Сооружение свайных фундаментов

Широкое применение свайных фундаментов в мостах (до 24 % от общего числа фундаментов) объясняется их экономичностью, индустриальностью изготовления конструкций, более простой технологией сооружения. Комплекты оборудования для свайных работ включают рабочие органы для погружения свай, копры для установки и удержания сваи в процессе погружения, а также направляющие каркасы и другие приспособления.

В грунт сваи погружают снарядами ударного, виброударного и вибрационного действия. Кроме того сваи могут погружать завинчиванием и вдавливанием. Поэтому основными рабочими органами могут быть: молоты, вибромолоты, вибропогружатели, кабестаны и оборудование для вдавливания свай.

Молоты. Раньше других стали применяться свободно падающие молоты - "бабы", подъем которых производился, с помощью ручных, а позже - электрических фрикционных лебедок. В годы Великой Отечественной войны применение таких молотов, выполненных в виде металлических отливок массой 600…800 кг, на самодельных деревянных копрах позволило преодолеть дефицит сваебойной техники. Безотказность в работе является отличительным показателем таких установок. Это качество обеспечило их широкое применение и в послевоенные годы.

Паровоздушные молоты бывают одиночного и двойного действия. В молотах одиночного действия энергия удара создается весом падающей ударной части - цилиндра. В молотах двойного действия энергия удара создается не только ударной частью, но и давлением пара (воздуха) на ударную часть - поршень. Современные конструкции паровоздушных молотов имеют вес ударной части до 8 т одиночного и до 2,2 т двойного действия, позволяющие обеспечить забивку свай массой до 10 т.

В последнее время широкое распространение находят гидравлические молоты, принцип действия которых аналогичен паровоздушным молотам двойного действия. Энергия удара в этих молотах создается весом ударной части и давлением жидкости.

Дизельные молоты, работающие по принципу двухтактного двигателя, являются основным видом современных сваебойных средств.

Массовое применение дизельных молотов объясняется их независимостью от внешних источников энергии, сравнительной дешевизной при высокой производительности, быстрой подготовкой к работе и простотой эксплуатации, а также возможностью перевозки автомобильным транспортом и перегрузки табельными стреловыми кранами.

Существуют штанговые и трубчатые дизельные молоты. В штанговых молотах ударной частью является цилиндр, перемещающейся по двум вертикальным штангам. В настоящее время промышленность выпускает легкие штанговые молоты пригодные для забивки небольшого веса деревянных свай.

В трубчатых молотах типа УР (ударного разбрызгивания топлива), ударной частью является поршень, двигающийся внутри цилиндра, установленного на свае. Легкие молоты типа УР 2-500 применяются для забивки деревянных одиночных свай, а тяжелые УР2-1250, УР2-1800 и более мощные предназначены для погружения железобетонных свай и металлического шпунта большой длины. С 1975 года промышленность начала выпускать молоты УР-7500 с ударной частью весом 7,5 тс. Большая работа по совершенствованию дизельных молотов проводится в железнодорожных войсках. По инициативе железнодорожных войск были разработаны и внедрены в производство быстроходные дизельные молоты, а также молоты в северном исполнении. В зарубежной практике находят применение дизельные молоты с ударной частью 20 тс (фирма Thyssen Krupp).

Вибромолоты до настоящего времени находятся, скорее, в стадии разработки и совершенствования, чем в широком использовании Они воздействуют на сваю вибрацией и силой удара рабочего органа.

Вибропогружатели с электрическим приводом, обеспечивают опускание сваи за счет уменьшения трения грунта вибрацией, созданной направленными колебаниями синхронно вращающихся в разные стороны дебалансов.

Кабестаны предназначены для создания крутящего момента, необходимого для завинчивания винтовых свай.

Винтовые сваи обладают минимальным весом на единицу несущей способности по сравнению с другими средствами аналогичного предназначения. Благодаря этому преимуществу и другим положительным качествам винтовые сваи особенно применимы в военном мостостроении, где весовые показатели, универсальность и надежность в работе имеют решающее значение.

Специальная техника вдавливающего действия применяется в стесненных условиях, не допускающих вибрации грунта, и других особых случаях.

Копровые установки предназначены для постановки сваи на место забивки, удержания сваи и молота в ходе погружения, подъема молота и перемещения на новое место забивки.

Большое распространение в строительстве находили башенные копры, перемещающиеся по каткам, тележкам (типа КДМ, С-532, С‑955 и др.) или более современные на специальном шасси типа МСК.

