Технология устройства фундаментов 4. Технология погружения забивных свай

С предприятий стройиндустрии сваи доставляют в готовом для по­гружения в грунт виде. В зависимости от характеристик грунта суще­ствует ряд методов устройства свай, в том числе ударный, вибрацион­ный, вдавливанием, завинчиванием, с использованием подмыва и элек­троосмоса, а также различными комбинациями этих методов.

Ударный метод основан на использовании энергии удара (воздей­ствия ударной нагрузки), под действием которой свая своей нижней заостренной частью внедряется в грунт. По мере погружения она сме­щает частицы грунта в стороны, частично вниз или наверх. В резуль­тате погружения свая вытесняет объем грунта, практически равный объему ее погруженной части. Меньшая часть этого грунта оказывает­ся на дневной поверхности, большая - смешивается с окружающим грунтом и значительно уплотняет грунтовое основание. Зона заметно­го уплотнения грунта вокруг сваи составляет 2...3 диаметра сваи.

Ударную нагрузку на оголовок сваи создают специальные меха­низмы:

паровоздушные молоты, которые приводятся в действие силой сжатого воздуха или пара, непосредственно воздействующих на удар­ную часть молота;

дизель-молоты, работа которых основана на передаче энергии сго­рающих газов ударной части молота;

вибропогружатели - передача колебательных движений рабочего органа на сваю (использование вибрации);

вибромолоты - сочетание вибрации и ударного воздействия на сваю.

Вибропогружатели и вибромолоты чаще используют при погруже­нии трубчатых свай-оболочек большого диаметра, при погружении в грунт и извлечении шпунтовых свай.

Рабочий цикл молотов всех типов состоит из двух тактов: холосто­го хода, в течение которого происходит подъем ударной части на оп­ределенную высоту, и рабочего хода, в течение которого ударная часть с большой скоростью движется вниз до момента удара по свае. В ряде свайных молотов рабочий ход происходит только под действи­ем массы ударной части, такие молоты называются молотами одиноч­ного действия.

В молотах двойного действия в точке максимального подъема ударная часть получает дополнительную энергию, на сваю действуют эта энергия и масса ударной части молота. В процессе работы молота корпус его остается неподвижным на голове погружаемой сваи, удар­ная часть молота движется внутри корпуса. Энергия сгорания не толь­ко поднимает ударную часть молота на предельную высоту, но и воз­действует на нее ударом, когда она под действием силы тяжести пада­ет вниз. Подача топлива и его возгорание в зависимости от положения ударной части выполняются автоматически.

Дизель-молоты, по сравнению с паровоздушными, отличаются бо­лее высокой производительностью, простотой в эксплуатации, авто­номностью действия и более низкой стоимостью. Автономность обес­печивается путем подъема за счет рабочего хода двухтактного дизель­ного двигателя.

На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты (рис. 4.5). Ударная часть штанговых дизель-молотов -подвижный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направ­ляющих штангах.

При падении цилиндра на неподвижный поршень в камере сгорания воспламеняется смесь воздуха и топлива. Образовав­шиеся в результате сгорания смеси газы подбрасывают цилиндр вверх, после чего происходит новый удар и цикл повторяется.

      В трубчатых дизель-молотах неподвижный цилиндр, имеющий пяту, является направляющей всей конструкции. Ударная часть -подвижный поршень с головкой. Воспламенение смеси происходит при ударе головки поршня по поверхности сферической впадины  ци­линдра.

        Главное преимущество дизель-молота трубчатого типа над штанго­вым в том, что при одинаковой массе ударной части они обладают значительно большей (в 2...3 раза) энергией удара.

        Рекомендуется сле­дующее отношение массы ударной части молота к массе сваи: для штанговых молотов 1,25; для трубчатых - 0,5...0,7. Для молотов оди­ночного действия количество ударов в 1 минуту составляет 45... 100, масса ударной части до 2500 кг. Аналогично для молотов двойного действия количество ударов в 1 минуту до 300, масса ударной части до 1200 кг.

