины промерзания грунта не менее чем на 0,25 м. В крупнообломочных грунтах, а также крупных и средней крупности песках, не подверженных пучению, плиту можно располагать независимо от глубины промерзания.
Заглубление плиты в грунт требует устройства котлована, что особенно осложняется при значительной глубине воды в акватории. Поэтому фундаменты с заглубленной плитой (их часто называют низким свайным ростверком), как правило, возводят на сухих местах, например на поймах рек, при постройке путепроводов, эстакад и пр. В руслах рек плиту обычно заглубляют ниже дна, если глубина- воды не превышает 3 м. Плита, погруженная в грунт на достаточную глубину, способна воспринимать внешние горизонтальные силы и изгибающие моменты, передавая их окружающему грунту своими боковыми гранями. Этим она значительно разгружает сваи на действие указанных силовых воздействий и позволяет использовать более тонкие сваи или уменьшить их число в фундаменте.
В фундаментах с незаглубленной плитой все внешние силовые воздействия воспринимаются только сваями, что вынуждает делать их более мощными.
Подошву незаглубленной плиты (такие фундаменты часто называют высоким свайным ростверком) на местности, не покрытой водой, располагают выше поверхности грунта после ее планировки не менее 0,5 м. В руслах рек подошву плиты располагают так, чтобы сваи не подвергались бы непосредственному действию льда, карчехода и т. д., в частности ниже уровня низкого ледостава не менее чем на толщину льда плюс 0,25 м.
При деревянных сваях подошва плиты в фундаментах постоянных сооружений должна быть заложена на глубину, при которой верхние торцы свай всегда будут расположены ниже уровня самых низких грунтовых вод по крайней мере на 0,5 м, чем обеспе-
174
чивается защита древесины от гниения. При жирных глинистых грунтах от этого правила можно отступать, так как в таких грунтовых условиях отсутствует поступление кислорода и гнилостные грибки не развиваются.
Обрез свайного фундамента! (верх плиты) располагают по тем же правилам, что и в фундамент тах мелкого заложения (см. п. 1У.2). Плиту делают из бетона, бутобетона или железобетона.
ю-го
Рис.
У1.25. Конструкция плиты свайного
фундамента
Сваи должны быть жестко заделаны в плиту ростверка (выше слоя бетона, уложенного подводным способом). Для этого их заводят в плиту на высоту не менее двух толщин сваи, а при толщине сваи свыше 60 см — не менее чем на 1,2 м (рис. У1.25).
Глубина заделки ствола сваи в плиту может быть уменьшена до 15 см, если ее осуществить с помощью арматуры. Для этого в железобетонных сваях сплошного сечения, армированных прутковой арматурой, арматуру оголяют, разбивая бетон головы сваи, и заводят в плиту на глубину не менее 20 диаметров стержней периодического профиля или 40 диаметров гладких стержней. При железобетонных полых сваях, сталебетонных сваях, а также обо-
175
лочках и буровых сваях для объединения с плитой ставят арма-' турные каркасы, заводя их в тело свай и плиты.
Если напряжение в бетоне плиты от давления, передаваемого сваей (без учета сцепления по боковой поверхности), превышает., расчетное сопротивление бетона на осевое сжатие, то бетон плиты. необходимо усилить арматурными сетками. При превышении расчетных сопротивлений не более чем на 20% непосредственно над торцом сваи устанавливают одну сетку из стержней диаметром 12 мм, длиной, равной толщине сваи, плюс 0,5 м (см. рис. У1.25). Расстояние между стержнями сетки в обоих направлениях принимается равным 10 см для свай и 15 см для оболочек и столбов. Если напряжение превышают расчетные на 20—30%, то устанав-. ливают еще одну такую же сетку на расстоянии 10—15 см от нижней. Превышение расчетных сопротивлений более чем на 30% не допускается; в этих случаях нужно повысить марку бетона плиты.
Очертание и размеры плиты в плане назначают: в уровне обреза фундамента — в зависимости от очертания и размеров надфун-даментной части сооружения; в уровне подошвы плиты — в зависимости от числа и расположения свай в фундаменте. На реках с глубокими размывами дна рекомендуется плите придавать обтекаемую форму.
•В плане (рис. У1.26) сваи размещают в рядовом или шахматном порядке. В зависимости от действия внешних сил размещение может быть симметричным или несимметричным относительно осей подошвы плиты.
Расстояние между сваями зависит от вида свай. При забивных сваях, в процессе забивки которых значительно уплотняется грунт, расстояние между осями свай в уровне нижних концов должно быть не менее трех толщин сваи. В уровне подошвы плиты этот размер может быть уменьшен до 1,5 толщин сваи, для чего, очевидно, сваи должны быть забиты наклонно. Наименьшее расстояние в свету от грани плиты до крайних свай принимается равным 0,25 м (см. рис. У1.25). При сваях-оболочках диаметром 2 м и более допускается этого свеса плиты не делать. Вертикальные оболочки, буровые и винтовые сваи, слабо уплотняющие грунт, размещают так, чтобы расстояние в свету между ними или нижними уширениями было бы не менее 1 м. При наклонных оболочках,
а) 5) В)
о © © © « ©
© е» © © © ©
© е © © # ©
© ■ © © о © ©
4» © © | © • © О в <к © О
9 О ■ О О
О © О , © © в ® о ф . в ©
-" 1 • » в ©
© © « | © © © © © © ® ©
■ © © | © в
Рис. У1.26. Размещение свай в плане:
а — рядовое симметричное; б — шахматное; в — рядовое несимметричное
176
; в 'ф @ €) в в <9©А©©
буровых и винтовых сваях минимальное расстояние в свету увеличивают до 2 м.
Размещение комуфлетных свай нужно согласовывать с последовательностью комуфлетирования, учитывая,4 что взрыв ВВ может отрицательно отразиться на твердении бетона близ расположенных ранее изготовленных свай. В связи с этим расстояние между осями комуфлетных свай должно составлять не менее 1,6 диаметра комуфлетного уширения, а если комуфлетирование осуществляется до схватывания бетона в уширении соседней сваи, то 1,2 диаметра уширения.