Мобильный складной копер МСК-1м, разработанный и принятый на вооружение в железнодорожных войсках, с дизельным молотом УР2‑1250 предназначен для забивки вертикальных и наклонных свай массой до 3000 кг и длиной до 12 м на суше, со льда и на мелководье при глубине воды до 1,0 м.

Оснащенный дизельным молотом УР2-1800 МСК-1м способен забивать сваи массой до 5 т.

Сваебойная установка МСК-2´1250 предназначена для забивки свай с поверхности воды при глубине от 1,0 до 10,0 м. Она включает два копра МСК-1м и плашкоут из секций понтонов НЖМ‑56. Установка может одновременно забивать две вертикальных или наклонных сваи.

Весьма эффективны копровые установки портального типа. Большинство из них смонтированы на базе портальных кранов, другие - на специальной базе. На суходоле такие агрегаты перемещаются по рельсовому пути, уложенному на грунт, а на акватории – по рабочим мостикам, на плашкоутах или на собственных понтонах. Большая серия портальных копров разработана и освоена в железнодорожных войсках (ПКК-2х1250, ПК-2х500 и др.).

Портальные копры обеспечивают большую точность погружения свай и возможность использования мощных сваебойных снарядов. Однако они не обладают достаточной маневренностью. Лучшие показатели имеют стреловые краны на пневмоколесном, гусеничном или автомобильном ходу, снабженные навесным копровым оборудованием (УСА, УКА-Г2, С-878 и др.). Навесное копровое оборудование состоит из направляющей стрелы и телескопической распорки, обеспечивающей вертикальное или наклонное положение стрелы.

Для забивки тяжелых свай на местности покрытой водой направляющую стрелу навешивают на плавучие краны или сваебойные агрегаты устанавливают на плашкоуты. Забивку легких свай (массой до 900 кг) осуществляют плавающим копром ПСК‑2х500.

Направляющие каркасы и кондукторы применяют для обеспечения проектного положения свай в процессе их погружения. Пространственный каркас состоит из нескольких деревянных или металлических горизонтальных рам с ячейками для установки сваи. Рамы размещены в разных уровнях и соединены стойками и диагональными связями. В качестве кондукторов используются железобетонные элементы ростверка или металлические рамы с гнездами для погружаемых свай. Каркас, собранный из инвентарных металлических конструкций, может быть использован в качестве внутреннего распорного крепления котлована и основы подмостей.

Наголовники применяются для защиты головы сваи от разрушения при ударе молота, а также для центрирования молота на свае. Для защиты деревянной сваи от размочаливания достаточно на ее голову надеть бугель (рисунок 2.1, б), выполненный в виде кольца из полосовой стали.

а - для железобетонной сваи; б - для круглой деревянной сваи; 1 - вкладыш из прочной древесины; 2 - стальной корпус; 3 - амортизирующая прокладка; 4 - железобетонная свая; 5 - стальной бугель

Рисунок 2.1 - Свайные наголовники

Для забивки деревянной пакетной сваи бугель делают в виде прямоугольной рамки. При забивке железобетонной сваи, обладающей большой жесткостью необходимо смягчение удара, для этого применяется более сложные конструкции наголовника (рисунок 2.1, а), выполненного в виде стакана с двумя полостями, в которых размещены амортизирующая прокладка 3 и деревянная пробка 1. Наружные крючки или петли служат для подъема наголовника. Надетый на сваю наголовник центрируется и закрепляется на ней деревянными клиньями.

Подбабок - устанавливают на сваю при необходимости забивки ее ниже уровня, обеспечиваемого направляющей стрелой копра (рисунок 2.2).

1 - наголовник; 2 - деревянный вкладыш; 3 - амортизирующая прокладка; 4 - стальная труба; 5 – натяжное устройство; 6 - железобетонная свая

Рисунок 2.2 - Подбабок

Выбор молота для забивки свай и свай-оболочек следует производить в соответствии с требованиями СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» и СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов» исходя из предусмотренной проектом несущей способности свай (свай-оболочек) и их веса.

Выбор дизельного молота для забивки свай производят по двум условиям:

Первое условие - , требуемая энергия одного удара дизельного молота должна быть равной или меньшей расчетной энергии выбираемого молота.