В комплект молота входит наголовник, необходимый для закрепле­ния сваи в направляющих сваебойной установки, предохранения голо­вы сваи от разрушения ударами молота и равномерного распределения удара по площади сваи. В этой связи внутренняя полость наголовника должна соответствовать очертанию и размерам головы сваи и жестко на ней быть закрепленной.

      Для подъема и установки сваи в заданное положение и для за­бивки свай с обеспечением передачи усилия от молота сваи строго в вертикальном положении применяют специальные устройства -копры (рис.4.6). Основная рабочая часть копра - его стрела, вдоль которой устанавливают перед  погружением молот, опускают и под­нимают его по мере забивки сваи. Наклонные сваи погружают в грунт копрами с наклонной стрелой. Копры бывают на рельсовом ходу (универсальные металлические копры башенного типа) и само­ходные - на базе кранов, тракторов, экскаваторов и автомашин со стрелой длиной 9...18 м.

Рис. 4.5. Схемы дизель-молотов: а - штангового; б - трубчатого; 1 - подвиж­ный цилиндр; 2 - направляющие штанги; 3 -поршень; 4 - подвижный поршень; 5 - го­ловка; б - неподвижный цилиндр; 7 - опор­ная часть

Универсальные копры имеют значительную собственную массу до 20 т. Монтаж и демонтаж таких копров, устройство для них подкрановых путей – достаточно трудоемкие процессы, поэтому универсальные копры применяют для забивки свай длиной более 12 м при большом объеме свайных работ на объекте.       Наиболее распространены в промышленном и гражданском строи­тельстве сваи длиной 6... 10 м, которые забивают с помощью самоходных сваебойных установок.        Такие установки маневренны и имеют ме­ханические устройства для подтаскивания и подъема на необходимую высоту сваи, закрепления головы сваи в наголовнике, в вертикальном выравнивании стрелы со сваей перед забивкой.

     Забивка свай состоит из трех основных повторяющихся операций:

■  передвижка и установка копра на место забивки сваи;

■  подъем и установка сваи в позицию для забивки;

■  забивка сваи.

Центр тяжести свайного молота должен совпадать с направлением забивки сваи. Свайный молот поднимают на высоту, достаточную для установки сваи, с некоторым запасом на ход молота и в таком положе­нии закрепляют. При забивке стальных и железобетонных свай моло­тами одиночного действия обязательно применение наголовников для смягчения удара и предохранения головы сваи от разрушения.

В процесс забивки свай входят установка сваи в проектное положе­ние, надевание наголовника, опускание молота и первые удары по свае с высоты 0,2...0,4 м, после погружения сваи на глубину 1м- переход к режиму нормальной забивки. От каждого удара свая погружается на определенную глубину, которая уменьшается по мере заглубления сваи. В дальнейшем наступает момент, когда глубина забивки сваи практически незаметна. Практически свая погружается в грунт на одну и ту же малую величину, называемую отказом.

           Отказ — глубина погружения- сваи за определенное количество уда­ров обычно молота одиночного действия или за единицу времени для молотов двойного действия. Величина отказа - среднее от 10 или се­рии ударов в единицу времени.

          Залог - серия ударов, выполняемых для замера средней величины отказа: для паровоздушных молотов в залоге 20...30 ударов; для ди­зель-молотов в залоге 10 ударов; для дизель-молотов двойного дейст­вия отказ определяют за 1 мин. забивки.

        Замеры проводят с точностью до 1 мм, забивку прекращают при получении заданного по проекту отказа (расчетного).

         Если средний от­каз в трех последовательных залогах не превышает расчетного, то про­цесс забивки сваи считается законченным.

        Если при погружении свая не дошла до проектной отметки, но уже получен заданный отказ, то этот отказ может оказаться ложным,   вследствие возможного перенапряжения в грунте от забивки предыдущих свай.

