Способы устройства свайных фундаментов
Свайные молоты
Свайный молот включает в себя ударник — падающую или ударную часть, наковальню или шабот - неподвижную часть, жестко соединенную с головой сваи. Кроме того, в состав свайного молота входят устройства для подъема ударной части и ее направления. Различают механические, паровоздушные, дизельные и гидравлические свайные молоты.
Механический молот является простейшим механизмом в виде металлической отливки массой до 5т, поднимаемой вдоль мачты копра канатом подъемной лебедки и сбрасываемой на погружаемую сваю путем отсоединения каната специальным расцепляющим устройством или отключением барабана лебедки от трансмиссии. Из-за низкой производительности (4...12 ударов в мин) механические молоты применяют в основном при незначительных объемах свайных работ.
 Рис.160. Принцип работы паровоздушных молотов одиночного (а и б) и двойного (в и г) действия |
Паровоздушный молот представляет собой пару «цилиндр—поршень». В молотах одиночного действия (рис.160,а) поршень З через шток 2 соединен с наголовником 1 сваи, а ударной частью является цилиндр 4. Под действием сжатого воздуха или пара, подаваемого в поршневую полость цилиндра откомпрессора или паросиловой установки, цилиндр поднимается вверх, а после перекрытия впускного трубопровода и соединения поршневой полости с атмосферой (рис.160,б) цилиндр падает, ударяя по наголовнику сваи. Впуском и выпуском сжатого воздуха (пара) управляют вручную, полуавтоматически или автоматически. Молоты с автоматическим управлением работают с частотой ударов 40...50 мин-1.
В молотах двойного действия (рис.160,в) ударной частью является соединенный с поршнем 3 боек 5, движущийся внутри цилиндра 4. Сжатый воздух (пар) подают поочередно в нижнюю штоковую и верхнюю поршневую (рис.160,г) полости цилиндра, обеспечивая этим подъем поршня с бойком и его принудительное падение на ударную плиту - наковальню 6 (рис.160,в) с частотой 3 с-1. По сравнению с молотами одиночного действия описанные молоты производительнее при меньшем отношении массы ударной части к общей массе молота, не превышающем 1/4, в то время как у молотов одиночного действия это отношение равно в среднем 2/3.
Паровоздушные молоты используют для забивки вертикальных и наклонных свай на суше, а также под водой. Основным их недостатком является зависимость от компрессорных или паросиловых установок.
Гидравлический молот работает по схеме паровоздушного молота двойного действия с тем отличием, что вместо воздуха или пара в рабочий цилиндр подают жидкость, для чего сваебойный агрегат оборудуют насосной установкой. Для придания ударной части ускорения в момент удара к насосу подсоединяют гидравлический аккумулятор, который подзаряжается во время обратного хода поршня. Гидравлические молоты с массой ударной части 210...7500 кг развивают энергию удара от 3,5 до 120 кДж при частоте ударов 50... 170 мин-1.
Дизельные молоты (рис.161), работающие независимо от внешних источников энергии в режиме двухтактного дизеля получили наибольшее распространение в строительстве. Различают дизель-молоты с направляющими штангами (штанговые) и с направляющим цилиндром (трубчатые).
У штанговых дизель-молотов (рис.161,а) две направляющие штанги 4 объединены в нижней части основанием 2, отлитым заодно с поршнем 12. Основание поршневого блока опирается на сферическую пяту 1 и наголовник 15. По штангам перемещается цилиндр 10, являющийся ударной частью молота. В верхней части штанги объединены траверсой захвата («кошки»), свободно перемещающейся по ним и подвешенной к канату 8 лебедки копра. Для запуска молота «кошку» опускают до зацепления подпружиненным крюком 6 пальца 5 ударной части, после чего ударную часть 10 поднимают и рывком нажатием на рычаг 9 через присоединенный к нему канат расцепляют «кошку» с ударной частью. Последняя падает вниз, нанося удар по основанию 2 и сжимая воздух в закрытой поршнем 12 полости цилиндра. Одновременно выступающий на ударной части штырь 11 нажимает на рычаг топливного насоса 14, которым по центральному каналу 13 в поршне топливо подается в цилиндр с некоторым опережением конца хода, распыляется форсункой 3 и смешивается с нагретым вследствие сжатия воздухом. В последней фазе движения ударной части вниз вследствие дополнительного сжатия топливно-воздушной смеси происходит ее воспламенение. Расширяющиеся вследствие сгорания топлива газы отбрасывают ударную часть вверх, откуда она снова падает, повторяя процесс. Молот выключают прекращением подачи топлива.