Требуемая энергия - это энергия, которой должен обладать дизельный молот для погружения сваи способной воспринимать расчетную нагрузку Р (несущую способность сваи)

где а - коэффициент, равный 25 Дж/кН;

Р - несущая способность сваи, указанная в проекте, кН;

k ₁ - повышающий коэффициент, применяемый при выборе дизельных молотов для забивки наклонных свай, приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Значение коэффициента k ₁

Наклон сваи	Коэффициент k 1
5:1 4:1 3:1	1,1 1,15 1,25

Расчетная энергия - это энергия, которую может развить выбираемый дизельный молот. Для трубчатых дизельных молотов расчетное значение энергии удара принимают:

где Q - вес ударной части молота, H

Н - фактическая высота падения ударной части молота, при выборе молота она принимается на стадии окончания забивки свай равной 2,8 м.

Второе условие - принятый тип дизельного молота с расчетной энергией удара Э _р должен удовлетворять требованию:

,

где k - коэффициент применимости молота, приведенный в таблице 2.2;

Q _п - полный вес молота, Н;

q - вес сваи включая вес наголовника и подбабка, Н,

Н - фактическая высота падения ударной части молота, м;

Таблица 2.2 - Значения коэффициента k, для различных материалов свай и шпунта.

Тип молота	Дерево	Сталь	Железобетон
Трубчатый дизель-молот и молот двойного действия		5,5
Молоты одиночного действия и штанговый дизель-молот	3,5

Сваю в грунт погружают до проектной отметки и получения проектного отказа. В случае изменения при производстве работ указанных в проекте параметров молота или свай остаточный (или расчетный) отказ сваи «e» при ее забивке или добивке должен удовлетворять формуле:

где е - остаточный отказ, равный величине погружения от одного удара при забивке ее молотом, м;

n - коэффициент, принимаемый по таблице 2.3, кН/м²;

Таблица 2.3 - Значения коэффициента n

Тип сваи	Коэффициент n, кН/м^2
Железобетонная с наголовником
Деревянная:
без подбабка
с подбабком
Стальная с наголовником

A - площадь, ограниченная наружным контуром сплошного или полого поперечного сечения ствола сваи,м²;

Э _р - расчетная энергия удара, принимаемая для трубчатых дизель-молотов , кН×м;

g =1,4 – коэффициент надежности;

Р - несущая способность сваи, указанная в проекте, кН;

- полный вес молота, кН;

e - коэффициент восстановления удара, принимаемый при забивке железобетонных и стальных свай молотами ударного действия с применением наголовников с деревянными вкладышами e ²=0,2;

q - вес сваи c наголовником и подбабком, кН.

Фактический отказ сваи, полученный замером погружения сваи от одного удара молота при ее забивке на проектной глубине, должен соответствовать остаточному (или расчетному).

В конце забивки каждой сваи молотом производят определение контрольного отказа для сравнения его с расчетным, указанным в проекте, для заданного молота и высоты его падения. При забивке свай дизельными молотами последний залог следует принимать равным 30 ударам, а «отказ» определять как среднее значение из 10 последних ударов в залоге.

Основным работам по забивке свай должны предшествовать подготовительные работы, включающие:

- восстановление осей опор, границ строительной площадки, закрепление осей рядов свай на обноске;

- разработку котлована для плиты ростверка, планировку стройплощадки, организацию электроосвещения и энергоснабжения, устройство водоотвода, путей подвоза, площадок складирования конструкций и материалов;

- подвоз и складирование свай, проверку паспортов и их соответствия маркировке и проекту. В паспорте должен быть указан завод изготовитель, дата изготовления, номер ГОСТа. На сваях краской наносится марка, дата изготовления.

Подъем сваи при погрузочно-разгрузочных работах производят за монтажные петли (рисунок 2.3, б). Если петли расположены от концов на удалении 0,21 длины сваи, то в ней возникает наименьший изгибающий момент от собственного веса. Сваи длиной более 10 м рекомендуется поднимать с помощью траверсы (рисунок 2.3, в). Во время подъема и перемещения сваю удерживают от раскачивания двумя растяжками. На строительной площадке сваи укладывают в штабели высотой не более четырех рядов с установкой их на прокладки, расположенные у строповочных петель. Толщина прокладок должна быть на 2…3 см больше высоты петель. При неправильном расположении прокладок (рисунок 2.3, а) в железобетонных сваях возникают трещины, и они могут быть выведены из строя.

а - штабель свай; б - строповка короткой сваи двухветвевым стропом; в - строповка сваи с помощью траверсы

Рисунок 2.3 - Строповка и складирование железобетонных свай

Перемещение железобетонных сваи волоком не рекомендуется, поскольку неизбежен будет ее излом от собственного веса на неровностях местности.

К основным работам по забивке свай относятся: разбивка свайного поля, сборка и установка копровой конструкции, подготовка и подача свай под молот, погружение свай, перемещение копра на новое место, контроль качества работ и ведение исполнительной документации.