 

 

Рис. 4.6. Сваебойные копровые установки: а - мостовая; б - рельсовая универсальная; в - на базе экскаватора; г-на тракторе; д - на автомобиле; 1 - кабина; 2 - копровая мачта;3 - мост; 4 - рельсовый путь; 5 - свая; 6 – оголовник с блоками; 7 - ходовая тележка; 8 - поворотная платформа; 9 - молот; 10 - базовая машина; 11 -стрела; 12 - распорка; 13 - гидроцилиндр; 14 -выдвижной механизм; 15 - гидроцилиндр подъема и наклона стрелы; 16 - механизм подъема сваи; 17 - подвижная рама

Через 3...4 дня свая может быть пог-ружена до проектной отметки.        Погружение свай вибрированием осу-ществляют с исполь-зованием вибрацион-ных механизмов, ока-зывающих на сваю динамические воздей-ствия, которые позво-ляяют преодолеть сопротивление трения на боковых поверх-ностях сваи, лобовое сопротивление грун-та, возникающее под острием сваи, и пог-рузить сваю на проектную глубину (рис. 4.7).        На скорость погружения и ампли-туду колебаний влияют масса вибрирующих частей сваи и виб-ратора, его эксцент-риситет, плотность грунта, участвующего в колебаниях, частота колебаний вибропогру-жателя. Бла­годаря виб-рации для погружения свай в грунт

требуется усилия иногда в десятки раз меньшие, чем при забивке. При этом происходит частичное виброуплотнение грунта, в том числе и под головкой сваи. Зона уплотнения для разных грунтов составляет 1,5...3 диаметра сваи. Для погружения свай в грунт вибрированием используют вибропогружатели, которые подвешивают к мачте сваепогружающей ус­тановки и жестко соединяют с наголовником сваи. Действие вибропогружателя основано на принципе, при котором вызываемые дисбалансами

вибратора горизонтальные центробежные силы взаимно ликвидируются, в то время как вертикальные силы суммируются. Амплитуда виброколебаний и масса вибросистемы, в которую вхо­дят свая, наголовники и вибропогружатель, должны обеспечить виб­рацию примыкающим слоям грунта, включение их в эту систему, в результате происходит раздвижка зерен грунта под контуром по­груженной части сваи.

      Способ наиболее приемлем в песчаных грунтах, водонасыщенных мелких и пылеватых грунтах, где скорость погружения может дости­гать 3,5...7 м/мин. Этим методом погружают сплошные и полые железобетонные сваи, сваи-оболочки, металлический шпунт.

Рис. 4.7. Вибропогружение свай: а - сваепогружающая установка; б —вибропогружатель с подрессоренной пригрузкой; в- вибро­молот; 1- вибропогружатель; 2 — экскаватор; 3 - свая;4- электродвигатель; 5 - пригрузочные плиты; б - вибратор; 7 - дебалансы;8 - наголовник; 9 - пружины; 10 - ударная часть с электро­двигателем; 11 - боек; 12 — наковальня

При глинистых и тяжелых суглинистых грунтах под острием сваи может возникнуть глинистая подушка, которая снижает несущую способность сваи до 40%. Поэтому на заключительной стадии погру­жения, на последние 15...30 см свая погружается в грунт ударным способом. При выборе низкочастотных погружателей (до 420 кол/мин), при­меняемых при погружении тяжелых железобетонных свай и трубчатых свай диаметром 1000 мм и более, необходимо, чтобы момент эксцен­триков превышал массу вибросистемы не менее чем в 7 раз для легких грунтов и в 11 раз для средних и тяжелых грунтов.      Для погружения легких свай массой до 3 т и металлического шпунта в грунты, не оказывающие большого лобового сопротивления под острием сваи, применяют высокочастотные (от 1500 кол/мин) виб­ропогружатели с подрессорной пригрузкой, состоящие из самого

виб­ратора и присоединенного к нему с помощью системы пружин допол­нительного пригруза с расположенным на нем электродвигателем.

Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных водона­сыщенных грунтах. Применение метода для погружения свай в мало­влажные плотные грунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т. е. при предварительном пробуривании скважин.

Более универсальным является виброударный способ погружения свай с помощью вибромолотов. При работе вибромолота наряду с виб­рационным воздействием на сваю периодически опускается ударник, оказывая и динамическое воздействие на голову сваи.

