Виды свай и особенности их устройства

По роду материала сваи подразделяют на деревянные, металли­ческие, железобетонные и бетонные. По форме в поперечном сече­нии они могут быть круглые, кольцевого сечения, квадратные и пря­моугольные сплошные и с цилиндрической полостью внутри. По способу устройства их делят на изготовляемые заранее и затем по­гружаемые в грунт посредством забивки, действием вибрации, за­винчиванием и на набивные сваи, бетонируемые в предварительно пробуренных скважинах.

Деревянные сваи. Деревянные сваи изготовляют преимущественно из сосны и ели, реже из дуба, лиственницы, кедра и пихты. Лес для свай берут здоровый, прямоствольный и, как правило, зимней рубки. Бревна

должны быть очищены от коры и в необхо­димых местах подстроганы.

Деревянные сваи бывают цельные, изго­товляемые из одного бревна, а при отсутст­вии длинномерного леса - срощенные по длине и пакетные, сплоченные в поперечном сечении из трех или четырех бревен и сро­щенные по длине до требуемого размера.

Длина цельных свай колеблется от 4,5 до 16 м, а для пакетных свай она может достигать 20-25 м. Диаметр бревен, применяемых для свай, должен быть не менее 18 см в верхнем отрубе.

Бревна составных свай соединяют впритык с применением накла­док. В пакетных сваях эти стыки делают вразбежку. Длину заостре­ния свай принимают равной 1,5-2 их диаметра, который для па­кетных свай считают равным диаметру описанной вокруг их сече­ния окружности.

При наличии в грунте препятствий заостренную часть сваи укрепляют башмаком, а для защиты от размочаливания при забивке применяют бугель (рис. 2.7.). Вместо бугеля используют также на­головник.

Деревянные сваи применимы в водонасыщенных грунтах, где срок их службы практически неограничен. Если же вследствие дренажа или других причин ожидается понижение уровня грунто­вых вод, влекущее обнажение верхушек свай, применять для их устройства дерево из-за опасности загнивания нельзя. При строи­тельстве морских гидротехнических и портовых сооружений дере­вянные сваи применимы, если в воде нет опасных вредителей (ша­шень, лимнория), способных разрушить конструкцию свайного фундамента в течение нескольких лет и даже месяцев.

Рис. 2.7. Башмак и бугель для деревянных свай

Металлические сваи. Для металлических сваи используют, цельнотянутые стальные трубы диаметром от 25 до 100 см и более. Применяют также двутавровые балки, стальные шпунты и другие прокатные профили, из элементов которых посредством сварки иногда изготовляют сваи коробчатого сечения.

Трубы диаметром до 40 см погружают в грунт как закрытыми сни­зу коническим наконечником, так и с открытым нижним концом. В последнем случае роль наконечника выполняет земляной конус, об­разующийся под сваей после того, как она в процессе погружения частично заполнится снизу вошедшим в нее уплотнившимся грун­том. Трубы диаметром более 40 см чаще погружают открытыми снизу и, как правило, с применением размыва в них грунта.

Погруженные в грунт сваи заполняют бетоном. При малой на­грузке они могут оставаться и без бетонного заполнения.

По мере погружения стальные сваи могут наращиваться отдель­ными секциями и достигать в грунте значительной длины. При опи­рании на твердые породы они могут обладать высокой несущей спо­собностью, иногда до 2500 ÷ 3000 кН.

Разновидностью металлических свай являются винтовые (рис. 2.8.).

Они появились в Англии еще в 40-х годах прошлого столетия и имели тогда вид наконечников для деревянных свай, завинчиваемых воротом.

Вскоре их стали изготовлять целиком из металла. Чугунные винтовые сваи диаметром 25 см применялись у нас в 70-х годах прошлого столетия при строительстве мостов на Киевско­ - Брестской и Среднеазиатской железных дорогах. В начале XX в. они были применены также и на строительстве пристани в Сухум­ском порту.

С появлением железобетона винтовые сваи практически перестали применяться. Однако в последнее время к ним вернулись вновь и в результате были разработаны современные их конструкции, обладающие высокой грузоподъемностью. Сваи, разработанные во Всесоюзном научно-исследовательском институте транспортного строительства в 1948-1949 гг. имели диаметр винтовой лопасти до 2,4 м, а глубина их погружения в грунт превышала 20 м.

Рис. 2. 8. Винтовая металлическая свая

Завинчивание свай ведут с помощью мощных кабестанов. Такие сваи были применены на строительстве опор некоторых железнодорожных мостов взамен глубоких фундаментов и дали экономию.

На винтовые, как и на другие стальные сваи, расходуется много металла. В связи с этим у нас были разработаны конструкции, где стальная оболочка ствола заменена сборной железобетонной. Для погружения такой сваи применяется стальной сердечник, помещаемый внутри оболочки и соединяемый с винтовой лопастью. После завинчивания его отсоединяют и используют для погружения других свай. Применяют для завин­чивания также инвентарную стальную оболочку, внутри которой помещают железобетонный ствол сваи.