Забиваемые сваи устанавливают точно в проектное положение. Место установки сваи на суше определяют отвесом, опущенным из точки пересечения проволочных чалок, закрепленных на обноске. При отсутствии обноски место установки сваи определяют непосредственным промером от осей опоры.

На местности, покрытой водой, погружение свай производят с подмостей, на них размещают оборудование и закрепляют проектные оси опоры и рядов свай. Обычно для работы на воде разметку осей свай производят на направляющей раме, плавучем кондукторе или каркасе, которые устанавливают в проектное положение геодезическими способами и закрепляют якорями или маячными сваями.

Для работы на суше применяются следующие схемы установки сваебойных средств (рисунок 2.4):

а) на выровненном дне котлована, если уровень грунтовых вод ниже дна, а размеры котлована в плане обеспечивают свободное перемещение копра (рисунок 2.4, а);

б) на подвижной платформе, перемещающейся вдоль котлована по накаточному пути, уложенному на верхней обвязке ограждения котлована или за его пределами. Поперечное перемещение копра производится на собственных роликах или катках (рисунок 2.4, б);

в) на подмостях в котловане, в которых для забивки свай предусмотрены отверстия (рисунок 2.4, в);

г) у края котлована при небольшой его ширине, позволяющей производить забивку свай с учетом допустимого вылета стрелы крана (рисунок 2.4, г).

а - на дне котлована; б - на подвижной платформе; в - на подмостях; г - у края котлована

Рисунок 2.4 - Схемы размещения копровых установок

При погружении свай со льда закрепление осей свай производят забитыми в лед штырями. Для движения и работы колесных машин необходима толщина прозрачного льда не менее , см, где Q – полная масса (в т) машины или копра с молотом и сваей.

Свая устанавливается в прорубь минимального размера. При необходимости лед под копрами усиливают настилом из бревен, брусьев или фашин, вмороженных в лед.

Для работы на воде копры или краны с навесным сваебойным оборудованием устанавливают на плашкоуты из инвентарных понтонов или местных плавучих средств. Плашкоут для установки крана с навесным оборудованием УСА показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Плашкоут из понтонов НЖМ-56 для установки сваебойного агрегата

Деревянные сваи изготавливают в построечных условиях из леса хвойных пород диаметром в верхнем отрубе не менее 18 см. Влажность древесины не ограничивается. Нижний конец сваи заостряют, как показано на рисунке 2.6, а. Меньшую длину заострения (1,5 d) принимают для более плотных грунтов. На острие свай, забиваемых в грунты с твердыми включениями, устанавливают и закрепляют стальные башмаки.

Верхний конец сваи (голову) обрезают перпендикулярно продольной оси и защищают бугелем (рисунок 2.1, б).

При отсутствии бревен требуемой длины их наращивают, стыкуя в торец или вполдерева и соединяя накладками из полосовой стали, уголка, деревянного бруса или обрезком стальной трубы длиной равной 4…5 диаметрам бревен (рисунок 2.6, в, г, д).

Непосредственная подготовка деревянной сваи к забивке включает разметку, установку строповочного и направляющего хомутов. Разметку сваи производят краской на длине третьей части от острия через метр, а на остальной части через 10 или 5 см.

а - общий вид; б - башмак; в - наращивание сваи с помощью накладок; г - то же, отрезком стальной трубы; д - то же, вполдерева; 1 - свая; 2 - бугель; 3 - башмак; 4 - накладка; 5 – штырь диаметром 25 мм длиной 250…300 мм; 6 - болт; 7 – стальная труба; 8 - шурупы; 9 - хомут

Рисунок 2.6 - Конструкция деревянной сваи

Подготовка железобетонной сваи заключается в установке наголовника и хомутов, разметке краской для определения глубины погружения ее в грунт. Сваю для подачи под молот стропуют на удалении 1/3 ее длины от головы. В этом месте обычно устанавливают при изготовлении сваи закладной штырь, препятствующий скольжению стропа (рисунок 2.7, а). Для защиты бетона от повреждения тросом под строп укладывают деревянные прокладки. При трех монтажных петлях строповка для установки сваи под молот может производиться стропом и роликом (рисунок 2.7, в). В проекте производства работ или технологической карте указывают способ работ, обеспечивающий устойчивость копра и безопасность людей на всех этапах работы.