Наиболее распространены пружинные вибромолоты. В них при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях соз­даются постоянные колебания. Когда зазор между ударником и нако­вальней сваи оказывается меньше амплитуды колебаний, ударник пе­риодически ударяет через наковальню по свае. Вибромолоты могут са­монастраиваться, т. е. увеличивать энергию удара с повышением со­противления грунта погружению сваи. Масса ударной части вибромолота применительно к погружению железобетонных свай должна быть не менее 50% от массы сваи и составлять 650..1350 кп.

Виброударный способ применим в связанных плотных грунтах, и позволяет в 3...8 раз быстрее при одинаковой мощности с вибрационным способом осуществлять погружение свай в грунт за счет одно- временной вибрации и забивки. При этом должно быть обеспечено же­сткое соединение вибропогружателя со сваей.

Метод вибровдавливания основан на комбинации вибрационного или виброударного воздействия на сваю и статического пригруза. Вибровдавливающая установка состоит из двух рам. На задней раме находятся    электрогенератор,    работающий   от   тракторного   двигателя и двухбарабанная лебедка, на передней раме размещены направляю­щая стрела с вибропогружателем и блоки, через которые проходит к вибропогружателю вдавливающий канат от лебедки. В рабочем по­ложении вибропогружатель, расположенный над местом погружения сваи, поднимает сваю и устанавливает ее вместе с закрепленным наголовником  на место ее забивки. При  включении вибропогружателя и лебедки свая погружается за счет собственной массы, массы вибро­погружателя и части массы трактора, передаваемой вдавливающим канатом через вибропогружатель на сваю. Одновременно на сваю дейст­вует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессо­ренной плитой.    

Метод вибровдавливания не требует устройства путей для пере­движки рабочего агрегата, исключает повреждение и разрушение свай. Особенно эффективен при погружении свай длиной до 6 м.

Погружение свай вдавливанием применяют для коротких свай сплошного и трубчатого сечения (3...5 м). Статическое вдавливание  осуществляется   в   такой  последовательности:   сваю   устанавливают  в вертикальное положение в направляющей стреле агрегата. Далее на голову сваи опускают и закрепляют оголовник, передающий давление от базовой машины (трактора, экскаватора) через систему блоков и по­лиспастов непосредственно на сваю, которая благодаря этому давлению постепенно погружается в грунт. После достижения сваей проект­ной отметки погружение прекращают, снимают наголовник, агрегат переезжает на новую позицию. Применимо статическое вдавливание с использованием одновременно задействованных двух механизмом (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Схема погружения сваи статическим давливанием: 1 - лебедка и тяговый канат для опускания опорной плиты и подъема наголовника; 2 – растяжки стрелы; 3 - блоки; 4 - рама стрелы; 5 - наголовник с блоками; 6 - вдавливающий канат; 7 -вдавливающая лебедка; 8 - опорная плита; 9 -отводной блок вдавливающего каната; 10 - свая;11 - рама; 12 – трактор

Погружение  свай   завинчиванием  основано   на  завинчивании стальных и железобетонных свай со стальным наконечником с помощью мобильных установок, смонтированных на базе автомобилей или других самоходных средств.         Метод применяют чаще всего при устройстве фундаментов под мачты линий электропередачи, радиосвязи и других сооружений, где в достаточной мере могут быть использова­ны несущая способность винтовых свай и их сопротивление выдерги­ванию (рис. 4.9). Установка для завинчивания состоит из рабочего органа, приводов вращения и наклона рабочего органа, гидросистемы, пульта управле­ния, четырех гидравли-ческих выносных опор и вспомога-тельного обо­рудования. Рабочий орган кабестан - механизм, состоящий из двух пар захватов и электродвигателя. Захваты обжимают сваю и передают ей вращение от электродвигателя. В зависимости от назначения (пере­дачи нагрузки на большую площадь или

заглубления в плотные грун­ты) винтовые лопасти наконечников могут иметь в диаметре до 3 м, минимальный диаметр лопастей составляет 30 см; длина свай может превышать 20 м. Конструкция рабочего органа позволяет выполнять следующие операции: втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую обо­лочку), обеспечивать заданный угол погружения сваи в пределах 0...45о от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одно­временным использованием осевого усилия. Это усилие при необходи­мости можно использовать при вывертывании сваи из грунта. Враще­ние рабочего органа осуществляют от коробки отбора мощности через соответствующие редукторы.