При большом числе свай плиту приходится в плане развивать, по сравнению с размерами надфундаментной части. При значительном развитии плита должна быть рассчитана на изгиб от давлений, передаваемых сваями. Расчет производится аналогично расчету фундаментов мелкого заложения (см. п. У1.3). Согласно расчету плиту армируют. Однако во всех случаях независимо от расчета рекомендуется у подошвы плиты укладывать между сваями арматуру в количестве не менее 10—20 см2 на метр плиты в каждом направлении (см. рис. У1.25). Арматуру ставят диаметром не менее 16 мм с расстоянием между стержнями 10—20 см. Защитный слой арматуры должен быть не менее 5 см. При наличии подушки из подводного бетона арматуру укладывают на ее поверхность.
Число свай в фундаменте, их расположение и глубина погружения зависят от внешних нагрузок, действующих на фундамент, и геологических условий. Исходя из необходимости заделки свай в грунт наименьшая глубина их погружения для искусственных сооружений принимается равной 4 м, считая от поверхности дна реки после местного размыва при расчетном паводке (повторяемостью один раз в 100 лет) и 3 м при наибольшем паводке (повторяемостью один раз в 300 лет). Для промышленных и гражданских сооружений глубина погружения свай в грунт должна быть не менее 3 м.
Несущая способность всех видов свай создается главным образом сопротивлением грунта под их нижними концами. Поэтому сваи рекомендуется погружать до плотных слоев грунта, заглубляя их концы в грунт, принятый в качестве основания фундамента на глубину не менее одного диаметра сваи или диаметра уширения, но не менее 2 м. При этом желательно мощность несущего слоя грунта, считая от низа сваи, иметь не менее трех толщин забивной сваи и не менее диаметра сваи-оболочки или диаметра пяты буровой сваи. Увеличение несущей способности сваи достигается устройством уширении нижних концов. Уширение разбурива-нием грунта целесообразно при несущей способности грунта 15 кгс/см2 и более, а при комуфлетных уширениях—10 кгс/см2.
При основаниях, сложенных скальными породами, забивные сваи нужно погружать до скалы. Сваи-оболочки обычно забуривают в скалу для увеличения их несущей способности и обеспечения надежной заделки их нижнего конца.
177
го го во го го
-н—*-
20 20, 70
го го
Для повышения жесткости фундамента сваи погружают наклонно. Одновременно с этим достигается уменьшение размеров плиты фундамента. При имеющихся в настоящее время погружающих средствах, наибольший наклон может быть: для свай диаметром до 0,8 м — 3:1; для свай-оболочек (столбов) диаметром 1— 1,2 м — 4 : 1), диаметром 1,6 — 5: 1, диаметром 2 м — 8: 1. Оболочки диаметром 3 м погружают только вертикально. Сооружение буровых свай освоено с уклоном не положе 4:1. Погружать сваи круче чем 8: 1 не рекомендуется; в этих случаях следует применять вертикальные сваи.
Опыт проектирования и постройки свайных фундаменте^ показывает, что в большинстве случаев выгоднее применять более мощные сваи, уменьшая их число. Однако на выбор вида, свай большое влияние оказывают реальные возможности организации, выполняющей строительство.
Конструкция свайного фундамента опоры путепровода через железнодорожные пути приведена' на рис. VI.27. Надфундамент-ная часть опоры состоит из пяти колонн сечением 40X60 см, объединенных вверху сборной железобетонной насадкой, на которую опираются балки пролетных строений. Колонны поставлены на обший свайный фундамент ленточного типа размером в плане 2X12,9 м. Железобетонные сваи сечением 30x35 см и длиной 8 м забиты в толщу пылеватых супесей и суглинков, подстилаемых глинами. Количество свай в фундаменте—14, расчетные давления на каждую сваю —37 тс. Сваи забиты в рядовом порядке с расстоянием между рядами 1,2 и 2 м. Верхние концы свай объединены плитой, которая имеет высоту 1 м и выполнена из монолитного бетона марки 200.
Сваи заведены в плиту на 20 см. Для обеспечения заделки сваи их верхние концы разбиты, арматура оголена и на 50 см заведена в бетон плиты. Плита внизу армирована сеткой из стержней диаметром 8 мм.
На плиту ростверка установлены сборные железобетонные под-колонники стаканного типа. Каждый подколонник соединен с плитой ростверка шестью анкерными стержнями диаметром 22 мм. Колонны опущены внутрь подколонников, и зазор между ними залит бетоном.
Облегченная конструкция свайного устоя под железобетонные пролетные строения длиной 33 м при высоте насыпи 5,6 м показана на рис. У1.28. Этот пример характерен отсутствием четко выраженных основных частей опоры: фундамента и надфундаментной части. В соответствии с действующими усилиями — вертикальными от веса пролетного строения и горизонтальными от давления грунта насыпи —по фасаду устоя забиты два ряда свай сечением
178
-0 7/7
0 72
,'
<>, сн
А-А
га
6-6
|
| |||
Л < |
Анкер Ф 22 ^ . ... .Л |
|
<?Г |
-10 I |
|
|
А 1 | ||
Л ( |
Г Ф8' 1 .^А--1 | |||
:::—:::::: |
|
II 33-- |
|
-Чг |
[ □[ |
□ |
|
□ |
|
::: ::::п: |
1х.и 11—Ш-1 |
::::±: |
. |
| |
V
Ф
с
5
^/,лчч\%;-
щит???Щ
т^А?
Он
Рис.
VI
.28.
Конструкция свайного устоя
30x35 см, из которых наружный ряд забит с наклоном 4: 1, а внутч ренний — вертикально. По верхним концам свай уложена монолитная железобетонная плита — насадка сечением 0,5x14 м. Насадка армирована продольными стержнями периодического профиля диаметром 25 мм и шестисрезными хомутами диаметром 6 мм, поставленными через 25 см; арматура свай заходит в тело насадки на полную ее высоту.