Металлические сваи подвержены коррозии, особенно в пределах колебания уровня окружающей воды. Для их защиты применяют обмазки битумами, каменноугольными смолами и другие антикор­розийные средства. Вообще же считают, что при надлежащем уходе металлические сваи могут служить до 100 лет.

Железобетонные сваи. Железобетонные сваи изготовляют мо­нолитными и сборной конструкции. Монолитные сваи появились еще в начальный период развития строительства из железобетона и получили широкое распространение. Появление свай сборной конструкции относится уже к современному периоду развития строительства.

Монолитные железобетонные сваи изготовляют квадратного и прямоугольного сечения. Размеры квадратных свай в сечении находятся в пределах от 20х20 до 40х40 см и принимаются кратными 5 см. Сваи прямоугольного сечения обычно имеют размеры сторон 20х40 или

25 Х 50 см.

Длину свай определяют без учета размеров заострения. Ее назначают кратной 0,5 м - для свай длиной от 3 до 6 м и кратной 1 м - для более длинных свай. Применяют также квадратные сваи с цилиндрической полостью внутри. Их размеры в сечении бывают 25 х 25 и 30 х 30 см при толщине стенок в наиболее узком месте не менее 4 см.

В монолитных железобетонных сваях применяют для продоль­ного армирования стальную стержневую арматуру обычно периоди­ческого профиля диаметром не менее 12 мм. Для армирования в по­перечном направлении используют низкоуглеродистую проволоку или катанку толщиной не менее 5 мм. Шаг поперечной арматуры у концов сваи принимают равным 5 см, у ее середины увеличивают до 10, а затем до 20см. Концы продольной арматуры в пределах заострения отгибают к оси сваи, где их объединяют в пучок, заключен­ный в обойму.

При твердых грунтах заостренную часть сваи усиливают сталь­ным башмаком. Головную часть сваи, непосредственно воспринимаю­щую ударную нагрузку при забивке, усиливают тремя сетками, располагаемыми перпендикулярно ее оси на расстояниях 5 см друг от друга. Заострение устраивают по форме четырехгранной пирами­ды с уклонами граней к оси сваи, равными 1 : 1,5. Для захвата тро­сами в тело сваи заделывают скобы в местах, определяемых расчетом на изгиб от собственного ее веса.

Класс бетона берут для свай с обычной и предварительно на­пряженной арматурой соответственно не менее 20 и 30. Соблю­дают также требования и в отношении морозостойкости бетона, если сваи будут находиться в условиях переменного замораживания и оттаивания окружающей их воды.

В качестве примера на рис.2.9. изображено устройство сваи (сечением

35 х 35 см) из обычного железобетона. Армирование пред­варительно напряженной сваи аналогично обычной, но отличается наличием некоторых деталей, необходимых для обеспечения натя­жения арматуры.

Монолитные железобетонные сваи, особенно при их больших размерах, обладают значительным весам. Это затрудняет их тран­спортировку и забивку, требуя применения мощных сваебойных средств. Поэтому длинномерные сваи в целях уменьшения их веса стали устраивать трубчатой конструкции.

Сборные железобетонные сваи трубчатой конструкции собирают из отдельных элементов или секций, изготовляемых в заводских условиях или на полигоне. Их погружают в грунт с закрытым или открытым нижним концом. При этом сборку свай можно произвести заранее и затем уже вести их забивку. Однако их сборку

можно вести также и путем наращивания оболочки секциями по мере погружения.

Бетонные сваи. Сваи этого типа устраивают посредством бетонирования скважин, пройденных в грунте либо забивкой инвентарной трубы, погружаемой обычно с закрытым нижним концом, либо бу­рением. В настоящее время имеется много разновидностей этих свай, из которых отметим лишь наиболее современные и представ­ляющие наибольший интерес.

Бетонные сваи в скважинах, образуемых забивкой инвентарной трубы, устраивают так же, как и вибронабивные «песчаные» сваи.

Различие заключается лишь в том, что погруженную в грунт трубу заполняют бетоном.

Рис. 2.9. Железобетонная забивная свая

Другой разновидностью, являются сваи, устраиваемые с приме­нением молота одиночного действия и получившие название часто­трамбованных. В этом случае забитая в грунт и заполненная бето­ном инвентарная труба подвергается при работе молота воздействию знакопеременных усилий. При ударе молота труба осаживается вниз, а при его подъеме несколько приподнимается вверх, что осу­ществляется благодаря применению оригинальной конструкции за­цепления ее головки с молотом. С повторением циклов работы молота происходит поочередное движение трубы вверх и вниз. Его регулируют с таким расчетом, чтобы за каждый цикл труба поднималась вверх на 2 -2,5 см. В процессе указанных перемещений 6етон в скважине трамбуется и некоторое уплотнение получает окружаю­щий грунт. Поверхность сваи приобретает при этом волнистый вид.

