Свайные фундаменты, фундаменты глубокого заложения

3.1. Свайные фундаменты, общие положения

В ряде случаев в верхней части основания возводимого здания и сооружения может находиться относительно слабый слой грунта, поэтому возникает необходимость в передаче давления от соору­жения на более плотные грунты, залегающие на некоторой глубине. В этих случаях часто устраивают фундаменты из свай, которые способны воспринимать большие нагрузки по сравнению с фундаментами неглубокого заложения и, кроме того, иногда являются более экономичными, так как при их возведении объем трудоемких земляных работ уменьшается.

Археологические раскопки на берегах Цюрихского озера показали, что сваи использовались человеком с самой глубокой древности. В 1854 году уровень воды Цюрихского озера понизился до небывалой отметки, и местное население использовало открывшиеся залежи ила для удобрения сельскохозяйственных угодий. Так под толстым слоем ила были обнаружены остатки древнейшего свайного поселения. Историки отнесли находку к эпохе неолита! А более поздние исследования показали, что этот пример не был единственным. Подобные поселения были береговыми, на сваях они возводились из-за развития земледелия на болотистых территориях, а также для защиты от диких зверей и враждебных племен.

Позже наличие свайных построек отмечали путешественники XVIII и XIX веков А. Гумбольт и Н. Н. Миклухо-Маклай. Они приводят описание как отдельных хижин, так и целых поселков. Такие поселения сохранились и в наше время.

Сначала сваи применялись в качестве стоек, которые позволяли поднять пол жилья над водой или землей. Римский архитектор и инженер Витрувий (I в. до н. э.) подчеркивал необходимость использования деревянных свай при строительстве на наносных или болотистых грунтах для передачи нагрузки от зданий на так называемый материк. Позднее применение свай позволило возводить массивные сооружения на слабых грунтах.

Нельзя обойти вниманием и опыт Нидерландов, где болотистая почва определила сваи как необходимую составляющую строительства. По свидетельству П. П. Гнедича, только «благодаря сваям нидерландцы защитились от моря и отвоевали у него значительную площадь суши. Амстердам со своим населением в четверть миллиона человек стоит на сваях».

Петр I использовал опыт голландцев, о чем свидетельствует письмо к И. Коробову, в котором он дает указание изучить «манер голландской архитектуры, а особливо фундаменты» из-за схожести грунтов. И в 1715 году Петр I издает приказ о том, что к сентябрю «каждый против своего дома паженные сваи для обивки берегов, мерою трехсаженные, числом сколько против каждого двора оных бы столбов могло пойти», и в ноябре этого же года новый приказ: «Об окончании Санкт-Петербургскими жителями к будущей весне бития свай против домов своих, по берегам Большой и Малой Невы и протокам, под опасением отобрания тех дворов». Согласно этому указу, каждый житель обязан был бить сваи, закладывать за ними связки фашинника и утрамбовывать землю на берегу напротив своего участка.

Библиографические исследования показывают, что первые упоминания о «грунтах» в России также относятся ко времени правления Петра. Так, в 1708 году Джованни Марио-Фонтана по заданию Великого государя Петра I перевел на русский язык книгу Якова Бароция де Виньола «Правило о пяти чинах архитектуры» издания 1563 года. Большой интерес для геотехников представляет статья «Фундамент как строить». Это одна из первых инструкций, в которой не только впервые упоминаются термины «грунт» и «свая», но и рекомендуется при выборе места для заложения фундаментов «хорошо знать характер грунта». Строителям рекомендовалось при появлении грунтовых вод «в двух или трех локтях глубины бить сваи», а при строительстве на болоте «надлежит сваи бить дубовые или ялховые, которые надлежит крепить. А ежели великое строение, то надлежит на концы сваи железо насодить дабы хотчее пошло в землю. Такоже надлежит пореже сваи бить (хотя и лучше часше), ибо когда часше станем бить, то одна другую вон выбивать будет… В чем надлежит осмотрение иметь дабы фундамент был всегда каменный или гораздо из доброго кирпича (ежели камня нет) и гораздо вызженова…».

В XIX веке сваи уже стали применяться также и для уплотнения грунта. П. Усов в работе «Строительное искусство» (1859) отмечает: «сопротивление слабого грунта можно значительно увеличить втрамбованием в него каменного щебня или сжиманием его уплотняющими сваями».