На насадку уложена сборная железобетонная шкафная часть устоя, состоящая из горизонтальной и вертикальной плиты. Крайние блоки шкафной части имеют откосные крылья. Шкафная часть уложена на подливку из цементного раствора.
Конструкция фундамента под массивную опору городского моста с железобетонными арочными пролетными строениями длиной 42,5 м приведена на рис. У1.29. Ложе реки в месте сооружения опоры сложено песчаными отложениями, мощностью около 3 м, ниже которых на глубину 18,6 м идут глины средней плотности с прослойками суглинков.
Глины подстилаются мощным слоем пластичных суглинков с тонкими прослойками супеси. Глубина воды в реке в межень равна 2,85 м; глубина максимального размыва, считая от межени, составляет 8,5 м.
Фундамент сооружен из буровых свай ЦНИИСа длиной 27 м-». погруженных в слой суглинка. Диаметр ствола сваи равен 1,35 м, диаметр уширения — 3 м. Сваи армированы каркасами из продольных стержней диаметром 20 мм и спирали диаметром 8 мм; шаг спирали 15 см. Тело свай и арматурный каркас глубоко
Рис. У1.30. Конструкция фундамента из свай-оболочек:
/ — суглинок 2,5 м; 2 — песок среднезернистый 4.2 м; 3 — гравийнощебенистый слой с песчаным заполнителем 6,2 м; 4 — трещиноватый известняк 0,5 м; 5 — мергелистая глина 4,1 ы; 6 — известняк плотный; 7 — шпунтовое ограждение
180
181
заведены в кладку плиты. Все ю свай погружены с наклоном 5: 1. Давление на сваю от основный сил составляет 485 тс, от основе ных и дополнительных — 510 тс.
Конструкция опоры автодорожного железобетонного моста с пролетами 120 и 80 м приведена на рис. У1.30. Фундаменты опоры составят из оболочек диаметром 1,6 м. Геология в месте сооружения опоры представлена среднезернистыми песками с небольшим включением гравия, мощным слоем гравийно-щебе-ночного грунта крупностью до 100 мм с заполнителем из крупно- и среднезернистого песка, прослойкой слабого трещиноватого известняка, слоя мергелистой глины и- подстилающего плотного известняка.
Рис. У1.31. Фундамент опоры из ободочек диаметром 5 м
Железобетонные оболочки размещены в два ряда с расстояниями между осями рядов 5,5 м; столь большое расстояние между оболочками продиктовано значительными моментами, действующими на опору вдоль моста. Поперек моста расстояние в свету между оболочками принято 1,6 м. Оболочки доведены до известняков и забурены в него на глубину 2 м и более. Внутренние полости оболочек заполнены бетоном марки 400.
.Верхние концы оболочек заведены на 25 см в плиту фундамента и связаны с пей арматурным каркасом и стержнями сте^-нок; низ плиты армирован арматурными сетками из стержней диаметром 16 мм.
Фундаментная плита толщиной 3 м и нижняя монолитная часть опоры высотой 2,2 м выполнены из бетона марки 300. Остальная часть опоры сделана сборной из железобетонных тонкостенных блоков, частично заполненных бетоном.
Фундамент опоры под железобетонное строение длиной 70 м, приведенный на рис. VI.31, состоит из двух оболочек диаметром 5 м. Оболочки погружены в песчаный грунт на глубину 27 м, считая от уровня воды в реке. Внизу на высоту 4 м оболочки заполнены бетоном, выше — оставлены пустотелыми. Толщина стенока оболочек—14 см; после опускания и откачки воды их толщина увеличена и доведена до 65 см. Внутренние полости оболочек
182
вверху перекрыты железобетонной плитой, на которую уложено бетонное^заполнение высотой 1,7 м и затем фундаментная плита толщиной 2 м. Давление на песок под подошвой оболочек достигает 13 кгс/см2.
Конструкции фундаментов гражданских сооружений значительно проще.
Под несущие стены относительно небольших промышленных и жилых зданий (5-этажные панельные дома) при средних грунтовых условиях сваи располагают в один ряд (рис. У1.32). На головы свай устанавливают оголовки с пирамидальным отверстием для омоноличивания. Перед установкой оголовков арматуру свай оголяют, разбивая верхнюю часть свай под одну отметку. На ого-
Рис. У1.32. Фундамент под торцевую стену жилого здания и деталь сопряжения сваи с оголовком и фундаментной балкой ростверка:
1 — стена здания; 2 — пол первого этажа; 3 — цокольная панель; 4 — фундаментная балка; ° — оголовок сваи; б — свая; 7 — отмостка; 8 — стальная накладка; 9 — закладная деталь; 10 — выравнивающий слой цементного раствора. Размеры показаны в сантиметрах
183
ловки укладывают по цементной подготовке толщиной 20 мм фун-4 даментные балки (балки ростверка) и на них конструкцию пола« первого этажа. При отсутствии подвального помещения под на-, ружными стенами устанавливают цокольные панели с небольшим 5 (около 1 м) заглублением в грунт, что по условию промерзания грунта в отапливаемых зданиях допустимо.
Подполье используют для прокладки коммуникаций. По типовому проекту фундаментов сваи приняты сечением 25X25 и ЗОХ . ХЗО см, длиной 6—8 м в зависимости от грунтовых условий. Нагрузка на сваю составляет 25—35 тс.
Под стены более крупных зданий сваи располагают, как правило, не более чем в 2 ряда. Свайные фундаменты под жилые здания в значительной мере уменьшают объем работ по рытью котлованов и сокращают сроки строительства «нулевого цикла».
Фундаменты под колонны и отдельные машины имеют индивидуальные конструкции и могут быть сравнительно сложными. В этих случаях находят применение сваи большой несущей способности, например буровые.
