4. Технология погружения забивных свай

С предприятий стройиндустрии сваи доставляют в готовом для по­гружения в грунт виде. В зависимости от характеристик грунта суще­ствует ряд методов устройства свай, в том числе ударный, вибрацион­ный, вдавливанием, завинчиванием, с использованием подмыва и элек­троосмоса, а также различными комбинациями этих методов.

Ударный метод основан на использовании энергии удара (воздей­ствия ударной нагрузки), под действием которой свая своей нижней заостренной частью внедряется в грунт. По мере погружения она сме­щает частицы грунта в стороны, частично вниз или наверх. В резуль­тате погружения свая вытесняет объем грунта, практически равный объему ее погруженной части. Меньшая часть этого грунта оказывает­ся на дневной поверхности, большая - смешивается с окружающим грунтом и значительно уплотняет грунтовое основание. Зона заметно­го уплотнения грунта вокруг сваи составляет 2...3 диаметра сваи.

Ударную нагрузку на оголовок сваи создают специальные меха­низмы:

паровоздушные молоты, которые приводятся в действие силой сжатого воздуха или пара, непосредственно воздействующих на удар­ную часть молота;

дизель-молоты, работа которых основана на передаче энергии сго­рающих газов ударной части молота;

вибропогружатели - передача колебательных движений рабочего органа на сваю (использование вибрации);

вибромолоты - сочетание вибрации и ударного воздействия на сваю.

Вибропогружатели и вибромолоты чаще используют при погруже­нии трубчатых свай-оболочек большого диаметра, при погружении в грунт и извлечении шпунтовых свай.

Рабочий цикл молотов всех типов состоит из двух тактов: холосто­го хода, в течение которого происходит подъем ударной части на оп­ределенную высоту, и рабочего хода, в течение которого ударная часть с большой скоростью движется вниз до момента удара по свае. В ряде свайных молотов рабочий ход происходит только под действи­ем массы ударной части, такие молоты называются молотами одиноч­ного действия.

В молотах двойного действия в точке максимального подъема ударная часть получает дополнительную энергию, на сваю действуют эта энергия и масса ударной части молота. В процессе работы молота корпус его остается неподвижным на голове погружаемой сваи, удар­ная часть молота движется внутри корпуса. Энергия сгорания не толь­ко поднимает ударную часть молота на предельную высоту, но и воз­действует на нее ударом, когда она под действием силы тяжести пада­ет вниз. Подача топлива и его возгорание в зависимости от положения ударной части выполняются автоматически.

Дизель-молоты, по сравнению с паровоздушными, отличаются бо­лее высокой производительностью, простотой в эксплуатации, авто­номностью действия и более низкой стоимостью. Автономность обес­печивается путем подъема за счет рабочего хода двухтактного дизель­ного двигателя.

На строительных площадках применяют штанговые и трубчатые дизель-молоты (рис. 4.5). Ударная часть штанговых дизель-молотов -подвижный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направ­ляющих штангах.

При падении цилиндра на неподвижный поршень в камере сгорания воспламеняется смесь воздуха и топлива. Образовав­шиеся в результате сгорания смеси газы подбрасывают цилиндр вверх, после чего происходит новый удар и цикл повторяется.

В трубчатых дизель-молотах неподвижный цилиндр, имеющий пяту, является направляющей всей конструкции. Ударная часть -подвижный поршень с головкой. Воспламенение смеси происходит при ударе головки поршня по поверхности сферической впадины ци­линдра.

Главное преимущество дизель-молота трубчатого типа над штанго­вым в том, что при одинаковой массе ударной части они обладают значительно большей (в 2...3 раза) энергией удара.

Рекомендуется сле­дующее отношение массы ударной части молота к массе сваи: для штанговых молотов 1,25; для трубчатых - 0,5...0,7. Для молотов оди­ночного действия количество ударов в 1 минуту составляет 45... 100, масса ударной части до 2500 кг. Аналогично для молотов двойного действия количество ударов в 1 минуту до 300, масса ударной части до 1200 кг.

В комплект молота входит наголовник, необходимый для закрепле­ния сваи в направляющих сваебойной установки, предохранения голо­вы сваи от разрушения ударами молота и равномерного распределения удара по площади сваи. В этой связи внутренняя полость наголовника должна соответствовать очертанию и размерам головы сваи и жестко на ней быть закрепленной.

