Технология погружения свай

С предприятий стройиндустрии или с баз комплектации строительных организаций железобетонные и деревянные сваи, стальные трубы и шпунтовые сваи доставляют к месту работ в подготовленном виде.

Сваи погружают ударом, вибрацией, вдавливанием, завинчиванием, с использованием подмыва и электроосмоса, а также комбинациями этих методов. Эффективность применения того или иного метода зависит в основном от фунтовых условий.

Ударный метод

Метод основан на использовании энергии удара (ударной нафузки), под действием которой свая нижней заостренной частью внедряется в фунт. По мере пофужения она смещает частицы фунта в стороны, частично вниз, частично вверх (на дневную поверхность). В результате пофужения свая вытесняет объем фунта, практически равный объему ее пофуженной части, и таким образом дополнительно уплотняет фунтовое основание. Зона заметного уплотнения фунта вокруг сваи распространяется в плоскости, нормальной к продольной оси сваи, на расстояние, равное 2... 3 диаметрам сваи.

Ударную нафузку на оголовок сваи создают специальными механизмами - молотами самых разных типов, основными из которых являются дизельные.

На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты.

Ударная часть штанговых дизель-молотов - подвижный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направляющих штангах. При падении цилиндра на неподвижный поршеньв камере сгорания смеси энергия подбрасывает цилиндр вверх, после чего происходит новый удар и цикл повторяется.

В трубчатых дизель-молотах неподвижный цилиндр, имеющий шабот (пяту), является направляющей конструкцией. Ударная часть молота - подвижный поршень с головкой. Распыление топлива и воспламенение смеси происходит при ударе головки поршня по поверхности сферической впадины цилиндра, куда подается топливо. Число ударов в 1 мин у штанговых дизель-молотов 50...60, у трубчатых - 47.. .55.

Основной показатель, характеризующий погружающую способность молота - энергия одного удара. Последняязависит от веса и высоты падения ударной части, а также энергии сгорания топлива. Количественно значения энергии удара (кДж) могут быть определены по следующим выражениям:

для штанговых молотов

E = 0,40 Q h,

для трубчатых молотов

E = 0,90 Q h,

где Q - вес ударной части молота, Н, h - высота падения ударной части молота, м.

Для конкретных условий строительства молот подбирают по необходимой номинальной энергии одного удара и коэффициенту применимости молотов.

Необходимая номинальная энергия удара

Ен > 25Р,

где Р - расчетная нагрузка на сваю, Н.

По полученному значению Ен подбирают молот (по соответствующим справочникам), а затем его проверяют по коэффициенту применимости молота к, который определяют из отношения веса молота и сваи к энергии удара, т. е.

K = ( Q1 + q ) / Eн,

где Q - собственный вес молота, Н, q - вес сваи (включая вес наголовника и подбабка), Н.

Значение к колеблется от 3,5 до 6 (в зависимости от материала сваи и типа молота). Например, для забивки железобетонных свайштанговым дизель-молотом к = 5, деревянных свай к = 3,5, а трубчатым - соответственно к = 6 и Л = 5.

В комплект к молоту входит, как правило, наголовник, который необходим для закрепления сваи в направляющих сваебойной установки, предохранения головы сваи от разрушения ударами молота и равномерного распределения удара по площади сваи.

Внутренняя полость наголовника должна соответствовать очертанию и размерам головы сваи.

Для забивки свай с целью удержания в рабочем положении молота, подъема и установки сваи в заданном положении применяют специальные подъемные устройства - копры. Основная часть копра - его стрела, вдоль которой устанавливается перед погружением и опускается по мере его забивки молот. Наклонные сваи погружают копрами с наклоняющейся стрелой. Копры бывают на рельсовом ходу (универсальные металлические башенного типа) и самоходные - на базе кранов, тракторов, автомашин и экскаваторов.

Универсальные копры имеют значительную собственную массу (вместе с лебедкой - до 20 т). Монтаж и демонтаж этих копров и устройство для них рельсовых путей - весьма трудоемкие процессы, поэтому их 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. Эти сваебойные установки ма-невренны и имеют устройства, механизирующие процесс подтаскивания и подъема сваи, установку головы сваи в наголовник, а также выравнивание стрелы.

Забивку свай начинают с медленного опускания молота на наголовник после установки сваи на фунт и ее выверки. Под действием веса молота свая погружается в фунт. Чтобы обеспечить правильное направление сваи, первые удары производят с офани-чением энергии удара. Затем энергию удара молота постепенно увеличивают до максимальной. От каждого удара свая пофужается на определенную величину, которая уменьшается по мере углубления. В дальнейшем наступает момент, когда после каждого залога свая пофужается на одну и ту же Величину, называемую отказом.