До 1838 года применялись только забивные сваи, хотя они тоже модернизировались – изменялся материал свай, а при забивке в гравелистые и твердые грунты для деревянных свай стали использовать железные башмаки. В 1838 году Митчелл (Mitchall) предложил завинчивать сваи в грунт, для чего нижняя часть сваи оборудована винтом. Наконечники свай имеют разный вид в зависимости от свойств грунта. В. Карлович в Монографии «Основания и фундаменты» (1869 год) признает преимущества винтовых свай перед забивными при применении их в некрепких грунтах, так как «концы их передают давление на большую площадь».

Долгое время забивка свай осуществлялась вручную. Первое описание примитивного ручного копра относится к 1660 году. Изобретение станины с направляющими для бабы и присоединение для ее подъема различных приспособлений позволило увеличить мощность снаряда. Изобретение Нэсмитом (Великобритания) паровой бабы было несомненным проявлением технической революции. В 1889 году это изобретение было усовершенствовано русским инженером С. А. Арцишем, что позволило еще увеличить производительность снарядов. И только в 30–40-х годах прошлого столетия появились первые дизельные сваебойные установки, а в 50-х – электрические вибропогружатели.

На рубеже XIX–XX веков появились и первые монолитные сваи, изготавливаемые в грунте, в научной литературе того времени их насчитывается около двадцати. Остановимся только на сваях системы «Франкиньоль». Сваи этой системы появились во Франции в 1909 году, в 1910 году они были запатентованы и стали широко применяться в Европе, Египте и в России. В этом же году было образовано бельгийское общество FRANKI-Pfahi-Gesellschaft, которое мы знаем и по сей день, но только под названием «Франки». В 1947 году была изготовлена первая буровая установка фирмы Bauer.

Сегодня технологии изготовления свай в грунте позволяют решать самые сложные геотехнические задачи: возводить здания и осваивать подземные пространства на застроенных территориях в существующей инфраструктуре.

Свайной конструкцией (фундаментом) называется группа свай, объединенная поверху специальными плитами или балками, назы­ваемыми ростверками.

Несущая способность одиночной сваи в большинстве случаев во много раз меньше нагрузки, передаваемой надзем­ной конструкцией (например, колонной), поэтому свайный фун­дамент приходится делать из нескольких свай. В практике современного строительства в зависимости от характера размещения свай в плане различают следующие виды свайных фундаментов: одиночные сваи, ленточные свай­ные фундаменты с размещением свай рядами (рис. 3.1, а), свайные кусты (рис. 3.1, б), сплошное свайное поле (рис. 3.1, в).

Одиночные сваи применяют под сооружения, когда на­грузку от колонны здания или стыка панелей воспринимает одна свая. Иногда сваи являются одновременно колоннами зда­ния. Такие конструкции называют сваями-колоннами.

Ленточные свайные фундаменты устраивают под стенами зданий и другими протяженными конструкциями. Различают однорядное (см. рис. 3.1, а) и многорядное (в 2...3 ряда и более) размещение свай. При многорядном размещении свай свайный фундамент легко воспринимает не только верти­кальную нагрузку, но и момент; при однорядном размещении свай внецентренно прило­женная нагрузка вызывает изгиб свай. В случае однорядного размещения свай под внутренними и наружными стенами здания, обладаю­щего пространственной жесткостью, верхние части свай не мо­гут испытывать изгиба, так как надподвальные перекрытия и пересечения стен препятствуют развитию деформаций изгиба в сваях.

Рис. 3.1. Виды свайных фун­даментов в зависимости от размещения свай в плане: а – ленточный; б – свайный куст; в – сплошное свайное поле

Свайные кусты – это группы свай, обычно расположенные под отдельными конструкциями (например, под колоннами). Минимальное число свай в одном кусте – три. Иногда допускается делать свайные кусты из двух свай, если исключено развитие изгиба свай в перпендикулярном направлении по отношению к оси, проходящей через обе сваи.

Сплошное свайное поле устраивают под тяжелые сооружения, когда сваи располагаются по некоторой сетке под всем сооружением или частью его. На сплошное свайное поле опираются все конструкции этой части сооружения (колонны, стены, оборудование).