Для подъема и установки сваи в заданное положение и для за­бивки свай с обеспечением передачи усилия от молота сваи строго в вертикальном положении применяют специальные устройства -копры (рис.4.6). Основная рабочая часть копра - его стрела, вдоль которой устанавливают перед погружением молот, опускают и под­нимают его по мере забивки сваи. Наклонные сваи погружают в грунт копрами с наклонной стрелой. Копры бывают на рельсовом ходу (универсальные металлические копры башенного типа) и само­ходные - на базе кранов, тракторов, экскаваторов и автомашин со стрелой длиной 9...18 м.

Забивка свай состоит из трех основных повторяющихся операций:

• передвижка и установка копра на место забивки сваи;

• подъем и установка сваи в позицию для забивки;

• забивка сваи.

Центр тяжести свайного молота должен совпадать с направлением забивки сваи. Свайный молот поднимают на высоту, достаточную для установки сваи, с некоторым запасом на ход молота и в таком положе­нии закрепляют. При забивке стальных и железобетонных свай моло­тами одиночного действия обязательно применение наголовников для смягчения удара и предохранения головы сваи от разрушения.

В процесс забивки свай входят установка сваи в проектное положе­ние, надевание наголовника, опускание молота и первые удары по свае с высоты 0,2...0,4 м, после погружения сваи на глубину 1м- переход к режиму нормальной забивки. От каждого удара свая погружается на определенную глубину, которая уменьшается по мере заглубления сваи. В дальнейшем наступает момент, когда глубина забивки сваи практически незаметна. Практически свая погружается в грунт на одну и ту же малую величину, называемую отказом.

Отказ — глубина погружения- сваи за определенное количество уда­ров обычно молота одиночного действия или за единицу времени для молотов двойного действия. Величина отказа - среднее от 10 или се­рии ударов в единицу времени.

Залог - серия ударов, выполняемых для замера средней величины отказа: для паровоздушных молотов в залоге 20...30 ударов; для ди­зель-молотов в залоге 10 ударов; для дизель-молотов двойного дейст­вия отказ определяют за 1 мин. забивки.

Замеры проводят с точностью до 1 мм, забивку прекращают при получении заданного по проекту отказа (расчетного).

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

Если при погружении свая не дошла до проектной отметки, но уже получен заданный отказ, то этот отказ может оказаться ложным, вследствие возможного перенапряжения в грунте от забивки предыдущих свай.

требуется усилия иногда в десятки раз меньшие, чем при забивке. При этом происходит частичное виброуплотнение грунта, в том числе и под головкой сваи. Зона уплотнения для разных грунтов составляет 1,5...3 диаметра сваи. Для погружения свай в грунт вибрированием используют вибропогружатели, которые подвешивают к мачте сваепогружающей ус­тановки и жестко соединяют с наголовником сваи. Действие вибропогружателя основано на принципе, при котором вызываемые дисбалансами

вибратора горизонтальные центробежные силы взаимно ликвидируются, в то время как вертикальные силы суммируются. Амплитуда виброколебаний и масса вибросистемы, в которую вхо­дят свая, наголовники и вибропогружатель, должны обеспечить виб­рацию примыкающим слоям грунта, включение их в эту систему, в результате происходит раздвижка зерен грунта под контуром по­груженной части сваи.

Способ наиболее приемлем в песчаных грунтах, водонасыщенных мелких и пылеватых грунтах, где скорость погружения может дости­гать 3,5...7 м/мин. Этим методом погружают сплошные и полые железобетонные сваи, сваи-оболочки, металлический шпунт.

виб­ратора и присоединенного к нему с помощью системы пружин допол­нительного пригруза с расположенным на нем электродвигателем.

Вибрационный метод наиболее эффективен при несвязных водона­сыщенных грунтах. Применение метода для погружения свай в мало­влажные плотные грунты возможно лишь при устройстве лидирующих скважин, т. е. при предварительном пробуривании скважин.

Более универсальным является виброударный способ погружения свай с помощью вибромолотов. При работе вибромолота наряду с виб­рационным воздействием на сваю периодически опускается ударник, оказывая и динамическое воздействие на голову сваи.

Наиболее распространены пружинные вибромолоты. В них при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях соз­даются постоянные колебания. Когда зазор между ударником и нако­вальней сваи оказывается меньше амплитуды колебаний, ударник пе­риодически ударяет через наковальню по свае. Вибромолоты могут са­монастраиваться, т. е. увеличивать энергию удара с повышением со­противления грунта погружению сваи. Масса ударной части вибромолота применительно к погружению железобетонных свай должна быть не менее 50% от массы сваи и составлять 650..1350 кп.