Штанговые дизель-молоты не имеют принудительного охлаждения, в связи с чем в летнее время при температуре окружающего воздуха 25 °С они работают с получасовыми перерывами после каждого часа работы. Эти молоты обладают малой энергией удара - 3,2 и 65 кДж при частоте 50...55 мин-1 и массе ударной части 240 и 2500 кг соответственно. Их применяют для забивки легких железобетонных и деревянных свай в слабые и средние грунты, а также для погружения шпунта при ограждении траншей, котлованов и т. п.
В трубчатом, дизель-молоте (рис.161,б) ударной частью служит поршень 22, перемещающийся в
 Рис.161. Дизель-молоты: а ‑ штанговый; б - трубчатый |
направляющем цилиндре 21. Удары поршня воспринимаются шаботом 17, герметично посаженным в нижнюю часть рабочей секции цилиндра. Молот центрируют на свае штырем 16. Для пуска молота его поршень поднимают «кошкой» 20, подвешенной к канату 8, и сбрасывают. При движении вниз поршень отжимает рычаг 23, которым включается насос 14, впрыскивающий в цилиндр порцию топлива из полости 19. Смешиваясь с воздухом, топливо стекает в сферическую выемку в шаботе. При дальнейшем падении поршень перекрывает канал 18, сообщающий цилиндр с атмосферой, и сжимает воздух в замкнутом уменьшающемся объеме. От удара поршня о шабот топливно-воздушная смесь разбрызгивается и воспламеняется. Расширяющиеся при сгорании смеси газы подбрасывают поршень вверх, откуда он снова падает, сжимая воздух, удаляя отработавшие газы через канал 18 в атмосферу и повторяя процесс. После прекращения подачи топлива молот останавливается.
Трубчатые дизель-молоты охлаждаются внешним воздухом или принудительно - водой. Они работают без перегрева при температуре окружающего воздуха до 30 °С в первом и до 40 °С - во втором случаях. Отечественная промышленность выпускает трубчатые дизель-молоты массой ударной части 500...5000 кг с энергией удара 15...150 кДж при частоте ударов 43...45 мин-1, в том числе для работы в условиях низких температур (до -60 °С). Эти молоты применяют для забивки железобетонных свай в любые нескальные грунты.
Дозаторы
Бетон представляет собой искусственный каменный материал, получаемый из смеси вяжущих веществ, воды и заполнителей после ее формования и затвердевания. Строительные растворы не имеют в своем составе крупных заполнителей. До формования эти тщательно смешанные компоненты называют соответственно бетонной смесью и строительным раствором.
Приготовление бетонных смесей и строительных растворов состоит из дозирования компонентов и их перемешивания. Для дозирования применяют дозаторы, а для перемешивания - смесительные машины или смесители.
Дозаторы бывают объемными и весовыми. Первыми дозаторами материалы дозируют по объему, а вторыми — по массе. Объемные дозаторы более просты, но менее точны из-за непостоянства плотности и влажности дозируемых сыпучих материалов и условий заполнения мерных емкостей. Их применяют обычно для дозирования воды. Для дозирования сыпучих материалов их используют только в условиях строительных площадок для смесителей с объемом готового замеса до 250 л.
По режиму работы различают дозаторы цикличные (порционные) и непрерывного действия. В порционных дозаторах материал дозируется в мерном или весовом бункере, а в дозаторах непрерывного действия материал подают в смесители непрерывным потоком с заданной производительностью. Управляют дозаторами автоматически или полуавтоматически с пульта управления.