Свайным полем строители называют также систему свай, размещенных под сооружением, состоящую из одиночных свай, лент и свайных кустов.

Чтобы все сваи фундамента работали одновременно, их объединяют железобетонной плитой или балкой-ростверком, который обеспечивает распределение нагрузки на сваи и приблизительно равномерность осадки или при несимметричном загружении – осадку с креном.

Различают три типа свайных ростверков: низкий, повышен­ный и высокий (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Типы свайных ростверков: а – низкий; б – повышенный; в, г – высокий

Низкий свайный ростверк располагают ниже по­верхности грунта. Такой ростверк может передавать часть вертикального давления на грунт основания по своей подошве и при практически плотной обратной засыпке воспринимать давление от горизонтальных сил. Если ростверк находится в зоне сезонного промерзания, на него при промерзании грунта могут воздействовать нормальные и касательные силы пучения соот­ветственно по подошве и боковым поверхностям.

Повышенный свайный ростверк не заглубляют в грунт, а располагают непосредственно на его поверхности. В связи с этим отпадает необходимость в устройстве опалубки снизу ростверка. Такие ростверки допустимы там, где при про­мерзании не происходит пучения грунта. Поскольку верхние слои сложены, как правило, слабыми грунтами, повышенные ростверки не могут передавать давление на грунт основания.

Высокий свайный ростверк располагают выше по­верхности грунта. Так как верхняя часть вертикальных свай имеет небольшое сопротивление поперечному изгибу при дей­ствии горизонтальных нагрузок, кроме вертикальных свай за­бивают наклонные сваи по двум-четырем направлениям. Высо­кие свайные ростверки применяют при строительстве мостов и гидротехнических сооружений, под внутренними стенами жилых зданий с техническими подпольями и в других случаях. Иногда свайные фундаменты делают без ростверков. На голову сваи надевают оголовник и на это уширение устанавливают несущие панели зданий (рис. 3.2, г).

Классификация свай

Основным конструктивным элементом свайного фундамента являются сваи. Классификация свай приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Классификация свай

Способ погружения свай в грунт	Забивные железобетонные, стальные, деревянные, погружаемые в грунт (без его выемки) с помощью молотов, вибропогружателей и вдавливающих устройств
Сваи-оболочки (железобетонные), погружаемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые бетонной смесью
Набивные, устраиваемые путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате обжатия грунта
Буровые, устраиваемые путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов
Винтовые, погружаемые в грунт с помощью кабестана
Условия взаимо­действия свай с грунтом	Сваи-стойки, к которым относятся сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а забивные сваи, кроме того, на малосжимаемые грунты (крупнообломочные грунты и твердые глины с модулем деформации Е > 50 МПа)
Висячие сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на основание боковой поверхностью и нижним концом
Забивные железобе­тонные сваи и сваи-оболочки	По способу армирования – с ненапрягаемой продольной арматурой с поперечным армированием и предварительно напряженные со стержневой или проволочной продольной арматурой с поперечным армированием и без него
По форме поперечного сечения – квадратные, прямоугольные, тавровые и двутаврового сечений, квадратные с круглой полостью и полые круглые
По форме продольного сечения – призматические, цилиндрические и с наклонными гранями (пирамидальные, трапецеидальные, ромбовидные)
По конструктивным особенностям – целые и составные из отдельных секций
По конструкции нижнего конца – с заостренным или плоским нижним концом, с уширением и полые с закрытым или открытым нижним концом

Окончание табл. 3.1

Набивные сваи по способу устройства подразделяются	Устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт башмаком, оставляемым в грунте, с последующим извлечением труб по мере заполнения скважин бетонной смесью
Виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем их заполнения жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом в виде трубы с закрепленным на ней вибропогружателем
Виброштампованные, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин пирамидальной или конической формы с заполнением их бетонной смесью
Буровые сваи по способу устройства подразделяются	Буронабивные сплошного сечения, бетонируемые в пробуренных скважинах без крепления или с закреплением стенок извлекаемыми обсадными трубами
Буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного сердечника
Буронабивные, устраиваемые путем втрамбовывания в скважину щебня
Буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с образованием уширения взрывом и заполнения скважин бетонной смесью
Сваи-столбы, устраиваемые путем бурения скважин, укладки в них цементно-песчаного раствора и опускания в скважины свайных элементов
Буроопускные сваи с камуфлетной пятой

История развития строительных конструкций связа­на с развитием производительных сил общества. В общем случае строительные конструкции в зависимости от мате­риала, из которого они изготовлены, разделяют на ме­таллические (преимущественно стальные), каменные, бетонные и железобетонные, конструкции из дерева и пластмасс. Для конструкций свай в основном используют дерево, металл, бетон и железобетон.