Виброударный способ применим в связанных плотных грунтах, и позволяет в 3...8 раз быстрее при одинаковой мощности с вибрационным способом осуществлять погружение свай в грунт за счет одно- временной вибрации и забивки. При этом должно быть обеспечено же­сткое соединение вибропогружателя со сваей.

Метод вибровдавливания основан на комбинации вибрационного или виброударного воздействия на сваю и статического пригруза. Вибровдавливающая установка состоит из двух рам. На задней раме находятся электрогенератор, работающий от тракторного двигателя и двухбарабанная лебедка, на передней раме размещены направляю­щая стрела с вибропогружателем и блоки, через которые проходит к вибропогружателю вдавливающий канат от лебедки. В рабочем по­ложении вибропогружатель, расположенный над местом погружения сваи, поднимает сваю и устанавливает ее вместе с закрепленным наголовником на место ее забивки. При включении вибропогружателя и лебедки свая погружается за счет собственной массы, массы вибро­погружателя и части массы трактора, передаваемой вдавливающим канатом через вибропогружатель на сваю. Одновременно на сваю дейст­вует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессо­ренной плитой.

Метод вибровдавливания не требует устройства путей для пере­движки рабочего агрегата, исключает повреждение и разрушение свай. Особенно эффективен при погружении свай длиной до 6 м.

Погружение свай вдавливанием применяют для коротких свай сплошного и трубчатого сечения (3...5 м). Статическое вдавливание осуществляется в такой последовательности: сваю устанавливают в вертикальное положение в направляющей стреле агрегата. Далее на голову сваи опускают и закрепляют оголовник, передающий давление от базовой машины (трактора, экскаватора) через систему блоков и по­лиспастов непосредственно на сваю, которая благодаря этому давлению постепенно погружается в грунт. После достижения сваей проект­ной отметки погружение прекращают, снимают наголовник, агрегат переезжает на новую позицию. Применимо статическое вдавливание с использованием одновременно задействованных двух механизмом (рис. 4.8).

заглубления в плотные грун­ты) винтовые лопасти наконечников могут иметь в диаметре до 3 м, минимальный диаметр лопастей составляет 30 см; длина свай может превышать 20 м. Конструкция рабочего органа позволяет выполнять следующие операции: втягивать винтовую сваю внутрь трубы рабочего органа (предварительно на сваю надевают инвентарную металлическую обо­лочку), обеспечивать заданный угол погружения сваи в пределах 0...45о от вертикали, погружать сваю в грунт путем вращения с одно­временным использованием осевого усилия. Это усилие при необходи­мости можно использовать при вывертывании сваи из грунта. Враще­ние рабочего органа осуществляют от коробки отбора мощности через соответствующие редукторы.

Рис. 4.9. Схема процесса завинчивания свай:

1 - конструкция наконечника при погружении в слабые грунты; б — то же, в плотные грунты; в схема погружения сваи; 1 - редуктор наклона рабочего органа; 2 - рабочий орган (кабестан); 3 -свая; 4 - наконечник сваи; 5 - выносные опоры

Рабочие операции при погружении сваи методом завинчивания аналогичны операциям, выполняемым при погружении свай метода­ми забивки или вибропогружения. Только вместо установки и снятия наголовника при этом методе одевают и снимают металлическую оболочку.

После завинчивания винтовой сваи (диаметр труб достигает 1 м), ее внутренняя полость заполняется бетоном. Скорость погружения винтовых свай зависит от диаметра лопасти и характеристик грунта и находится в пределах 0,2...0,6 м/мин.

Достоинства винтовых свай в их высокой несущей способности, возможности плавного погружения в грунт, восприятии отрицатель­ных усилий.

Погружение свай подмывом грунта применяют в несвязных и малосвязных грунтах - песчаных и супесчаных. Целесообразно под­мыв использовать для свай большого поперечного сечения и большой длины, но недопустимо для висячих свай. Способ заключается в том, что под действием воды, вытекающей под напором у острия сваи из одной или нескольких труб, закрепленных на свае, грунт разрыхляется и частично вымывается (рис. 4.10). При этом сопротивление грунта у острия сваи снижается, а поднимающаяся вдоль сваи вода размывает прилегающий грунт, уменьшая тем самым трение по боковым поверх­ностям сваи. В результате свая погружается в грунт под действием собственной массы и массы установленного на ней молота.