ГлаваУП. ПОСТРОЙКА СВАЙНЫХ
ФУНДАМЕНТОВ
УН.1. ОБОРУДОВАНИЕ И ОБУСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ И ОБОЛОЧЕК
Постройка свайных фундаментов состоит из погружения свай и возведения плиты. В зависимости от расположения плиты по отношению к поверхности земли или дна реки для ее возведения может потребоваться ряд работ, аналогичных работам по возведению фундаментов в открытых котлованах (см. гл. V). Ниже рассматриваются специфичеакие работы, связанные с возведением свайных фундаментов, и прежде всего методы погружения забивных свай а свай-оболочек, а также способы устройства буровых свай и столбов, получивших наибольшее распространение.
Сваи забивают в грунт специальными снарядами ударного или вибрационного действия Ч
Снаряды ударного действия называются молотами. Молоты бывают подвесные, паровоздушные и дизельные.
Подвесный молот (рис. VII.1) представляет собой стальную или чугунную отливку массой от 100 до 3000 кгс, которую периодически сбрасывают на голову сваи с высоты 3—4 м. Движение молота происходит по направляющим (стреле копра), с которыми его соединяют кольцами и ползунами; молот поднимают тросом„ идущим от ручной или механической лебедки. Для сбрасывания молота служит специальный крюк, закрепленный на конце троса: подняв молот на необходимую высоту, крюк выдергивают из проушины, нажимая на рычаг, после чего молот свободно падает. Частота ударов составляет 3—4 удара в минуту. Интенсивность погружения сваи зависит от энергии удара, равной произведению веса молота на высоту падения.
Забивка подвесным молотом малопроизводительна и малоэффективна; к такому способу прибегают крайне редко, например, когда необходимо забить малое число свай на относительно небольшую глубину или когда отсутствует более совершенное оборудование.
В паровоздушных молотах используется энергия пара или сжатого воздуха. Паровоздушный молот одиночного действия простейшей конструкции (рис. УП.2,а) состоит из цилиндра, перемещающегося вдоль стрелы копра, и поршня, неподвижно соединенного с головой сваи. В крышке цилиндра
1 Сваи могут быть также погружены задавливанием путем приложения к ннм статических нагрузок. Этот способ не рассматривается, так как применение его весьма ограничено.
185
Рис. У11.1. Подвесной молот: Рис. УИ.2. Паровоздушный молот оди-
/ —трос; 2 — рычаг; 3 — стрела копра; НОЧНОГО действия:
4 -пальцы; 5-молот; € - ползун /-выпуск пара; 2 - парораспределительный
(трехходовой) кран; 3 — крышка цилиндра; 4 — корпус цилиндра; 5 — поршень; 6 — компрессионные кольца; 7 — шток; в — выход воздуха и конденсата; 9 — пальцы; 10— стрела копра; 11 — свая
расположен трехходовой парораспределительный кран, к которому по шлангам подводят пар или сжатый воздух.
Трехходовой кран (рис. УП.2, б) имеет диаметральную (сквозную и радиальную прорези, расположенные перпендикулярно друг к другу. В положении крана, при котором перекрыт впуск пара, надпоршневое пространство цилиндра сообщается через сквозную прорезь с наружной атмосферой. При повороте крана на 90° перекрывается выходное отверстие и пар поступает в цилиндр. При поступлении пара в надпоршневое пространство цилиндр поднимается вверх. После переключения крана отработавший пар выходит в атмосферу и цилиндр свободно падает на голову сваи. Таким образом, ударной частью этого типа молота является цилиндр, причем подобно подвесному молоту энергия удара создается только весом падающего цилиндра, поэтому такой молот и называется молотом одиночного действия.
186
В современных моделях конструкция молотов одиночного действия значительно улучшена, в частности парораспределительный кран полуавтоматизирован (при подъеме цилиндра на заданную высоту кран переключается автоматически).
Промышленностью изготовляются молоты одиночного действия с весом ударной части от 1,8 до 8,2 тс и высотой падения до 1,5 м, числом ударов в минуту 30—50, рабочем давлении пара (воздуха) от 6 до 10 кгс/см2, расходом пара от 350 до 1500 кг/ч, расходом сжатого воздуха 9— 26 м3/мин. Вес молота составляет от 2,6 до 11 тс, высота — 2,8—4,9 м. Энергия одного удара—от 2700 до 10 000 кгс-м.
В паровоздушных молотах двойного действия энергия удара создается не только ударной частью, но и давлением пара (воздуха) на ударную часть. Молот (рис. УП.З) состоит из бойка, соединенного штоком с поршнем. Поршень перемещается в неподвижном цилиндре, скрепленным четырьмя болтами с крышкой молота и шаботом. В стенках цилиндра расположено парораспределительное устройство (золотник), подающее автоматически пар (воздух) последовательно в подпоршневое и надпоршневое пространство цилиндра. При подаче пара в подпоршневое пространство поршень поднимается вверх, при подаче пара в надпоршневое пространство поршень падает вниз. Падение поршня с бойком происходит под действием не только его веса, но и давления пара (отсюда название — молот двойного действия). Для выхода отработанного пара в стенках корпуса име-
Рис. УП.З. Паровоздушный молот двойного действия:
/ — шабот; 2 — боек; 3 — корпус; 4 — шток; 5 — поршень; 6 — цилиндр; 7 — соединительный болт; 8 — крышка цилиндра; 9 — штуцер для подачи пара; 10 — золотник; И — палец
187
Рис. УНА Штанговый и трубчатый дизельные молоты:
1 _ рычаг для сброса цилиндра; 2 — кошка; 3 — цилиндр; 4 — штырь; 5 — штаига; 6 — форсунка--7 — поршневой блок; 8 — топливная трубка; 9 — рычаг подачи топлива; 10 —-топлив-
ный
насос; И
— топливный
бак; 12
—
шаровая опора; 13
— поршень;
14
~
цилиндр; 15
— продувное
окно; 16
—
пята; 17
— топливный
насос; 18
— рычаг
подачи т ный бак
-рычаг подачи топлива; 19 — топлив-
ются каналы, сообщающиеся с наружным воздухом. Молот двойного действия не требует направляющих устройств: будучи надежно соединен с головой сваи пальцами, выступающими из корпуса, он опускается вместе «о сваей. От случайного падения молот удерживается за проушину слабо натянутым тросом. Некоторые модели молотов двойного действия приспособлены к работе под водой-
Вес ударной части наиболее употребительных молотов двойного действия составляет от 0,6 до 2,25 тс, ход поршня от 0,4 до 0,58 м, энергия удара от 950 до 2700 кгс-м, число ударов в минуту от 100 до 140, высота молота от 2,4 до 3 м, полный вес от 3 до 5,2 тс. Для работы молотов обычно используют компрессоры производительностью от 13 до 17 м3/мин с рабочим давлением сжатого воздуха 7—8 кгс/см2.