Свая под молот может подаваться грузоподъемным средством сваебойного агрегата или установочным краном. После установки копра на место забивки сваи молот поднимают в верхнее положение и опирают на предохранительный штырь. Сваю подают под молот, крепят хомутами к направляющей стреле и опускают острием на грунт. Молот снимают со штыря и опускается на сваю так, чтобы центрирующий штырь шабота вошел в отверстие на голове сваи или наголовника.

Установка сваи собственной лебедкой копрового агрегата возможна, если суммарная масса сваи, молота и навесного оборудования не превышает грузоподъемности крана на данном вылете стрелы.

а - строповка сваи для подачи под молот; б - ключ для разворота сваи; в - перевод сваи из горизонтального положения в вертикальное; l -длина сваи

Рисунок 2.7 - Строповка железобетонной сваи

При подъеме сваю удерживают от раскачивания двумя расчалками, а разворачивают специальным ключом (рисунок 2.7, б).

Для забивки наклонной сваи ее закрепляют на стреле копра двумя хомутами, приподнимают свайным тросом, наклоняют направляющую сваебойного агрегата и устанавливают сваю над ее проектной осью. После этого опускают сваю на грунт и устанавливают на нее молот.

Забивку сваи на первых 1,5…2м производят легкими ударами молота, а затем после проверки и исправления ее положения, погружают ударами нормальной силы. Во время забивки постоянно контролируют направление и исправность сваи, наголовника, положение сваебойной установки, режим погружения. Результаты забивки фиксируются в журнале.

При подходе острия сваи к проектной отметке отказ уменьшается. Поскольку отказ от одного удара определить затруднительно, его измеряют за серию ударов (залог).

Сваи погружают на проектную глубину и до получения расчетного отказа, величина которого должна быть не менее 0,2 см.

Журнал забивки свай ведется в ходе работ и представляется в составе отчетной документации при приемке опоры и моста в целом. К нему прилагается сводная ведомость с планом расположения забитых свай, имевших место отклонений и исправлений, а также других особенностей выполненных свайных работ. Записи в журнале делают простым карандашом или шариковой ручкой. В примечаниях описывают характер погружения сваи на последнем залоге, имевшее место наращивание сваи, отклонение от проектного положения, повреждения головы сваи, ложный отказ, засасывание, перерывы в забивке и другие особенности выполненных работ.

При забивке свай в водонасыщенные песчаные грунты содержащаяся в порах грунта вода не успевает оттекать от сваи, давление и трение грунта о сваю повышаются, что приводит к ложному отказу - остановке сваи без достижения проектной отметки. Для продолжения работ свае нужен "отдых" в течение нескольких (2…3) суток, после чего ее добивают до проектной отметки. Остановка сваи может быть и при встрече с топляком или каменными включениями в грунте, в этом случае потребуется перепроектирование фундамента.

Обратное ложному отказу явление может иметь место в глинистых грунтах. Оно состоит в отделении связанной с глинистыми частицами воды, разжижении грунта и создании своего рода смазки на поверхности забиваемой сваи (явление тиксотропии). Проектный отказ не наступает даже при погружении сваи до проектной отметки. В этих случаях также требуется перерыв в забивке свай, который может достигать до 15…30 суток. После добивки отказ уменьшается, как правило, в несколько раз. Это явление называют засасыванием сваи. Если расчетный отказ не наступает и после "отдыха", то требуется решение проектной организации на проведение испытаний погруженных свай или изменение конструкции фундамента. Такие же меры принимают, если сваи погружаются менее чем на 85 % проектной глубины даже при получении расчетного отказа.

Разрушение головы сваи при забивке может произойти от несоосности ее с молотом или неправильного заполнения наголовника прокладочным материалом. При невозможности дальнейшего погружения сваю с разрушенной головной частью извлекают или срезают и забивают дополнительные сваи рядом. Резкий подскок ударной части молота или остановка сваи обычно вызваны препятствием под острием, чем может быть обусловлен и излом сваи. Об изломе сваи свидетельствует резкое увеличение осадки или отклонение сваи от проектного ее положения. Такая свая извлекается или срезается.

Поскольку на перемещения копра затрачивается значительная часть рабочего времени, очередность забивки свай указывают в проекте. Забивка может производиться с перестановками копра вдоль ряда свай или по спирали от центра свайного поля к периферии. Недопустимо забивать сваи от краев фундамента к центру, поскольку в этом случае уплотнение грунта уже забитыми сваями затрудняет забивку в средней части свайного поля и фактически приводит к ложному отказу даже в глинистых грунтах, который не исчезает после продолжительного "отдыха".

Дата добавления: 2014-12-29