Весовой дозатор цикличного действия (рис.164) применяют для порционного автоматического взвешивания цемента, заполнителей, химических добавок и воды, а также выдачи отвешенных порций в смесители. Компоненты дозируют поочередно, загружая весовой бункер 8 сначала материалом с более
 Рис.164. Функциональная схема весового дозатора цикличного действия |
крупными размерами кусков, а затем - более мелкий, поверх первого. Сигнал на начало дозирования одного компонента поступает с пульта управления 7 к электропневматическому клапану 2, после срабатывания которого сжатый воздух от компрессорной установки поступает в пневмоцилиндр 3. Последний открывает впускной затвор 9 одного из бункеров 10 с дозируемым компонентом, который через воронку загружается в весовой бункер 8. Последний системой тяг и рычагов связан с весоизмерительным устройством 6 с циферблатным указателем. По достижении в весовом бункере требуемой дозы сигнал об окончании загрузки, сформированный задатчиком массы циферблатного указателя, поступает к пульту управления, который отключает клапан 2, а управляемый этим клапаном пневмоцилиндр 3 закрывает затвор, прекращая этим подачу материала в весовой бункер.
После перенастройки задатчика массы циферблатного указателя так же дозируют второй компонент. Сигнал на разгрузку весового бункера поступает с пульта управления на электропневматический клапан 4, который открывает доступ сжатого воздуха в пневмоцилиндр 5. Последний открывает разгрузочный затвор 7, и отмеренные компоненты разгружаются в смеситель 6.
Дозаторы рассмотренного типа различаются пределом взвешивания, зависящим от вместимости весового бункера и других связанных с ним параметров. В качестве питателей при дозировании песка, щебня и т.п. применяют ленточные питатели и затворы различных конструкций. При дозировании цемента используют аэрожелоба, шнековые и барабанные питатели. При дозировании жидкостей применяют затворы, обеспечивающие необходимую герметичность.
Дозаторы непрерывного действия для сыпучих материалов представляют собой какой-либо питатель или сочетание питателей, в которых автоматически с требуемой точностью поддерживается заданная производительность. Независимо от конструктивных особенностей дозаторы непрерывного действия включают в себя питатель, измерительное устройство производительности и САР.
На рис.165 приведена схема дозатора цемента. Дозируемый материал подается на ленту ленточного питателя 2 из загрузочного бункера с помощью лопастных питателей 7, в приводе которых установлен вариатор 16. Также вариатором 14 приводится в движение ленточный питатель. Производительность дозатора регулируют путем поддержания постоянного значения массы материала на ленте питателя 2 и изменения скорости движения ленты. Для стабилизации массы дозируемого материала ленточный питатель подвешен к раме дозатора шарнирно на оси приводного барабана и с помощью тяги — к коромыслу 3, уравновешенному грузом 6. При отклонении массы материала на ленте питателя от значения, соответствующего заданной производительности дозатора, коромысло отклоняется от своего равновесного положения, воздействуя на индуктивный преобразователь 5, с сердечником которого оно связано, в
 Рис.165. Схема дозатора непрерывного действия для цемента |
результате чего на вход бесконтактного электронного регулятора 8 подается напряжение, отличное от нуля. Этот сигнал, пройдя тиристорный усилитель 9, включает двигатель 17 исполнительного механизма вариатора 16, передаточное отношение которого и, следовательно, частота вращения лопастных питателей будут изменяться до тех пор, пока масса материала на ленте питателя не достигнет заданного значения. Для устранения колебаний коромысла служит демпфер 4.
Для изменения скорости движения ленты служит автоматическая цепь из синхронного генератора 10, задатчика 11, регулятора 12, тиристорного усилителя 13 и исполнительного двигателя 15. Генератор вырабатывает сигнал переменного тока с частотой, пропорциональной частоте выходного вала вариатора. Выпрямленное напряжение сравнивается с напряжением задатчика, соответствующим установленной производительности. Разность этих напряжений подается на вход регулятора, который через тиристорный усилитель включает исполнительный двигатель, изменяющий передаточное отношение вариатора до достижения нулевого сигнала на входе регулятора. Общее количество подаваемого в смеситель материала регистрируется счетчиком 7, кинематически связанным с головным барабаном ленточного питателя.