Для работы паровоздушных молотов требуются достаточно мощные энергетические установки и сложное вспомогательное оборудование: паровые котлы, компрессоры, паро- и воздухопроводы, шланги и т. д. Это удорожает и усложняет их применение.
Дизель-молоты выпускаются промышленностью двух типов (табл. VII.1).
В штанговом дизель-молоте (рис. УП.4, а) ударной частью служит цилиндр, который перемещается по вертикальным штангам. В нижней части молота- расположен поршневой блок, состоящий из поршня с компрессионными кольцами, топливного бака и плунжерного насоса, подающего жидкое топливо в форсунку. Форсунка распыляет топливо в тот момент, когда ударная часть опускается на поршень и в камере сжатия цилиндра создается давление, необходимое для самовозгорания топлива.
Подача топлива автоматизирована: при определенном положении ударной части штырь (кулачок), закрепленный на ней снаружи, надавливая на рычаг топливного насоса, приводит в движение плунжер, и насос подает очередную порцию топлива в камеру сжатия. При сгорании топлива происходит взрыв, силой которого ударная часть подбрасывается вверх, после чего она вновь падает на поршень и т. д. Весь процесс отрегулирован так, что в нижнем положении ударная часть успевает до подбрасывания нанести своими шипами удар по наковальне и шаровой опоре-
Таблица VII.!
|
Дизельный молот | |
Характеристика |
|
|
|
штанговый |
трубчатый |
Вес ударной части, тс |
0,6—2,5 |
0,5—5,0 |
Высота падения ударной части, м |
1,8—2,3 |
3 |
Энергия удара, кгс-м |
500—2000 |
1 300—13 500 |
Число ударов в минуту |
50—60 |
43—55 |
Высота молота, м |
3,15—4,54 |
3,75—5,52 |
Полный вес молота, тс |
1,4-4,2 |
1,1—9,0 |
189
Рис. VII.5. Наголовник: / — бугель; 2 — деревянный вкладыш; 3 —амортизирующая прокладка; 4 — стальной стакан; 5 — свая
а.)
6)
Ж
}
-а.
^ 1
Щ0~~Щ&" Ш Е
шт~в?
(ф1ф)
((|())
~^1
;
-з
/ — электромотор; 2 — захват; 3 — корпус; 4 — де-балаис; 5 — вал; 6 — переходник; 7 — фланец сваи-оболочки; 8 — свая-оболочка; 9 — болт^ /—/V — последовательность расположения деба-лансов
Молот закрепляется на стреле копра с помощью специальных отливок (лап поршневого блока) и траверсы. Молот поднимается кошкой, к которой прикреплен трос, идущий от лебедки. Для работы молота необходимо вначале поднять ударную часть и сбросить ее на поршень; это производится с помощью крюка и рычага» расположенных на кошке.
Работа трубчатого дизель-молота (рис. VII.4, б) ©снована на том же принципе, но в нем ударной частью является поршень. Цилиндр представляет собой стальную трубу, внутри которой перемещается поршень. Труба соединена с массивной пятой, имеющей чашеобразное углубление. Нижний конец поршня заканчивается ударником сферической формы. В нижнем положении, когда поршень соприкасается с пятой, между ними остается кольцевое пространство, образующее кам«ру сжатия. Жидкое топливо подается в углубление пяты и разбрызгивается ударником при падении'поршня. Топливный насос подает топливо автоматически, для чего служит рычаг, выступающий внутрь цилиндра сквозь щель в его стенке. Во время забивки сваи молот закреп-.ляют за стрелу копра, вдоль которой он свободно опускается по мере погружения сваи в грунт. Дизель-молоты работают на дешевых сортах жидкого топлива: соляровом масле, лигроине, керосине.
При забивке свай молотами необходимо защищать головы свай от разрушения. Для этого деревянные сваи укрепляют бугелем. При штанговом дизель-молоте бугель не ставят, так как его заменяет шаровая опора молота. Железобетонные сваи забивают с помощью наголовника с амортизирующими прокладками (рис. УП.5).
Начиная с 1949 г. для погружения свай с большим успехом применяют вибрационный способ. Снаряды вибрационного действия —в ибропогружатели, впервые разработанные и освоенные советскими специалистами (проф. Д. Д.Баркан, проф. К. С. Силин, инж. Б. П. Татарников и др.), позволяют в несколько раз ускорить процесс погружения свай в грунт и сократить трудоемкость и сроки работ по возведению фундаментов. Вибропогружателем свае сообщаются продольные колебательные движения, и свая легко проникает в грунт под действием только собственного веса и веса вибропогружателя, так как в результате колебаний почти полностью исчезает трение между поверхностью сваи и грунтом.
В зависимости от частоты колебаний различают высоко- и низкочастотные вибропогружатели. Высокочастотные вибропогружатели имеют частоту до 2500 колебаний в минуту. Применение их целесообразно для погружения стальных шпунтин. Для погружения свай применяют низкочастотные вибропогружатели с частотой в пределах от 400 до 650 колебаний в минуту.
