Основания и фундаменты промышленных зданий

III.СВАИ И СВАЙНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

1. НАЗНАЧЕНИЕ И РАБОТА СВАЙ

Сваи представляют собой круглые или многогранные стержни (деревянные, бетонные, железобетонные или металлические), погруженные в грунт. По длине они могут быть постоянного сечения (цилиндрические и призматические) и переменного (конические и пирамидальные) .

Группу свай, образующую свайный фундамент, поверху связывают жесткой конструкцией в виде балки или плиты, обеспечивающей передачу давления от сооружения на все сваи и препятствующей горизонтальному перемещению верхней части последней. Конструкции, связывающие головы свай, называют ростверками и выполняют в зависимости от материала свай и постоянного уровня грунтовых вод из дерева, бетона или железобетона. Различают ростверки высокие и низкие (рис. 30.1). Высокими называют ростверки, нижняя плоскость которых лежит выше поверхности грунта. Такие ростверки устраивают, когда поверхность грунта покрыта водой, например при строительстве набережных, мостовых опор и т. д. Однако возможно устройство высоких ростверков и при строительстве гражданских зданий, например при устройстве технического подполья.

Низкими называют ростверки с заглубленной в грунт нижней плоскостью. В промышленном и гражданском строительстве обычно применяют низкие ростверки. Отметка заглубления низкого ростверка в грунт зависит от наличия подвалов и проходящих в нем подземных коммуникаций, возможности пучения грунтов, глубины заложения соседних фундаментов и ряда других причин. Свая своим нижним концом может опираться на практически несжимаемые грунты: скальные, плотные крупнообломочные, плотные песчаные, плотные малосжимаемые глинистые в твердом состоянии (при показателе консистенции IL<;0). В таких случаях все давление на грунт основания передается только через нижний конец сваи, по площади ее поперечного сечения. Такие сваи называют сваями-стоиками. Однако далеко не всегда нижние концы свай можно опереть на несжимаемые грунты. По большей части нижние концы свай остаются в сжимаемых грунтах. В таких случаях нагрузка от сваи воспринимается грунтом как по площади поперечного сечения сваи, так и по ее боковой поверхности. Такие сваи называют висячими, или сваями трения. Такое название сваи получили в связи с развитием сил трения по боковой поверхности свай (рис. 30.2).

2. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ СВАИ

Сваи могут быть деревянными, металлическими, бетонными и железобетонными. В последнее время начали применять грунтобетонные или грунтоцементные сваи. По способу внедрения в грунт различают сваи готовые, погружаемые в грунт забивкой, задавливанием, завинчиванием и т. д., и набивные, изготовляемые непосредственно в скважине, предварительно сделанной в грунте. Готовые сваи, погружаемые в грунт с помощью молотов и вибропогружателей, называют забивными. Поперечное сечение свай может быть сплошным (полнотелые сваи) или полым (пустотелые сваи и сваи-оболочки). Принципиального различия между пустотелыми сваями и сваями оболочками нет. При диаметре (стороне) поперечного сечения сваи до 800 мм и наличии внутренней полости сваи называют пустотелыми. При тех же условиях, но при диаметре более 800 мм сваи называют оболочками. Пустотелые сваи и сваи-оболочки могут быть с открытым или закрытым нижним концом, что сказывается на способе производства работ и на несущей способности сваи. Чтобы повысить несущую способность сваи, у ее нижнего конца устраивают уширенную пяту (разбуриванием или камуфлетным взрывом). Устройство уширенной пяты тем или другим способом возможно у забивных свай, но наиболее часто применяется у набивных свай. Конструкции готовых свай, как это видно из сказанного, более или менее стандартны. Конструкции набивных свай исключительно разнообразны. Скважины для устройства набивных свай могут выполняться непосредственно в грунте бурением или пробивкой, под защитой обсадной трубы или без нее, или с обсадной трубой, удаляемой после бетонирования сваи или остающейся в качестве внешней оболочки сваи. Возможно комбинирование различных методов устройства ствола сваи и уширенной пяты.