Универсальные дозаторы (рис.166) применяют для дозирования заполнителей. Дозируемый материал
 Рис.166. Схема универсального дозатора для заполнителей |
поступает на ленточный питатель 5 из бункера 3 через затвор 4. Нагрузка от шарнирно подвешенного питателя воспринимается грузоприемным устройством 6 и фиксируется встроенным в него силоизмерительным датчиком, сигнал от которого поступает в умножитель 7. Второй, скоростной сигнал поступает на умножитель от тахогенератора 2 через преобразователь 8. Результат преобразования сигналов в умножителе поступает в блок задания и сравнения 13, в котором формируется сигнал, воздействующий на регулятор 14, управляющий приводом 15 вариатора 7 в кинематической цепи привода ленточного питателя. При работе в цикличном режиме сигнал с умножителя поступает в интегрирующий блок 12 и далее в блок задатчика дозы 11. По достижении заданного значения поданной массы материала регулятор 10 отключает двигатель 9 привода питателя.
Для дозирования жидкостей в установках небольшой производительности применяют компактные дозаторы турбинного типа на базе расходомеров воды, которые могут работать как в цикличном, так и в непрерывном режимах.
Смесители
В зависимости от вида приготовляемой смеси смесители подразделяют на растворосмесители - для приготовления штукатурных, кладочных, отделочных и других растворов и бетоносмесители - для приготовления бетонных смесей: обычных, сухих, ке-рамзитобетонных, ячеистых, особо тяжелых и др.
Смесители могут быть стационарными для работы в составе бетоносмесительных установок, заводов сборных железобетонных изделий (ЖБИ) и комбинатов крупнопанельного домостроения, перебазируемыми для объектов с небольшими объемами работ и мобильными (авторастворосмесители, автобетоносмесители). По режиму работы смесители могут быть цикличными и непрерывного действия.
В цикличных смесителях исходные компоненты смешиваются отдельными порциями. Их главным параметром является вместимость смесительного барабана (по объему исходных компонентов). Отечественная промышленность выпускает бетоносмесители вместимостью 100...4500л и растворосмесители вместимостью 40...1500 л.
В смесителях непрерывного действия исходные компоненты поступают непрерывно, также непрерывно выдается готовая смесь. Для приготовления смесей с различной рецептурой и частой сменой рецептов более приспособлены цикличные смесители. Их применяют на растворобетонных установках, заводах ЖБИ и в домостроительных комбинатах. Смесители непрерывного действия применяют в дорожном и энергетическом строительстве с ограниченным числом рецептов смеси (не более трех).
По принципу смешивания компонентов смесители подразделяют на гравитационные, принудительные и гравитационно-принудительные. Первые два типа могут быть как цикличного, так и непрерывного действия.
Наибольшее распространение в строительстве получили как гравитационные бетоносмесители цикличного действия, так и принудительные. В гравитационных смесителях рабочим органом является смесительный барабан с наклонной или горизонтальной осью вращения.
Гравитационный бетоносмеситель с наклонной осью вращения (рис.167,а) состоит из установленного на опорных стойках 4 смесительного барабана 7 с лопастями на его внутренней поверхности, приводимого во вращение электродвигателем 2 через систему зубчатых передач с конечной кинематической парой шестерня 5 — зубчатый венец 6 (рис.167,б), охватывающий барабан. Для загрузки барабан устанавливают пневмоцилиндром 3 в слегка наклонное положение горловиной вверх. В таком же положении он находится во время смешивания компонентов. Для разгрузки барабана его опрокидывают тем же пневмоцилиндром.
Исходные компоненты, загружаемые в смесительный барабан скиповым подъемником, смешиваются в барабане при его вращении лопастями, которые поднимают смесь на некоторую высоту, откуда она падает вниз, подхватывается другими лопастями и т.д. После перемешивания в течение 60...90 с готовую смесь выгружают из барабана, для чего его опрокидывают без остановки вращения. Продолжительность полного рабочего цикла, включающего загрузку исходных компонентов, их перемешивание и выгрузку готовой смеси, составляет 90...150 с. Гравитационные смесители отличаются простотой устройства и обслуживания, способностью приготавливать смесь с крупными (до 120...150 мм) заполнителями.