Сваи забивают до достижения расчетного отказа, указанного в проекте. Измерение отказов следует производить с точностью до 1 мм. Отказ принято находить как среднюю величину после замера погружения сваи от серии ударов, называемой залогом. При забивке свай паровоздушными молотами одиночного действия или дизель-молотами залог принимают равным 10 ударам, а при забивке молотами двойного действия - число ударов за 1...2 мин.

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

Сваи, не давшие контрольного отказа, после перерыва (продолжительностью 3...4 дн) подвергают контрольной добивке. Если глубина погружения сваи не достигла 85% проектной, а на протяжении трех последовательных залогов получен расчетный отказ, то необходимо выяснить причины этого явления и согласовать с проектной организацией порядок дальнейшего ведения свайных работ.

Вибрационный метод.

Метод основан на значительном уменьшении при вибрации коэффициента внутреннего трения в грунте и сил трения по боковой поверхности свай. Благодаря этому при вибрировании для погружения свай требуется усилий иногда в десятки раз меньше, чем при забивке. При этом наблюдается также частичное уплотнение грунта (виброуплотнение). Зона уплотнения составляет 1,5...3 диаметра сваи (в зависимости от вида грунта и его плотности).

При вибрационном методе сваю погружают с помощью специальных механизмов - вибропогружателей. Вибропогружатель, представляющий собой электромеханическую машину вибрационного действия, подвешивают к мачте сваепогружающей установки и соединяют со сваей наголовником.

Действие вибропогружателя основано на принципе, при котором вызываемые дебалансами вибратора горизонтальные центробежные силы взаимно ликвидируются, в то время как вертикальные суммируются.

Амплитуда колебаний и масса вибросистемы (вибропогружатель, наголовник и свая) должны обеспечить разрушение структуры грунта с необратимыми деформациями.

При выборе низкочастотных погружателей (420 кол/мин), применяемых при погружении тяжелых железобетонных свай и оболочек (трубчатых свай диаметром 1000 мм и более), необходимо, чтобы момент эксцентриков превышал вес вибросистемы не менее чем в 7 раз для легких грунтов и в 11 раз для средних и тяжелых фунтов.

При вибрационном погружении в глину или тяжелый суглинок под нижним концом сваи образуется перемятая глинистая подушка, которая вызывает значительное (до 40%) снижение несущей способности сваи. Чтобы устранить возникновение этого явления, сваю погружают на заключительном отрезке длиной 15...20 см ударным методом.

Для погружения легких (массой до 3 т) свай и металлического шпунта в грунты, не оказывающие большого лобового сопротивления под острием сваи, применяют высокочастотные (1500 колебаний в 1 мин и более) вибропогружатели с подрессоренной пригрузкой, которые состоят из вибратора и присоединенного к нему с помощью системы пружин дополнительного груза и приводного электродвигателя..

Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных во-донасыщенных фунтах. Применение вибрационного метода для пофужения свай в маловлажные плотные фунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т. е. при предварительном выполнении другого процесса, требующего буровых механизмов.

Более универсальным является виброударный способ пофуже-ния свай с помощью вибромолотов.

Наиболее распространенные пружинные вибромолоты работают следующим образом. Вибровозбудитель при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях совершает периодические колебания. Когда зазор между ударником вибровозбудителя и сваей меньше амплитуды колебаний вибровозбудителя, ударник периодически ударяет по наковальне наголовника сваи.

Вибромолоты могут самонастраиваться, т. е. увеличивать энергию удара с повышением сопротивления фунта пофужению свай.

Масса ударной части (вибровозбудителя) вибромолота применительно к пофужению железобетонных свай должна быть не менее 50% от массы сваи и составлять 650...1350 кг.

В практике строительства применяют также метод, основанный на комбинированном воздействии вибрации (или вибрации с ударом) и статического пригруза. Вибровдавливающая установка состоит из двух рам. На задней раме находятся электрогенератор, работающий от тракторного двигателя, и двухбарабанная лебедка, на передней раме - направляющая стрела с вибропогружателем и блоки, через которые проходит к вибропогружателю вдавливающий канат от лебедки. Когда вибровдавливающая установка займет рабочее положение (крюк подвески вибропогружателя должен находиться над местом погружения сваи), вибропогружатель опускают вниз, наголовником соединяют со сваей и поднимают в верхнее положение, а сваю устанавливают на место ее забивки. После включения вибропогружателя и лебедки свая погружается за счет собственного веса, веса вибропогружателя и части веса трактора, передаваемого вдавливающим канатом через вибропогружатель на сваю. Одновременно на сваю действует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессоренной плитой.