Вибропогружатель (рис. УП.б, а) состоит из сваренного из стальных листов корпуса, на крышке которого расположен электромотор переменного тока. Системой зубчатых передач электромотор связан с валами, попарно вращающимися в противоположных направлениях; на валах насажены дебалансы.
При вращении дебалансов возникают центробежные силы (рис. VII-б), причем в нижнем и верхнем положении дебалансов эти силы суммируются, давая равнодействующую, направленную соответственно вниз и вверх, а при боковых положениях дебалансов центробежные силы взаимно уравновешиваются- Таким образом, вся вибросистема, состоящая из сваи с жестко закрепленным на ее голове вибропогружателем, испытывает переменную продольную изменяющуюся по синусоидальному закону силу N (рис- УП.б, в), которая создает необходимые для погружения сваи продольные колебательные движения.
Основными характеристиками вибропогружателей служат развиваемая ими центробежная сила, называемая возмущающей силой, и статический момент дебалансов.
Возмущающая сила (в кгс)
М а М I 2яя \2
е е \ 60 )
Статический момент дебалансов
191
190
Здесь М — суммарный статический момент дебалансов относительно осей вращения, кгс-см; со — угловая скорость вращения дебалансов; п — частота вращения, об/мин; § — ускорение силы тяжести, равная 981 см/с2; О г — вес 1-го дебаланса, кгс;
е\ — расстояние от оси вращения 1-го дебаланса до его центра тяжести, см.
М
От статического момента дебалансов зависит амплитуда колебания всей вибрюсистемы. При нормальном погружении сваи амплитуда (в см)
А,=
где Оц — вес вибропогружателя, кгс; Сев — вес сваи с наголовником, кгс.
Современные низкочастотные вибропогружатели характеризуются следующими показателями:
Возмущающая сила, тс 18,5—340
Статический момент эксцентриков, кгс-см 93—934
Число грузовых валов 2—8
Частота вращения дебалансов, об/мин 400—667
Потребляемая мощность, кВт 60—400
Масса вибропогружателя, т 4—27,6
Габаритные размеры, м:
высота 1,7—3,75
ширина 1,15—4,42
длина 0,88—5,1
В некоторых моделях вибропогружателей возмущающую силу можно изменять, меняя частоту вращения или статический момент дебалансов.
При погружении оболочек больших диаметров прибегают к установке спаренных, синхронно работающих вибропогружателей
(рис.УП.7).
Вибропогружатель должен быть жестко соединен со сваей. Для этого служат наголовники (переходники). Автоматический наголовник АСН-40 (рис. VII.8) для погружения призматических свай имеет фрикционное соедине ние наголовника со сваей. Силы трения создаются прижатием колодок к поверхности сваи пружинами. При натяжении тросов пружины сжимаются, ко лодки отходят от сваи и на головник без труда снимается; в Рис. VII.?. Спареииые вибропогру- таком же положении оголовник жателн ВП-250 устанавливают на сваю. Анало-
гичные наголовники применяют и для свай-оболочек. В них крепление осуществляется цанговым устройством, захватывающим стенку сваи (оболочки) с внутренней и наружной сторон.
Наголовники фрикционного действия весьма удобны: они требуют минимального времени для снятия и установки вибропогружателя. Однако они не универсальны, так как приспособлены для свай только определенных толщин. Поэтому на стройках продолжают применять переходники с болтовыми фланцевыми соединениями (рис. УП.9).
При нагружении оболочек приходится периодически удалять грунт из их внутренних полостей, для чего необходимо снимать с оболочки вибропогружатель, а затем вновь его устанавливать. Эта непроизводительная работа отнимает много времени (несколько часов при фланцево-болтовых переходниках) и снижает темпы погружения оболочек. Для исключения этих работ в мостостроении созданы вибропогружатели ВУ-1,6 для оболочек диаметром 1,6 м и ВУ-3 для оболочек 3 м с проходным отверстием (рис. VII. 10). В этих вибропогружателях диаметрально расположенные электромоторы, установлены на кольцевой раме. Внутреннее свободное пространство рамы позволяет разрабатывать грунт в оболочке без снятия вибропогружателя.
Кроме вибропогружателей в строительстве используются вибромолоты, в которых вибрационное воздействие совмещено с ударным. В вибромолоте (рис. VII.11) вибропогружатель соединен с погружаемым элементом (наголовником) пружинами и жесткими тягами (болтами). При вращении дебалансов наряду
Рнс. УП.8. Автоматический наголовник:
/ — вибропогружатель; 2 — трос от крюка крана; 3 — закрытая пружина; 4 — корпус; 5 — шарнир; 6 — зажимный башмак; 7 — свая
Рис. УП.9. Фланцево-болтовой наголовник (переходник):
/ — вибропогружатель; 2 — наголовник;
■3 — фланец; 4 — оболочка; 5 — болты; 6 — ребра жесткости
192
7—2644
193
Рис.
VII.11.
Схема вибромолота:
/
— электромотор; 2 — корпус; 3
—
дебалаис; 4
—
ударник; 6
— тяга;
6
—
пружина; 7 — наголовник; 8 — свая
ется.
Вибромолоты имеют следующие характеристики:
Возмущающая сила, тс 5—21,8
Статический момент эксцентриков кгс-м 3,22—24,60
Чистота вращения дебалансов, об/мин 960—1450
Частота ударов, уд/мин 480—1450
Потребляемая мощность, кВт 5,5—28
Масса вибромолота, т 1,1—6,5
При постройке фундаментов нередко возникает необходимость извлечения из грунта шпунта и свай. Это выполняется молотами двойного действия, вибропогружателями или сваевытаскивателя-ми специальной конструкции.
Для извлечения свай (шпунтов) молотом двойного действия молот закрепляют к свае в перевернутом положении и во время его работы тяговым тросом того или иного грузоподъемного крана. вытаскивают сваю из грунта. При вибропогружателе сваю также извлекают тросом, закрепленным за вибропогружатель.