3.ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ ЗАБИВНЫХ СВАЙ

Деревянные сваи изготовляют из лесоматериалов хвойных пород. Деревянные сваи могут быть цельными, изготовленными по длине из одного бревна, и срощенными по длине из двух бревен. Сращивание свай более чем из двух бревен не допускается (рис. 30.3). Возможно применение пакетных свай, сплоченных из нескольких цельных или ерошенных по длине бревен или брусьев. Диаметр бревен для цельных и составных по длине свай в тонком отрубе должен быть не менее 18 см, а для пакетных свай — не менее 16 см. При конструировании деревянных свай следует руководствоваться сортаментом свайного леса по ГОСТ 9463—60.

 Деревянные сваи применяют в местностях, где древесина — местный строительный материал, при условии, что головы свай после срезки всегда будут находиться на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды. При устройстве ростверка из древесины верхняя плоскость его также должна находиться на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды. Перед забивкой нижние концы деревянных свай заостряют в форме трех- или четырехгранной пирамиды при общей длине заострения 2 d±5 см, где d — диаметр сваи. При проходке плотных грунтов и грунтов, имеющих твердые прослойки и включения, на острие сваи надевают металлический башмак. Голову сваи обрабатывают и надевают на нее металлическое кольцо — бугель. При погружении деревянных свай вибраторами головы свай обрабатывают в соответствии с конструкцией вибратора. Учитывая сказанное, заготовительная длина сваи должна быть больше расчетной на величину острия и срезаемого участка головы. Бревна для изготовления деревянных свай должны быть очищены от коры, наростов и сучьев. Естественная коничность бревен сохраняется. Стыки бревен в срощенных по длине и в пакетных сваях осуществляются впритык с устройством металлических накладок или стыковых патрубков. Стыки бревен в пакетных сваях должны располагаться вразбежку.

Забивные железобетонные сваи и сваи-оболочки получили наибольшее распространение и применяются в различных конструктивных модификациях. Железобетонные сваи изготовляют из обычного или предварительно-напряженного железобетона. Наиболее распространены железобетонные призматические сваи сплошного квадратного сечения (рис. 30.4). Такие сваи применяют размерами сечения от 200X200 до 400X400 мм, длиной 3—24 м. Интервалы длины для таких свай приняты для длин 3—6 м через 0,5 м и для длин 6—24 м через 1 м. Ненапряженные сваи изготовляют длиной 3—16 м, а предварительно-напряженные-— длиной более 16 м. Сплошные призматические железобетонные сваи армируют по расчету продольными стержнями из горячекатаной арматуры стали периодического профиля диаметром 12—22 мм класса А-II и поперечной арматурой спиралями, сетками в голове сваи и петлями из обыкновенной арматурной проволоки класса A-I диаметром 5—6 мм. Бетон для свай с ненапряженной арматурой принимается марки 200, а для свай с предварительно-напряженной арматурой — марки 300. В качестве крупного заполнителя для бетона применяют щебень крупностью не более 40 мм.

4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ НАБИВНЫХ СВАЙ

Набивные сваи, устраиваемые непосредственно в скважинах, можно разделить на четыре основных типа.

1. Сваи с извлекаемой оболочкой, погружаемой бурением. В грунте с помощью обсадной трубы пробуривают скважину, которую после зачистки заполняют бетонном, одновременно извлекая обсадную трубу. Такие сваи могут быть выполнены и из железобетона, для чего в скважину предварительно опускают арматурный каркас. Усовершенствованием этого способа изготовления набивных свай является применение сжатого воздуха. В этом случае бетон поступает в обсадную трубу через специальный шлюзок. Уплотняют бетон и поднимают обсадную трубу автоматически с помощью сжатого воздуха. Сваи этого типа называют пневмосваями.