Для устройства частотрамбованных свай обычно применяют стальные трубы диаметром 40-45 см. Частотрамбованные сваи, в частности, были применены на строительстве высотного здания гостиницы на Комсомольской площади в Москве.

Устройство бетонных свай в буровых скважинах, как уже указывалось, было предложено впервые у нас А. Э. Страусом в 1899. г. Для этих свай бурят скважины диаметром 25-40 см до твердого грунта и закрепляют обсадными трубами. В скважину послойно укла­дывают бетон, который уплотняют, а обсадную трубу приподнимают. Следят, что поверхность уложенного бетона всегда оставалась нем­ного выше нижнего конца трубы. Применение вибраций облегчает подъем трубы и улучшает качество уплотнения бетона, которым в данном случае скважина заполняется на всю ее глубину.

Если в скважине стоит вода и откачивать ее нельзя из-за большого притока или опасности разрыхления грунта, бетонирование ведут подводным способом. На основе идеи Страуса позднее появились пневмонабивные сваи.

Сваи Страуса имеют сравнительно небольшую опорную площадь подошвы, которая при их работе в качестве стоек иногда оказывается недостаточной. В связи с этим появились набивные сваи с ушире­нием внизу. Такое уширение достаточно просто можно устроить с помощью сердечника. Для этого в скважину помещают некоторое количество бетона, а обсадную трубу поднимают на высоту устраи­ваемого уширения. В свежеуложенный бетон забивают сердечник, который его раздвигает в стороны. В скважину вновь помещают некоторое количество бетона и с помощью сердечника его также разд­вигают в стороны. Эти операции повторяют до тех пор, пока не бу­дет получено уширение требуемых размеров, о чем судят по количеству израсходованного бетона.

Другим более распространенным способом развития опорной площади подошвы сваи является устройство камуфлетного уширения нижней ее части. Здесь на дно скважины опускают заряд взрывча­того вещества и ее заполняют бетоном, а обсадную трубу для пре­дохранения от повреждения несколько приподнимают.

В результате взрыва в нижней части скважины образуется при­близительно сферическая полость, в которую опускается бетон. После этого скважину вновь заполняют бетоном, а обсадную трубу извлекают. Для связи сваи с ростверком устанавливают арматуру. Недостатком этих свай является невозможность проверить размеры уширения и качество заполнения его бетоном.

Для устранения этого недостатка на бетон, уложенный в сква­жину, можно после удаления обсадной трубы установить заранее изготовленный железобетонный ствол сваи. После взрыва заряда указанный ствол, действуя подобно поршню, облегчает перемещение бетона из скважины в образовавшуюся внизу полость.

Для лучшей гарантии качества работ необходимо опустившийся ствол вдавливанием или несколькими ударами легкого молота погру­зить дополнительно еще на некоторую величину, что одновременно позволит также и хорошо выровнять верх свай под один уровень.

Щель между стволом сваи и стенкой скважины, которая может остаться незаполненной бетоном, следует залить цементным раство­ром или хорошо затрамбовать грунтом. На. теле ствола сваи в со­ответствующем месте полезно сделать небольшое уширение в целях лучшего ее закрепления в устье скважины.

Камуфлетные взрывы применяют также для устройства ушире­ния в основании опор, сооружаемых из стальных или железобетон­ных оболочек. При большом диаметре труб рекомендуются заряды кольцевой формы, которые располагают на дне скважины по пери­метру ее стенок. Чтобы не разрушить взрывом нижнюю часть обо­лочки в устойчивых грунтах, скважину дополнительно углубляют на высоту уширения.

К числу бетонных свай следует отнести также и буровые опоры, устраиваемые в скважинах диаметром от 0,6 до 2,0 м, проходку которых ведут под глинистым раствором без применения обсадных труб. Глинистый раствор имеет удельный вес 1,2 - 1,25. Он удерживает стенки скважины от обрушения, а при непрерывной циркуляции выносит также выбуренные породы наружу к отстой­нику, откуда вновь поступает в скважину, и цикл повторяется. Бетонирование скважины ведут через вертикально перемещающуюся трубу (ВПТ). По мере укладки бетона глинистый раствор оттесняется вверх.

Можно также заполнять скважины секциями железобетонных оболочек, которые после установки бетонируют. Устроенная опора может работать лишь как стойка, так как вследствие смазки стенок скважины глинистым раствором сопротивление сил трения здесь невелико.

В зарубежной практике известны многие виды бетонных свай, различающиеся технологией их устройства и применяемым оборудованием. Во Франции распространены сваи Беното, которые устраивают, погружая в грунт стальные инвентарные трубы диаметром от 0,9 до 1,5 м. Разработку грунта ведут грейферным молотом, а механизм установки сообщает трубе поступательно вращательное движение, что облегчает погружение, которое ведут до твердых по­род, обычно до скалы. Пройденную скважину бетонируют, а трубу извлекают.