Смесители принудительного действия с вращающимися лопастными валами применяют для приготовления бетонных смесей и растворов практически любой подвижности и жесткости с крупностью заполнителя не более 70 мм. Различают смесители с вертикальными и горизонтальными лопастными валами. В настоящее время широкое распространение получили роторные смесители с вертикальными валами, работающие с повышенными скоростями движения рабочих органов.
 |  |
| Рис.167. Гравитационный бетоносмеситель цикличного действия (а) и кинематическая схема его привода (б) |
Эти машины особенно рекомендуется применять для приготовления жестких смесей.
В роторный смеситель (рис.168) сухие компоненты подают через загрузочный патрубок 3, а воду - по кольцевой перфорированной трубе 4. Смесь перемешивается лопастями 12, установленными на державках 13 кронштейнов 2, в кольцевом пространстве, ограниченном внешней обечайкой 7 смесительной чаши и внутренним стаканом 10, футерованными сменными износостойкими плитами 11. Несколько таких кронштейнов закреплены на траверсе 9, вращение которой передается от электродвигателя 6 через редуктор 5. Разгружают готовую смесь через секторный затвор 8, управляемый пневмоцилиндром 7. Цикличные смесители с горизонтальным лопастным валом и турбулентные смесители применяют для приготовления строительных растворов.
 Рис.168. Роторный смеситель |
В смесителях первого типа (рис.169) смесь перемешивается двумя винтовыми лопастями 3, установленными на валу 4, приводимом в движение от электродвигателя 2 через ременную передачу 1 и редуктор 5. Разгружают готовую смесь через затвор 6, управляемый пневмоцилиндром 7.
В турбулентный растворосмеситель (рис.170) компоненты загружают через горловину в верхней части корпуса 1. При вращении лопастного ротора, приводимого в движение электродвигателем 2, перемешиваемые материалы совершают многократные перемещения в конической периферии корпуса, поднимаясь вверх по ней и оседая в центральной части. Разгружают готовый раствор через люк 3 при открытом затворе 4. Производительность смесителей цикличного действия П = VzkВkИ,
где П - производительность смесителей цикличного действия, м3/ч; V — вместимость смесителя по загрузке, м3; z— число замесов в час; kВ — коэффициент выхода смеси (kВ= 0,75 ...0,85); kИ ‑ коэффициент использования смесителя во времени.
 Рис.169. Растворосмеситель с винтовыми лопастями |  Рис.170. Турбулентный растворосмеситель |
Смесителями непрерывного действия комплектуют бетоно- и растворосмесительные установки производительностью до 30 м3/ч.
В горизонтальном двухвальном смесителе (рис.171) компоненты смеси непрерывным потоком подают в корыто 8, в котором вращаются навстречу друг другу валы 6 с закрепленными на них лопастями 7, установленными под углом 40...45° к оси вала для перемещения смеси в процессе ее перемешивания к разгрузочному затвору 5. Валы приводятся во вращение электродвигателем 1 через ременную передачу 2, редуктор 3 и зубчатую пару 4. Техническая производительность смесителей непрерывного действия определяется объемом смеси, перемещаемым в единицу времени в осевом направлении, и зависит от размера лопастей, угла их установки и частоты их вращения.
 Рис.171. Горизонтальный двухвальный смеситель непрерывного действия (а) и кинематическая схема его привода (б) |
Способы устройства свайных фундаментов
Для устройства свайных фундаментов применяют забивные, винтовые и набивные сваи. Два первых типа свай изготавливают на заводах, а третий изготавливают на месте из монолитного железобетона или в сочетании со сборными элементами заводского изготовления.