2. Сваи с извлекаемой оболочкой, забиваемой в грунт. Обсадную трубу снабжают съемным чугунным башмаком и забивают в грунт. Дальнейшее изготовление свай этого типа аналогично изготовлению свай предыдущего типа с той лишь разницей, что съемный башмак остается в грунте. Трамбование бетона в сваях со съемным башмаком можно вести паровым быстроходным молотом так, чтобы при ударе, направленном вверх, обсадная труба извлекалась из грунта на 4—5 см, а под ударами молота, направленными вниз, осаживалась обратно на 2— 3 см. Число ударов молота должно быть 70—80 и минуту. Сваи, изготовленные таким образом, называются часто- трамбованными. Следует отметить, что грунт иод нижними концами частотрамбованных свай уплотняется так же, как и при забивке готовых свай.

3. Сваи с оболочкой, остающейся в грунте. Легкую, слегка коническую оболочку заполняют деревянным сердечником и забивают в грунт. Затем сердечник удаляют, а оболочку заполняют бетоном.

4. Сваи без оболочек. Бурение скважин ведут без обсадных труб. Сохранность стенок скважин в глинистых грунтах обеспечивается связностью самого грунта. В глинистых грунтах бурение ведут под глинистым раствором. Для заполнения скважин применяют литой бетон. Сваи этого типа называют буронабивными. В настоящее время буронабивные сваи получили наибольшее распространение. Есть и другой способ изготовления свай без оболочек. Тяжелую (до 2 т) коническую трамбовку сбрасывают с высоты до 10 м и таким образом постепенно пробивают в грунте скважину. Чтобы стенки скважины лучше держались, под падающий конус подкладывают ком мятой глины в пластичном состоянии. Скважины для набивных свай без оболочек можно устраивать забивкой и последующим извлечением специальных легких сердечников. Затем скважину заполняют бетоном, который при укладке трамбуют.

Каждый из этих типов набивных свай имеет преимущества и недостатки. Основной недостаток всех типов - отсутствие надежного контроля качества изготовления сваи. Выбор того или иного типа набивных свай при проектировании свайного фундамента зависит от плотности грунта, его способности держать вертикальные стенки скважины, агрессивности грунтовых вод по отношению к бетону, степени нежелательности сотрясения грунта при изготовлении свай и т. д.

Один из вариантов набивных свай — устройство их с уширенной пятой. Уширение пяты достигается механическими приспособлениями, разбуривающими грунт ниже конца обсадной трубы. Другой способ устройства уширенной пяты — использование энергии взрыва. Заряд взрывчатого вещества с электродетонатором опускают до забоя скважины, нижнюю часть оболочки заполняют литым бетоном (рис. 30.5). При взрыве заряда в грунте под давлением газов образуется шаровидная полость, в которую сползает бетон из оболочки (рис. 30.5,6). В результате на конце сваи образуется уширение, сильно повышающее несущую способность сваи. Уширения, изготовленные при помощи взрыва, называются камуфлетными. Камуфлетные уширенные пяты могут быть образованы у железобетонных и у стальных трубчатых свайных оболочек.

IV.устройство искусственных основаниЙ

1. виды искусственных оснований

Несущая способность слабых грунтов может быть повышена различными техническими приемами. Массив грунта, природные свойства которого искусственно изменены, называют искусственным основанием. Технические приемы, с помощью которых устраивают искусственные основания, можно разделить на три основные группы:

1) уплотнение грунтов механическими воздействиями;

2) частичная или полная замена грунта или его переработка;

3) закрепление грунтов различными физико-химическими воздействиями.

 В результате применения того или иного метода грунты напряженной зоны изменяют свои свойства. В случае применения различных физико-химических воздействий по большей части происходит окаменение грунта, т. е. превращение в твердое тело с прочными цементационными связями между частицами. При применении механических воздействий происходит только уплотнение грунта и вследствие этого повышение его несущей способности.

2. УПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ МЕХАНИЧЕСКИМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ

Уплотнение грунта механическими воздействиями может быть достигнуто с помощью трамбования, укатки. втрамбовывания щебня, применения поверхностных и глубинных вибраторов. Трамбование выполняется тяжелыми трамбовками массой от 1 т и более, сбрасываемыми с высоты 3—4 м кранами, оборудованными фрикционными лебедками. Трамбовки из металла или железобетона имеют форму, близкую к конусу или усеченному конусу. Трамбование позволяет уплотнять рыхлые песчаные и слабые глинистые грунты на глубину от 1,5—2,5 м. В среднем можно считать, что глубина уплотнения составляет примерно 1,5—2 диаметра трамбовки. Увеличение глубины уплотнения пропорционально увеличению высоты падения трамбовки. Трамбование производят до тех пор, пока понижение поверхности уплотняемого грумта не достигнет некоторой постоянной величины, равной для песков 0,5—1 см и для глинистых грунтов 1—2 см.

Виброуплотнение — один из лучших методов уплотнения рыхлых песчаных грунтов. В глинистых грунтах виброуплотнение нецелесообразно. Виброунлотнснне может быть поверхностным и глубинным. Для поверхностного виброуплотнения применяют виброплиты, как правило, самоходные. Такие плиты уплотняют рыхлый песчаный грунт на глубину до 70—100 см за один ход. Глубинное виброуплотнение выполняют вибробулавами. Вибробулава, приведенная в действие, погружается в грунт. В образовавшуюся скважину после извлечения вибратора подсыпают песок, и снова включают вибратор. Глубина уплотнения достигает 7—8 м. Расстояние между скважинами (точками погружения вибратора) обычно достигает 0,5—1 м. Уплотнение грунтов песчаными и грунтовыми сваями применимо в рыхлых песчаных и в слабых глинистых грунтах. Этот метод заключается в том, что в грунт забивают или погружают вибрированием металлическую трубу со съемным или раскрывающимся наконечником. После погружения трубу постепенно вытаскивают, одновременно заполняя ее небольшими порциями грунта с тщательной утрамбовкой. Таким образом, устройство грунтовых свай вполне аналогично устройству набивных бетонных свай. Однако работа таких свай в грунте резко отличается от работы бетонных. После устройства песчаная или грунтовая свая физически перестает существовать, образуя вместе с окружающим ее грунтом общую более или менее однородную среду. В песчаных грунтах такие сваи делают песчаными, в глинистых грунтах— песчаными или из глинистого грунта, однородного с грунтом уплотняемого массива.

3. УСТРОЙСТВО ПЕСЧАНЫХ И ГРУНТОВЫХ ПОДУШЕК

Устройство песчаных и грунтовых подушек является одним из распространенных, технически целесообразных и экономически выгодных методов образования искусственных оснований. В качестве материала для устройства подушек применяют пески и крупнообломочные грунты: гравий, щебень и пр. В отдельных случаях, главным образом в гидротехнических сооружениях, применяют подушки из каменной наброски. Кроме того, при устройстве оснований на просадочных грунтах применяют подушки из грунта, однородного с грунтом естественного основания. Устройство песчаных подушек не может быть рекомендовано, если отмечены большие колебания уровня грунтовых вод. Грунтовые воды могут вымывать песок из подушки или заиливать его. В первом случае могут возникнуть большие дополнительные осадки, а во втором в заиленной подушке может возникнуть пучение. Наличие напорных вод в пределах воды песчаной подушки при заложении подошвы фундамента выше глубины промерзания также может привести к пучению подушки при замерзании. Основным вопросом при проектировании песчаных подушек является назначение их размеров в плане и по высоте. На уровне подошвы фундамента песчаная подушка может воспринимать среднее давление, равное расчетному давлению на грунт подушки, с учетом его уплотнения. Среднее давление, переданное на подушку, распределяется в ее толще на большую площадь. Поэтому среднее давление в уровне подошвы подушки будет меньше. Это давление будет воспринимать грунт природного сложения. Следовательно, среднее давление на уровне подошвы подушки должно быть не больше чем расчетное давление на подстилающий грунт природного сложения.