Наи­более древние конструкции – деревянные и каменные, так как самые простые их виды можно было изгото­вить, применяя примитивные инструменты.

Деревянные сваи. Дерево издавна использовалось для различных конструкций. К преимуществам деревянных свай относятся их небольшая масса, достаточно высокая прочность и простота из­готовления. Деревянные сваи можно погрузить в грунт путем за­бивки или виброметодом. Деревянные сваи трудно забиваются в крупнозернистые и гравелистые пески и почти не забиваются в гра­вий и гальку.

Недостатком деревянных свай является то, что они могут загни­вать в зоне переменной влажности при расположении свай выше горизонта вод. Для избежания этого в постоянных сооружениях го­ловы свай должны быть всегда расположены ниже горизонта самых низких вод не менее чем на 0,5 м. К недостаткам деревянных свай относится также ограниченность их размеров в случае изготовления из одиночных бревен и связанная с этим их низкая несущая способ­ность. Число свай в фундаменте получается обычно большим. Конструкции деревянных свай показаны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Конструкции деревянных свай (размеры даны в см.)

Для изготовления свай используют древесину хвойных пород (сосна, лиственница, ель и др.) диаметром от 18 до 40 см и длиной 4,5...16 м. Низ сваи обрабатывают в форме острия для облегчения погружения ее в грунт (рис. 3.3, а). В грунтах, содержащих гравий, гальку и другие твердые включения, на острие сваи надевают ме­таллический башмак (рис. 3.3, б). На голову сваи насаживается металлическое кольцо-бугель, предотвращающее повреждение сваи при ее забивке (рис. 3.3, в).

Для увеличения размеров деревянных свай были созданы пакет­ные и клееные сваи (рис. 3.3, г-е). В практике пакетные сваи при­менялись длиной до 25 м.

Стыки бревен пакетных свай устраивают вразбежку и перекры­вают металлическими накладками. Бревна сплачивают между собой металлическими болтами. Недостатки пакетных свай заключаются в большом расходе металла на соединения и высокой трудоемкости работ по их изготовлению.

Металлические сваи.Металл как материал для строительных конструкций начина­ют применять с XVIII в. В XIX в. начали выпускать профильный прокат, что позволило создавать рациональные сечения элементов. При использовании сварки для соединения элементов стальных конструкций значительно уменьшилась трудо­емкость изготовления этих конструкций, и расширились области их применения в строительстве.

Стальные сваи применяют пре­имущественно в сложных геологических условиях, когда непосредственное заглубление железобетонных свай невозможно. Такие сваи допустимы так­же для усиления фундаментов, посколь­ку значительно упрощается их наращи­вание по мере заглубления в грунт.

Металлические сваи, в основном – это стальные сваи, разделяют на два ос­новных типа. Сваи замкнутого попереч­ного сечения (рис. 3.4, а), для которых используют стальные трубы, а также элементы, сваренные из двух двутавров или двух швеллеров. В виде исключения для этих целей допустим стальной шпунт. Нижний конец сваи оставляют открытым или закрывают наконечни­ком. Сваи незамкнутого сечения (рис. 3.4, б) изготовляют из широкополых двутавров или элементов, составленных из двутавров, равнобоких уголков, сваренных подошвами рельсов. Кроме приведенных, применяют также эле­менты других сечений.

Рис. 3.4. Типы поперечных сечений стальных свай

Иногда применяют комбинированные сваи, отдельные части которых изготавливают из разных материалов.

Преимущества этих свай: небольшая масса, простота изготовления, удобство транспортировки и высокая прочность, что практически исключает их повреждение при забивке в грунт.

Вследствие высокой прочности и небольшой площади поперечного сечения стальные сваи можно забивать в грунты, содержащие твердые включения, и проходить ими разрушенные поверхностные слои скальных и полускальных грунтов до прочного основания.

Недостатками стальных свай являются повышенный расход ме­талла и его коррозия.