Рис. 4.9. Схема процесса завинчивания свай:

1 - конструкция наконечника при погружении в слабые грунты; б — то же, в плотные грунты; в схема погружения сваи; 1 - редуктор наклона рабочего органа; 2 - рабочий орган (кабестан); 3 -свая; 4 - наконечник сваи; 5 - выносные опоры

 

Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай метода­ми забивки или вибропогружения. Только вместо установки и снятия наголовника при этом методе одевают и снимают металлическую оболочку.

После завинчивания винтовой сваи (диаметр труб достигает 1 м), ее внутренняя полость заполняется бетоном. Скорость погружения винтовых свай зависит от диаметра лопасти и характеристик грунта и находится в пределах 0,2...0,6 м/мин.

Достоинства винтовых свай в их высокой несущей способности, возможности плавного погружения в грунт, восприятии отрицатель­ных усилий.

      Погружение свай подмывом грунта применяют в несвязных и малосвязных грунтах - песчаных и супесчаных. Целесообразно под­мыв использовать для свай большого поперечного сечения и большой длины, но недопустимо для висячих свай. Способ заключается в том, что под действием воды, вытекающей под напором у острия сваи из одной или нескольких труб, закрепленных на свае, грунт разрыхляется и частично вымывается (рис. 4.10). При этом сопротивление грунта у острия сваи снижается, а поднимающаяся вдоль сваи вода размывает прилегающий грунт, уменьшая тем самым трение по боковым поверх­ностям сваи. В результате свая погружается в грунт под действием собственной массы и массы установленного на ней молота.

Расположение трубок для подмыва грунта диаметром 38...62 мм может быть боковым, когда две или четыре трубки с наконечниками находятся по бокам сваи, и центральным, когда одно- или многоструй­ный наконечник размещен в центре пустотелой забиваемой сваи. При боковом подмыве, по сравнению с центральным подмывом, создаются более благоприятные условия для уменьшения сил трения по боковой поверхности свай. При боковом расположении подмывные трубки кре­пят таким образом, чтобы наконечники находились у свай на 30...40 см выше острия.

Для подмыва грунта воду в трубки подают под давлением не ме­нее 0,5 МПа. При подмыве поверхности свай, что может в последующем привести к снижению несущей способности сваи. Учитывая, что свая должна будет в дальнейшем воспринимать нагрузку, погружение с подмывом осуществляют только до заданного уровня, а затем с помощью сваебойной установки ее забивают до проектной глубины (на 0,5...2,0 м). При этом способе погружения производительность возрастает на -30...40% по сравнению с чистой набивкой, экономится горючее. После прекращения подачи воды и стабилизации уровня грунтовых вод, грунт уплотняется и плотно обжимает сваю.

Применение метода подмыва не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также в целом на просадочных грунтах.

а)	а)
Рис. 4.10. Подмыв грунта для погруже­ния свай: а - погружение квадратных свай с подмывом грунта; 1 - молот; 2 - трос, поддерживаю­щий подмывные трубки; 3 - напорный шланг; 4 - подмывные трубки; 5 - свая; 6 -расположение подмывных трубок; в - нако­нечник подмывной трубы

Погружение свай с использованием электроосмоса применяют в водонасыщенных плотных глинистых грунтах, в моренных суглин­ках и глинах. Для практической реализации метода уже погруженную в грунт сваю присоединяют к положительному полюсу (аноду) элек­трической сети постоянного тока, а соседнюю с ней, подготовленную для погружения в грунт - к отрицательному полюсу (катоду). При включении тока вокруг сваи с положительным полюсом резко снижа­ется влажность грунта, а у соседней с отрицательным полюсом она на­оборот резко увеличивается. В более влажной среде свая быстрее по­гружается р грунт, что позволяет применять сваебойное оборудование меньшей мощности.