Метод вибровдавливания не требует устройства каких-либо путей для рабочих передвижек, исключает разрушение свай и особенно эффективен при погружении свай длиной до 6 м.

Погружение свай завинчиванием

Метод основан на завинчивании стальных и железобетонных свай со стальныминаконечниками с помощью установок, смонтированных на базе автомобилей или автомобильных тягачей.

Метод - применяют главным образом 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. Эти установки имеют рабочий орган, четыре гидравлические выносные опоры, привод вращения и наклона рабочего органа, гидросистему, пульт управления и вспомогательное оборудование.

Конструкция рабочего органа позволяет выполнять следующие операции: втягиватьвинтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую оболочку), обеспечивать заданный угол погружения сваи в пределах 0...450 от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одновременным использованием осевого усилия, при необходимости вывертывать сваю из грунта. Вращение рабочего органа и его наклон осуществляют от коробки отбора мощности автомобиля через соответствующие редукторы.

Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай методом забивки или вибропогружением. Только вместо установки и снятия наголовника здесь надевают и снимают оболочки.

Методы ускорения процесса погружения свай

Такие методы основаны либо на энергии давления водяной струи (подмыв грунта), либо на использовании эффекта электроосмоса.

Подмывом грунт разрыхляют и частично вымывают струями воды, вытекающими под давлением из нескольких трубок диаметром 38... 62 мм, укрепленных на свае. При этом сопротивление фунта у острия сваи снижается, а поднимающаяся вдоль стволавода размывает грунт, уменьшая тем самым трение по боковым поверхностям сваи. Расположение подмывных трубок может быть боковым, когда две или четыре под-мывные трубки с наконечниками находятся по бокам сваи, и центральным, когда один одно- или многоструйный наконечник размещен по центру погружаемой сваи. При боковом подмыве (по сравнению с центральным) 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. Приподмыве нарушается сцепление между частицами грунта под подошвой и частично по боковой поверхности свай, что может привести к снижению несущей способности сваи. Поэтому сваи на последнем метре или двух метрах погружают без подмыва здбивкой.

Применение подмыва не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также при наличии просадочных грунтов.

Погружение свай с использованием электроосмоса применяют при наличии водонасыщенных плотных глинистых грунтов, моренных суглинков и глин. Для практической реализации метода погруженную сваю присоединяют к положительному полюсу (аноду) источника тока, а соседнюю с ней погружаемую - отрицательному полюсу (катоду) того же источника тока. При включении тока вокруг сваи (анод) снижается влажность фунта, а у пофужаемой сваи (катод), наоборот, повышается. После прекращения подачи тока происходит восстановление первоначального состояния фунтовых вод и несущая способность свай, являющихся катодами, возрастает.

Дополнительные операции при пофужении железобетонных свай с использованием электроосмоса связаны с оснащением свай полосами стали - электродами, площадь которых занимает 20...25% боковой поверхности свай. Эта операция отпадает при пофужении металлических свай методом завинчивания.

Применение метода электроосмоса, позволяет на 25...40% ускорить процесс пофужения сваи, а также уменьшить нафузки, необходимые для пофужения сваи.

Погружение свай в мерзлые грунты

При пофужении свай зимой в сезоннопромерзающие фунты приходится выполнять дополнительные операции или отдельные процессы, увеличивающие трудоемкость и продолжительность свайных работ. Без дополнительных операций, но с некоторым снижением производительности установок удается обходиться при пофужении свай мощными молотами и вибромолотами, если глубина промерзания не превышает 0,7 м. В остальных случаях следует создавать условия, близкие к летним. Для этого необходимо предотвращать промерзание фунта путем заблаговременного утепления мест забивки свай подручными материалами (опилки, солома и т. п.). В этих же целях мерзлый грунт разрушают на месте забивки свай механическими способами, устраивают лидирующие скважины бурильными машинами и виброударными установками или нарезают прорези по рядам будущих свай с помощью баровых машин, оттаивают слой мерзлого фунта (все эти процессы выполняют методами, принятыми при разработке мерзлых фунтов). Сам процесс пофужения свай идентичен процессам, принятым для летних условий.