Железобетонные сваи.Железобетонные конструкции начали применять со второй половины XIX в. в связи с развитием промышленности и транс­порта.

Принято считать, что первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г.

Первые патенты на изготовление изделий из железо­бетона (цветочные кадки из проволочной сетки, обмазан­ной с обеих сторон цементным раствором), были получе­ны французским садовником Ж. Монье в 1867–1870 гг. Постепенно железобетон стал находить применение в строительных конструкциях, в частности в конструкциях свай (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Железобетонные сваи: а – квадратного сплошного сечения;

б – квадратного сечения с круглой полостью; в – полого круглого поперечного сечения.

Набивные и буровые сваи. Также свое развитие, хотя и не так широко как забивные, получили различные изготовляемые в грунте набивные и буровые сваи (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сваи, изготовляемые в грунте

По материалу, из которого они изготовлены, сваи подразделяют на бетонные, железобетонные, песчаные (грунтовые), щебеночные и грунтоцементные. Для фундаментов используют, как правило, бетонные и железобетонные набивные сваи, другие типы свай в основном применяют для искусственного улучшения свойств грунтов оснований. По способу изготовления различают сваи без оболочек, с неизвлекаемой оболочкой и с оболочкой, извлекаемой из грунта.

Сваи без оболочек применяют в грунтах, которые позволяют осуществлять бурение скважин без крепления их стенок. Иногда для таких типов свай используют скважины, получаемые в результате забивки и извлечения специального сердечника либо вытрамбовывания тяжелыми трамбовками.

Для получения железобетонных свай в скважинах устанавливают арматурный каркас.

В относительно слабых грунтах проходку скважин производят под защитой глинистого раствора, который при подаче бетона вытесняется из скважины. Благодаря большому удельному весу глинистый раствор создает в скважине значительное избыточное давление, удерживающее стенки от обрушения.

Для повышения несущей способности безоболочковых свай в нижней части скважины формируют уширенную пяту с помощью разбуривания (рис. 3.6, а, б) или камуфлетного взрыва, производимого после заполнения ствола бетонной смесью.

Набивные сваи с извлекаемой оболочкой нашли широкое использование в практике строительства, так как применяемые при их изготовлении инвентарные обсадные трубы, защищая стенки скважин от обрушения, позволяют получать сваи в широком диапазоне грунтовых условий строительной площадки.

Сваи Страуса изготовляют в пробуренных скважинах, закрепленных металлическими обсадными трубами диаметром до 0,4 м и длиной до 12 м. Скважину заполняют бетоном слоями до 1 м, уплотняя бетон с помощью трамбования, трубу постепенно извлекают (рис. 3.6, в, г).

Частотрамбованные сваи изготовляют в инвентарных металлических оболочках, опирающихся на железобетонные наконечники, которые остаются в грунте после извлечения трубы. При погружении обсадных труб используют вибраторы или молоты, имеющие специальные приспособления для их извлечения из грунта. После забивки до проектной отметки во внутреннюю полость отдельными порциями подают бетон и трубу извлекают при включенном вибраторе или молоте. Под действием вибрации уплотняется не только бетон, но и окружающий грунт. Данный тип сваи имеет диаметр до 0,4 м и длину до 12 м.

Сваи Франки относятся к группе набивных свай, отличительной особенностью которых является то, что бетон укладывают во внутреннюю полость предварительно забитой до проектной отметки металлической трубы с закрытым пробкой нижним концом. Пробка из жесткого бетона после забивки обсадной трубы выбивается в грунт с помощью специального молота, образуя несколько уширенную пяту. Затем в трубу отдельными порциями подают бетон, который тем же молотом выбивается в грунт при одновременном подъеме оболочки, что приводит к формированию сваи с гофрированной поверхностью (рис. 3.6, в, д).

Сваи с неизвлекаемой оболочкой изготовляют в том случае, если отсутствует возможность качественного выполнения свай с извлекаемой оболочкой. Например, при значительном напоре грунтовых вод тело сваи с извлекаемой оболочкой может быть частично нарушено в процессе твердения, что приведет к снижению ее несущей способности.

В связи с тем, что данный тип свай достаточно дорог, целесообразно повышать их несущую способность, используя, например, уширение пяты (рис. 3.6, е).