После окончания забивки и отсоединения свай от источника тока в грунте быстро восстанавливается былая стабилизация грунта и его влажностного состояния. Благодаря этому, только за счет уменьшения влажности вокруг забитой сваи ее несущая способность значительно возрастает.

Если железобетонные сваи при методе осмоса дополнительно осна­стить металлическими полосами, которые будут занимать 20...25% боковой поверхности свай, и также, уже забитую сваю подсоединить к аноду, а погружаемую с металлическими полосами к катоду, то толь­ко это позволит на 20...30% сократить трудозатраты и продолжитель­ность погружения по сравнению с чистым методом электроосмоса. По сравнению с забивкой свай, использование дополнительно особенностей электроосмоса позволяет на 25...40% ускорить процесс погружения свай в грунт.

Последовательность  погружения  свай.   Порядок  погружения  свай зависит от их расположения в свайном поле и параметров сваепогружающего оборудования. 

  Последовательность забивки свай определяется техкартой или проектом производства работ, она зависит от размеров свайного поля и свойств грунтов.

Применимы три схе­мы — рядовая, когда последовательно забиваются все сваи в одном ряду; спиральная, при забивке свай от центра к сваям внешних ря­дов и секционная, когда все поле делят на отдельные секции по ши­рине здания, в которых забивка осуществляется по рядовой схеме (рис. 4.11).Спиральная схема предусматривает погружение свай концентриче­скими кругами от центра к краям свайного поля, что позволяет

Рис. 4.11. Схема рядовой системы по­гружения свай: а - при прямолинейном расположении свай отдельными рядами; б- при расположении свай кустами; 1...15 - последовательность за­бивки свай

полу­чить минимальную протяженность пути сваепогружающей установки. Кроме этого при погружении свай вокруг нее грунт дополнительно уплотняется. При спиральной схеме вновь забиваемые сваи находятся всегда по внешнему контуру свайного поля, поэтому напряженность уже забитого поля оказывает минимальное воздействие. При больших расстояниях между отдельными сваями последова­тельность погружения может определяться в основном технологиче­скими соображениями,

прежде всего используемым оборудованием. У некоторых копров башенного типа мачты опираются на выдвижные рамы, смещающиеся примерно на 1 м. Такими копрами можно заби­вать сразу сваи двух рядов с одной стоянки, что значительно снижает трассу движения копра и время на его передвижки. При сооружении подземной части жилых зданий нашли применение краны, оснащен­ные навесным копровым оборудованием, перемещающиеся по рельсо­вому пути вдоль бровки котлована здания.

При устройстве свайных фундаментов зданий большой протяжен­ности рационально применять мостовую сваебойную установку (рис.4.12), представляющую собой передвижной мост, по которому переме­щается тележка с копром.

Сваи длиной 8... 12 м забивают дизель-моло­том. Достоинством мостовой сваебойной установки является возмож­ность точной установки свай в месте забивки, предварительная рас­кладка свай в зоне работ значительно сокращает операции по

Pис. 4.12. Схема погружения свай мостовой сваебойной установкой: 1 - головка с блоками; 2 - дизель-молот; 3 - свая; 4 —копер; 5 — рельсы; 6 — передвижной мост;  7 - кран для подачи свай

подтас­киванию и закреплению сваи на копре, что значительно повышает производительность и качество работ. При погружении свай основными факторами, определяющими вы­бор метода и сваепогружающего обору-дования, являются физико-ме­ханические свойства грунта, объем свайных работ, вид свай, глубина их погружения, производительность применяемых сваебойных устано­вок и свайных погружателей. Объемы предстоящих работ измеряют числом свай, которые необ­ходимо забить, или суммарной длиной погружаемой в грунт части свай. От этих объемов, специфики грунтовых условий и заданных сро­ков работ зависит выбор

 оборудования для погружения свай и количе­ство сваепогружающих установок

Список использованных источников

1.СНиП 2.02.03-85 (1995) Свайные фундаменты.

2.СНиП 2.02.01-83 (1995) Основания зданий и сооружений.