Методы погружения свай в вечномерзлые грунты характеризуются технологическими особенностями, обусловленными физико-механическими свойствами мерзлых грунтов, которые в ненарушенном состоянии имеют высокую несущую способность. Поэтому в этих условиях при выполнении свайных работ необходимо максимально сохранять мерзлые грунты в их естественном состоянии, а на участках, где в процессе погружения свай нарушается структура грунта, следует восстанавливать свойства этих грунтов. Вмерзание свай, или,иначе говоря, смерзание поверхности сваи с грунтом, приводит к тому, что они приобретают высокую несущую способность. Это явление может быть эффективно использовано при погружении свай в твердомерзлые грунты, условно относимые к низкотемпературным. У этих фунтов среднегодовая температура на глубине 5... 10 м не выше - 0,6°С для супесей - 1°С для суглинков и - 5°С для глин.

Пофужают сваи в твердомерзлые фунты главным образом двумя методами: в оттаявший фунт или в пробуренные скважины, диаметр которых превышает наибольший размер поперечного сечения сваи. При пофужении свай в оттаявший грунт вначале его оттаивают и затем пофужают сваи в образовавшуюся в мерзлом фунте полость разжиженного фунта. Грунт оттаивают с помощью паровой иглы, перфорированной в нижнем конце. Под действием пара (давлением 0,4...0,8 МПа), выходящего у острия иглы, фунт разжижают до текучего состояния и в него пофужают сваю до проектной глубины.

В фунтах с небольшим количеством льда можно получить полость нужных размеров в короткое время (1... 3 ч), а в фунтах с большой степенью насыщения льдом этот процесс происходит в течение 6...8 ч. Скорость пофужения иглы определяют с таким расчетом, чтобы диамеф протаянной полости в 2... 3 раза превышал наибольший размер сваи в поперечном сечении. Через некоторое время после пофужения сваи происходит вмерзание и она, будучикак бы заделанной в толщу вечномерзлого грунта, приобретает необходимую несущую способность.

Метод гюгружения сваи в пробуренные скважины предусматривает такую последовательность процессов и операций: бурение скважины, заполнение скважины песчано-глинистым раствором до отметки, при которой объем раствора с некоторым избытком достаточен для заполнения зазоров между стенками скважины сваи после ее погружения, погружение сваи, сопровождающееся выжиманием раствора, извлечение обсадной трубы.

В пластично-мерзлые высокотемпературные (сосреднегодовой температурой не ниже - ГС) фунты сваи пофужают забивным или бурозабивным методом. Методы пофужения в оттаянный фунт и в скважины большего сечения, чем сечение свай, в условиях высокотемпературных фунтов малопригодны из-за того, что вмерзание сваи происходит весьма медленно. Забивать сваи можно в пластично-мерзлые пылеватые суглинки и песчаные фунты, не содержащие включений, и только в период сезонного оттаивания, так как зимой фунты деятельного слоя охлаждаются до -5... -10°С и становятся твердомерзлыми. Поэтому область применения бурозабивного метода значительно шире.

Бурозабивным методом сваи пофужают в два этапа. На первом этапе пробуривают лидирующую скважину, диаметр которой принимается на 1...2 см меньше стороны сваи. На втором этапе пофужают сваю с помощью вибромолота или дизель-молота. При этом фунт отжимается от углов сваи к середине ее стенок. Грунт оттаивает за счет тепловой энергии, трансформированной из механической, развиваемой молотом, и частичного выжимания фунта из скважины. Достаточно оттаять тонкому слою фунта и температура в зоне, прилегающей к свае, повысится на незначительную величину, а процесс вмерзания сваи в фунт произойдет за короткое время. Применение лидирующих скважин позволяет повысить точность установки сваи, обеспечить пофужение ее на проектную глубину, устранить случаи поломки сваи при попадании под острие валунов и др.

Последовательность погружения свай

От расположения свай в свайном поле и параметров сваепогружающего оборудования зависит порядок погружения свай. Кроме того, следует учитывать последующие процессы по устройству свайного ростверка.

Наибольшее распространение имеет рядовая система погружения свай, применяемая при прямолинейном расположении их отдельными рядами или кустами.

Спиральная система предусматривает погружение свайконцентрическими рядами от краев к центру свайного поля, она позволяет в ряде случаев получить минимальную протяженность пути сваепогружающей установки. Если расстояние между центрами свай менее пяти их диаметров (или соответственно размеров сторон поперечного сечения), то грунт в середине свайного поля может уплотняться, что усложняет процесс. При этом бывают случаи, когда невозможно погрузить сваи, расположенные в этой зоне. В этом случае погружать сваи надо от центра к краям свайного поля.