Рис, VI 1.10. Вибропогружатель ВУ-1,6
194
Вспомогательным средством, облегчающим погружение, является подмыв свай напорной водой (рис. VII.12, а). Сущность подмыва заключается в том, что к нижнему концу сваи подается по трубам под большим напором вода. Вода, размывая грунт под острием сваи, значительно уменьшает сопротивление погружению. Одновременно, поднимаясь по стволу сваи вверх, вода смачивает ее поверхность и снижает силы трения. В результате сопротивление погружению настолько уменьшается, что свая проникает
Рис. VII.12. Схема подмыва свай и деталь конусного наконечника:
1 — водоем; 2 — насос; 3 — водонапорные трубы; 4 — копер; 5 — свая; 6 — подмывные трубы; 7 — наконечник подмывной трубы; 8 — воздуховодная труба; 9 — концевая часть воздуховодной трубы
в грунт под легкими ударами молота, а при интенсивном подмыве— только под действием собственного веса и веса молота, расположенного на ней.
Вода из водоема подается центробежным насосом по напорным стальным трубам и через гибкие шланги поступает в подмывные трубы внутренним диаметром й — от 37 до 75 мм (обычно 50 мм), которые заканчиваются конусными наконечниками. Конусный наконечник (рис. VII.12, б) имеет центральное отверстие диаметром (0,25-^0,4) д, и от четырех до восьми боковых отверстий диаметром 6—10 мм, направленных под углом 45° к продольной оси трубы.
При погружении сплошных свай (деревянных, железобетонных) подмывные трубы симметрично располагают вдоль боковых сторон сваи, поддерживая их тросами, идущими от лебедок; для фиксации положения трубы рекомендуется пропускать через хомуты или скобы, прикрепленные к свае. В пустотелых сваях подмывную трубу располагают внутри сваи, заранее закладывая в ее острие отрезок трубы, к которому присоединяют наконечник и подмывную трубу. Для повышения эффективности подмыва в пылеватых песках целесообразно применять пневмоиглу, по которой одновременно с водой подается к острию сваи сжатый воздух. Воздух, уменьшая удельный вес смеси воды с грунтом, способствует его размыву и выносу вверх по стволу сваи.
Подмыв прекращают, не доходя 1—2 м до проектной глубины погружения. После этого сваю добивают молотом. Добивка обеспечивает погружение нижней части сваи в грунты ненарушенной структуры и восстанавливает плотность.грунтов, размытых подмывом.
7* 195
.
Таблица УН.2
Таблица УН.З
Сваи сечением 50-70 см
Сваи сечением 30—50 см
Внутренние
диаметры подмывных
труб,
мм (числитель), и расхоц
воды,
л/мин (знаменатель)
Необходимый
напор у наконечника, кгс/см2
Глубина
погружения сваи * в грунт, м
50/1000—1500
80/1500—2000
106/2000—3000
68/1500—2000
106/2000—3000
106—131/2500-4000
4—8
8—10
10—15
6—10 10—15 15—20
37/400—1000
68/1000—1500
80/1500—2500
50/1000—1500
80/1500—2500
106/2500—3000
5—15 15—25 25—35
5—15 15—25 25—35
Ил, илистый песок, мелкозернистый песок, супесь, илистая глина, мягкая глина
Песок и супесь, слежавшиеся, песок с галькой и гравием, суглинок, глина средней плотности
Необходимый напор и расход воды для подмыва свай может быть ориентировочно определен по табл. VI 1.2.
Расчет оборудования для подмыва свай сводится к определению параметров насоса по характеристикам принятой системы подачи воды.
При заданном расходе воды <2 м3/с насос должен обеспечить напор воды
Я=Я0 + Л1 + Л2 + Лз.
Потери в напорных трубах можно определить по формуле
аСрЬ.
/З5,33
0,0014825
Для наиболее употребительных а = 319,4. Потери напора в шлангах
труб диаметром 100 мм
Йо =
Здесь Н0 — необходимый напор у наконечника, задаваемый согласно табл. VII.1 (1 кгс/см2 равен 10 м напора), м; Н\ —потери «апора в напорных трубах, м; Л2 — потери напора в шлангах, м; 1ц — потери напора в клапанах, тройниках и т. д., м; Б — диаметр напорных труб, м; Ь — длина напорной сети, м; ^ш — длина шлангов; кш— коэффициент, принимаемый по данным табл. \^Н.З.
Потеря напора в каждом из клапанов, тройников и т. д. приблизительно равна потере в прямой трубе длиной 5 м. По полученным С} к Н подбирают необходимую насосную установку.
Подмыв свай наиболее эффективен в несвязных грунтах. В глинах и суглинках, особенно твердых и полутвердых, прибегать к подмыву не рекомендуется, так как при размыве этих грунтов значительно снижается несущая способность свай.
|
Коэффициент к лля шланга | ||
Внутренний диаметр шланга, мм |
пенькового |
прорезиненного |
резинового |
33 50 67 76 |
20 30 340 800 |
33 133 567 1333 |
50 200 850 2000 |
При забивке свае должно быть придано положение, соответствующее проектному. Кроме того, для работы большинства сваебойных снарядов, особенно при погружении наклонных свай, необходимо иметь направляющие устройства, фиксирующие перемещение молотов и направление их ударов. Для этого служат копры и краны, снабженные соответствующим навесным оборудованием, а также направляющие каркасы и кондукторы.
Копры представляют собой конструкции целевого назначения: их применяют только для погружения свай (шпунта). Они могут быть деревянными и металлическими. В современном строительстве преимущественно применяют металлические копры сборно-разборной конструкции.