В настоящее время на стройках России массовое применение (более 90 % от общего объема свай) получили забивные сваи квадратного сечения от 0,2х0,2м до 0,4х0,4м длиной до 20м. Используются также винтовые металлические сваи, в частности, для заанкеривания трубопроводов, укладываемых в болотистый грунт; в качестве инвентарных анкерных устройств для стендовых испытаний конструкций на статические нагрузки и т.п. За рубежом свайные фундаменты изготавливают преимущественно буронабивным способом, который и в нашей стране начинает находить все более широкое применение. Забивные сваи погружают в грунт, и в зависимости от их ориентации, прикладывают к ним внешнюю вертикальную или наклонную нагрузку. Винтовые сваи погружают в грунт, используя для этого сочетание вертикальной нагрузки с крутящим моментом относительно оси сваи.
Забивные сваи погружают в грунт посредством свайных молотов (ударной нагрузкой), с помощью вибропогружателей (вибрированием) и сочетанием этих способов - вибромолотами. Реже в наиболее податливые глинистые и супесчаные грунты текучей и текучепластической консистенции забивные сваи погружают вдавливанием с пригрузкой вдавливающего оборудования тяжелыми тракторами, которые наезжают на специальные откидные рамы, связанные с направляющей мачтой. По сравнению с ударным способом вибропогружением можно повысить производительность труда в 2,5-3 раза при одновременном снижении стоимости работ в 1,2-2 раза.
Существует два способа погружения свай: копровый и бескопровый. Способ бескопрового погружения свай применяют при погружении пирамидальных, суживающихся книзу свай. Для этого ямобуром 1 (рис.153,а) отрывают лидерную скважину глубиной, примерно равной 1/4 длины погружаемой сваи. Далее специальный наголовник 4 (рис.153,б), подвешенный к крюку крана, закрепляют на погружателе 3, вместе с
 Рис.153. Последовательность операций бескопрового погружения пирамидальных свай |
ним подводят к голове сваи и закрепляют на ней конический хвостовик наголовника 5. Краном поднимают сваю с погружателем и устанавливают ее в лидерную скважину (рис.153,в). Поддерживая в таком положении погружатель, опускают сваю на заданную глубину (рис.153,г), после чего наголовник отсоединяют от сваи и перемещают кран на новое место.
Способом бескопрового погружения (без устройства лидерной скважины) погружают призматические сваи с использованием сваеустановщика 1 (рис.154) с захватным устройством, и крана 2. После заглубления сваи 5 на 1/4 длины ее освобождают от сваеустановщика, который перемещается к другой свае. До конца погружения сваи погружатель 3 поддерживают краном через наголовник 4.
Для завинчивания свай применяют специальные устройства, называемые кабестанами, с дополнительной осевой пригрузкой, особенно на начальном этапе, когда лопасти сваи еще недостаточно защемлены грунтом.
 Рис.154. Последовательность операций бескопрового погружения призматических свай: а - установка сваи; б ‑ монтаж наголовника с погружателем; в ‑ погружение сваи |
Винтовые сваи можно погружать в щебенисто-галечные, гравийно-песчаные, глинистые, а также мерзлые (песчаные и глинистые) грунты.
Перед устройством ростверков - строительных конструкций, объединяющих сваи и служащих для передачи нагрузки от надземной части здания на сваи и грунтовое основание - головы погруженных в грунт свай выравнивают на проектной отметке, срубая их пневматическими молотками и газовой резкой или срезая специальными устройствами - сваерезами.
Набивные сваи изготавливают на месте путем заполнения предварительно пробуренной скважины бетонной смесью с уплотнением или без него. Скважины образуют бурением, пробивкой штампами, иногда с раскаткой или при их устройстве используют сочетание этих способов. В плотных грунтах скважины разрабатывают без крепления их стенок, а в обрушающихся грунтах — с использованием обсадных труб, которые оставляют в скважине или извлекают из нее по мере ее заполнения бетонной смесью. Уширения в скважинах под пяты свай образуют режущими уширителями рабочих органов бурильных машин или с помощью камуфлетного взрыва, не вызывающего деформаций грунта за пределами означенной зоны.
Для механизации работ по устройству набивных свай используют общестроительные машины и оборудование (бурильные, бетоносмесительные, машины для транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси и др.), а также специальные машины.