При больших расстояниях между сваями порядок погружения определяется технологическими соображениями, прежде всего использованием эффективного оборудования. Так, у некоторых копров башенного типа мачты опираются на выдвижные рамы, расположенные над платформами-тележками и смещающиеся примерно на 1 м. Этими копрами можно забивать сваи двух рядов с одной стоянки копра. Для сооружения подземной части жилых домов применяют специальные краны, оснащенные навесным копровым оборудованием, двухбарабанной лебедкой для подъема молота и сваи и дизель-молотом. Такие краны могут забивать сваи длиной 8 м, перемещаясь по рельсовому пути, уложенному примерно на нулевой отметке вдоль бровок котлована строящегося здания.

При устройстве свайных фундаментов жилых и промышленных зданий большой протяженности весьма эффективно забивать сваи с помощью мостовой сваебойной установки. Эта установка представляет собой передвижной мост, по которому перемещается тележка с копром. Сваи длиной 8... 12 м забивают дизель-молотом. Так как мачта копра опускается ниже пола рабочей площадки копра,то можно забивать сваи ниже рамы моста. Данная установка является своего рода координатным устройством, облегчающим выполнение разбивки мест погружения сваи, при этом можно устанавливать сваи с большой степенью точности. Расположение сваи в зоне действия мостовой установки позволяет сократить продолжительность операций по подтаскиванию сваи, что, в свою очередь, повышает производительность всего процесса.

Устройство шпунтовых ограждений из металлических и деревянныхшпунтов начинают с пофужения маячных свай, к которым в 2... 3 яруса крепят схватки, служащие направляющими при забивке шпунта.

При пофужении свай зимой с использованием стержневых электронафевателей для оттаивания мерзлого фунта район забивки свай разбивают на фи участка-захватки: на первом - бурят скважины, на втором - скважины уже заранее пробурены и утеплены сверху, на третьем - сваи пофужают. Интервал между отофевом скважины и пофужением в нее сваи не должен превышать одной смены. Примерно так же с разбивкой на захватки устанавливают порядок пофужения свай, если усфойство ростверков начинают до завершения пофужения всех свай под здание или сооружение.

Выбор методов погружения свай и сваепогружающего оборудования

При погружении свай основными факторами, определяющими выбор метода, являются физико-механические свойства грунта, объем свайных работ, вид свай, глубина погружения, производительность применяемых сваепогружающих установок и свайных погружателей.

Объемы работ чаще всего измеряют числом свай или метрами суммарной длины погруженной части свай, а шпунтового ряда - метрами длины шпунтового ряда той или иной глубины погружения. В соответствии с этим производительность оборудования измеряют за час или чаще за смену.

Усредненные данные о нормах времени на погружение свай различными установками для разных типов молотов и погружателей, а также составы рабочих звеньев приведены в ЕНиРах. Однако многообразие и сложность действующих факторов в большинстве случаев требуют установить общие зависимости для определенной скорости и продолжительности погружения свай в грунт для конкретных условий. Для этого выполняют пробное погружение свай в пределах площади свайного поля тем же оборудованием, которое предполагается использовать. По данным пробного погружения не менее чем пяти свай в различных местах участка устанавливают среднюю продолжительность погружения и расчетную производительность сваепогружающего оборудования для конкретных условий каждого объекта.

Тип выбираемой сваепогружающей установки во многом зависит от объема свайных работ. Это объясняется тем, что для копров башенного типа, мостовых сваебойных и некоторых других установок необходимы рельсовые пути, которые целесообразно укладывать только при большом числе погружаемых свай. Кроме того, монтаж копра является более трудоемким, чем подготовка мобильной установки.

Число машин, необходимых для выполнения свайных работ, определяют, исходя из эксплуатационной сменной производительности сваепогружающей установки:

Псм = 480 kв / ( t0 + tв ),

где kв - коэффициент использования установки по времени (можно принимать 0,9), 480 - продолжительность смены, мин, t0 - выполнение основной операции погружения свай, мин, tв - продолжительность вспомогательных операций, включая перемещение установки, мин.

Зная Псм и установленный срок производства свайных работ, получим необходимое число сваепогружающих установок:

N = s / ( Псм t),

где s - число свай в свайном сооружении, t - установленный срок производства свайных работ, см.

Для выбора сваепогружающих установок, исходя из годовой их выработки, в которой учтены затраты времени на ремонты, профилактику, демонтаж, монтаж и перебазировку машин, применяют метод, предусматривающий решение задачи в два этапа. На первом этапе определяют число сваепогружающих установок заданных параметров, на втором отбирают те типы установок, которые обеспечивают выполнение заданного объема работ с минимальными затратами.

Смотрите также строительство воздушных линий