Расположение трубок для подмыва грунта диаметром 38...62 мм может быть боковым, когда две или четыре трубки с наконечниками находятся по бокам сваи, и центральным, когда одно- или многоструй­ный наконечник размещен в центре пустотелой забиваемой сваи. При боковом подмыве, по сравнению с центральным подмывом, 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. При подмыве поверхности свай, что может в последующем привести к снижению несущей способности сваи. Учитывая, что свая должна будет в дальнейшем воспринимать нагрузку, погружение с подмывом осуществляют только до заданного уровня, а затем с помощью сваебойной установки ее забивают до проектной глубины (на 0,5...2,0 м). При этом способе погружения производительность возрастает на -30...40% по сравнению с чистой набивкой, экономится горючее. После прекращения подачи воды и стабилизации уровня грунтовых вод, грунт уплотняется и плотно обжимает сваю.

Применение метода подмыва не допускается, если имеется угроза просадки близлежащих сооружений, а также в целом на просадочных грунтах.

Погружение свай с использованием электроосмоса применяют в водонасыщенных плотных глинистых грунтах, в моренных суглин­ках и глинах. Для практической реализации метода уже погруженную в грунт сваю присоединяют к положительному полюсу (аноду) элек­трической сети постоянного тока, а соседнюю с ней, подготовленную для погружения в грунт - к отрицательному полюсу (катоду). При включении тока вокруг сваи с положительным полюсом резко снижа­ется влажность грунта, а у соседней с отрицательным полюсом она на­оборот резко увеличивается. В более влажной среде свая быстрее по­гружается р грунт, что позволяет применять сваебойное оборудование меньшей мощности.

После окончания забивки и отсоединения свай от источника тока в грунте быстро восстанавливается былая стабилизация грунта и его влажностного состояния. Благодаря этому, только за счет уменьшения влажности вокруг забитой сваи ее несущая способность значительно возрастает.

Если железобетонные сваи при методе осмоса дополнительно осна­стить металлическими полосами, которые будут занимать 20...25% боковой поверхности свай, и также, уже забитую сваю подсоединить к аноду, а погружаемую с металлическими полосами к катоду, то толь­ко это позволит на 20...30% сократить трудозатраты и продолжитель­ность погружения по сравнению с чистым методом электроосмоса. По сравнению с забивкой свай, использование дополнительно особенностей электроосмоса позволяет на 25...40% ускорить процесс погружения свай в грунт.

Последовательность погружения свай. Порядок погружения свай зависит от их расположения в свайном поле и параметров сваепогружающего оборудования.

Последовательность забивки свай определяется техкартой или проектом производства работ, она зависит от размеров свайного поля и свойств грунтов.

Применимы три схе­мы — рядовая, когда последовательно забиваются все сваи в одном ряду; спиральная, при забивке свай от центра к сваям внешних ря­дов и секционная, когда все поле делят на отдельные секции по ши­рине здания, в которых забивка осуществляется по рядовой схеме (рис. 4.11).Спиральная схема предусматривает погружение свай концентриче­скими кругами от центра к краям свайного поля, что позволяет

прежде всего используемым оборудованием. У некоторых копров башенного типа мачты опираются на выдвижные рамы, смещающиеся примерно на 1 м. Такими копрами можно заби­вать сразу сваи двух рядов с одной стоянки, что значительно снижает трассу движения копра и время на его передвижки. При сооружении подземной части жилых зданий нашли применение краны, оснащен­ные навесным копровым оборудованием, перемещающиеся по рельсо­вому пути вдоль бровки котлована здания.

При устройстве свайных фундаментов зданий большой протяжен­ности рационально применять мостовую сваебойную установку (рис.4.12), представляющую собой передвижной мост, по которому переме­щается тележка с копром.

Сваи длиной 8... 12 м забивают дизель-моло­том. Достоинством мостовой сваебойной установки является возмож­ность точной установки свай в месте забивки, предварительная рас­кладка свай в зоне работ значительно сокращает операции по

оборудования для погружения свай и количе­ство сваепогружающих установок

Список использованных источников

1.СНиП 2.02.03-85 (1995) Свайные фундаменты.

2.СНиП 2.02.01-83 (1995) Основания зданий и сооружений.

Лекция 5

Технология устройства набивных свай.