Легкий копр (рис. VII. 13), специально приспособленный для работы дизель-молотов, состоит из вертикальной стрелы, горизонтальной рамы и элементов жесткости. Стрела и рама выполнены из швеллеров, элементы жесткости — из труб; все монтажные соединения— на болтах. Рама установлена на ролики с горизонтальными и вертикальными осями вращения, что облегчает перемещение копра. На раме расположена двухбарабанная лебедка, один трос которой служит для подъема молота, другой — для подъема и установки под молот свай. Вверху стрела оканчивается траверсой и роликами для тросов. Для забивки наклонных свай стрела может быть поставлена с наклоном 1 : 10 в сторону копра или от него. Полная высота копра в зависимости от его марки составляет от 11 до 17 м; полезная высота, равная полной, за вычетом высоты молота в его верхнем положении — от 7,5 до 13 м; масса копра с лебедкой — от 1,85 до 10,75 т.
При большом объеме свайных работ и погружении длинных тяжелых свай применяют универсальные полноповоротные самоходные копры (рис..VII. 14), оборудованные самостоятельной паросиловой или компрессорной установкой. Наибольший наклон стрелы таких копров —1:3. Высота их обеспечивает возможность забивки свай длиной до 28 м. В комплект универсальных копров входят паровоздушные молоты одиночного или двойного действия. Масса универсальных копров с оборудованием — от 30 до 75 т.
Часто возникает необходимость в забивке свай ниже уровня стоянки копра. В этом случае пли наращивают сваю съемным элементом, называемым подбабком, или же присоединяют к стреле "
196
197
/ — трос для подъема свай; 2 — стрела; 3 — элементы жесткости: 4 — трос для подъема дизель-молота; 5 — дизель-молот; 6 — рама
копра съемный элемент, называемый выносной стрелой. Подбабок значительно ухудшает забивку сваи, и применять его не рекомендуется. Длина выносной стрелы достигает в некоторых видах копров 5—7 м, что позволяет забивать сваи в глубоких котлованах . при расположении копра выше его дна.
Копры обеспечивают большую точность погружения свай и возможность использования мощных сваебойных снарядов. Однако они непригодны для других строительных работ и не обладают достаточной маневренностью.
В этом отношении универсальны самоходные' краны на пневматическом или гусеничном ходу, снабженные навесным копровым оборудованием (рис. VII. 15). Навесное оборудование состоит из направляющей стрелы и телескопической распорки, удерживающей стрелу в заданном вертикальном или наклонном положении. Направляющая стрела вверху прикреплена к основной грузоподъемной стреле крана, а внизу для большей устойчивости ее иногда опирают на грунт с помощью пружинных опорных подушек.
22
198
Рис.
VII.17.
Трехъярусный каркас для погружения
оболочек
Рис. УП.15. Самоходный гусеничный кран-копер
Рис. VII.16. Копровое направляющее устройство:
/ — направляющие стрелы; 2 — ферма жесткости; 3 — вибропогружатель; 4 — ролики; 5 — оболочка; 6 — винтовая распорка; 7 —лебедка; 8 — балласт; 9 — рама; 10 — рельсовый путь
200
Кроме самоходных автомобильных или гусеничных кранов для погружения свай могут быть использованы и другие виды строительных кранов, снабженных аналогичным навесным оборудованием — стационарные стреловые >краны-дерики, козловые .краны и т. д. Кроме копров, изготовляемых промышленностью, при постройке мостов часто прибегают к устройству копровых направляющих каркасов и кондукторов.
Копровые направляющие (рис. VII. 16), собираемые из инвентарных сборно-разборных конструкций (УИК), состоят из направляющих вертикальных или наклонных стрел и двух или более ферм жесткости. Фермы жесткости устанавливают на тележки, облегчающие их перемещение, или при небольшой массе и высоте переставляют кранами-
Каркасы (рис. VII.17) представляют собой пространственную стальную конструкцию, состоящую из нескольких, обычно двух или трех, горизонтальных плоскостей, соединенных вертикальными связями. Горизонтальные плоскости и связи собирают из линейных элементов (уголков, швеллеров, двутавров) в геометрически неизменяемую систему. Все монтажные соединения элементов болтовые, что обеспечивает разборку каркаса после возведения фундамента.
Для погружения свай (оболочек) в каркасах предусматривают фиксированные ячейки. Ячейки обустраивают четырьмя направляющими деревянными брусьями, удерживающи-
ми погружаемый элемент в проектном положении. Длина брусьев для вертикальных свай (оболочек) — не менее 2 м при одноярусных каркасах и 4 м при двухъярусных. Для наклонных свай (оболочек) длина направляющих брусьев должна быть не менее 6 м. Зазор между погружаемым элементом и направляющими брусьями — 2—3 см.
Каркасы применяют на акваториях при глубине воды более 3—4 м. Для погружения вертикальных свай и оболочек, при скорости течения воды до 1 м*/с и глубине не более 10 м применяют одноярусные каркасы, при больших глубинах и скоростях течения, а также для погружения наклонных свай и оболочек применяют каркасы из двух и более ярусов.
На верхней плоскости каркасов устанавливают рабочий настил,-на котором можно располагать необходимое для выполнения работ оборудование.
Обычно каркасы одновременно используют как распорное крепление шпунтовых ограждений.
Каркасы сложные и дорогие сооружения (масса их достигает 30—100 т) и применение их экономически оправдывается при многократном использовании.
й,5 П
201
Для удешевления постройки фундаментов весьма перспективны (вместо каркасов) железобетонные кондукторы, включаемые в состав плит фундаментов. Кондуктор обычно (рис. VII. 19) пред-
В^Е
ставляет собой железобетонный понтон, в дне которого имеются направляющие патрубки для свай.
Патрубки выведены выше уровня воды в акватории, борты на-рощены деревянными перемычками, чем обеспечена плавучесть кондуктора.
После установки 'кондуктора по осям опоры и раскрепления якорями погружают сваи через патрубки, а затем насухо бетонируют плиту фундамента. .
Применение плавучих кондукторов осложняется при больших скоростях течения воды и значительных колебаниях ее уровня в период строительства.