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ

Физико-химическое изменение свойств грунтов оснований производится в различных целях. В одних случаях необходимо общее окаменение массива искусственного основания, в других случаях достаточно только придать основанию водонепроницаемость. В соответствии с этим применяют цементацию, силикатизацию, битумизацию, электрозакрепление и термозакрепление грунтов. Цементация — один из самых старых сиособов закрепления рыхлых крупнообломочпых и крунпопссчапых грунтов. Этот метод состоит в том, что н закрепляемый грунт подается под давлением через специальные трубкнинъекторы суспензия цемент — вода (цементное молоко). После окончания нагнетания раствор постепенно твердеет и образует с грунтом прочное, неразмынаемое основание. Недостаток этого метода — сравнительно ограниченная область его применения; для успешной цементации необходимо, чтобы размеры пор в грунте были покрайней мере в 4—5 раз больше размеров частиц цемента. Такое соотношение позволяет применять цементацию только в крупнообломочных и крупнопесчаных грунтах и не дает возможности использовать ее в грунтах с более мелкими фракциями. Инъекторы для цементации грунтов состоят из трубки диаметром 19—38 мм. Трубка заканчивается коническим наконечником, облегчающим ее погружение. В нижней части трубки сделаны отверстия для выхода цементного молока. При небольшой глубине погружения инъекторы забивают в грунт, а при больших глубинах опускают в заранее пробуренные скважины. Перед тем как начать нагнетание цементного молока, грунт промывают чистой водой под напором, чтобы вынести наиболее мелкие фракции. Состав цементного молока (цемент —вода) колеблется в пределах от 1 : 10 до 1 :0,4, в зависимости от степени водопоглощения грунта. Радиус закрепления в зависимости от размера пор колеблется в пределах 0,5—1,5 м. Давление, под которым подается цементное молоко, в среднем равно 0,025— 0,1 МПа на каждый метр погружения. Силикатизация применима в грунтах с коэффициентами фильтрации 2—80 м/сут, т. е. охватывает область средних, мелких и даже пылеватых песков. Основой силикатизации является нагнетание в грунт раствора жидкого стекла Na2O-nSiO2. Выпадающий в результате химических реакций гель кремниевой кислоты SiO2 связывает между собой частицы грунта подобно цементу. В различных грунтах по-разному используют метод силикатизации. Наибольшее распространение получил метод двухрастворной силикатизации: в грунт последовательно нагнетают раствор жидкого стекла и вслед за ним — раствор хлористого кальция СаС12. В результате реакции образуется связывающий частицы грунта гель кремневой кислоты SiO2, гидрат окиси кальция Са(ОН2) и хлористый натрий NaCl. Однорастворная силикатизация заключается в том, что реакция в растворе, составленном из жидкого стекла и фосфорной кислоты Н3РО4, протекает медленно — в течение 4—10 ч, поэтому становится возможным нагнетание такого сложного раствора. Преимущество однорастворной силикатизации очевидно: вместо последовательного нагнетания двух растворов нагнетается только один. Однако прочность грунта, закрепленного двухрастворной силикатизацией, выше и доходит до 15—35-105 Па, в то время как прочность грунтов, закрепленных однораствор- ной силикатизацией, составляет только 4—5- 10s Па. В лёссовых грунтах, в составе которых, как правило, уже есть соли кальция, возможно закрепление нагнетанием только одного раствора жидкого стекла. Предел прочности лёссовых грунтов после закрепления составляет примерно 6—8- 10s Па. Радиус закрепления грунтов силикатизацией. достигает 0,3—1 м и зависит от коэффициента фильтрации грунта. Битумизация как метод закрепления грунта возможна горячая и холодная. При горячей битумизации в грунт распространен этот метод для создания водонепроницаемости в трещиноватых скальных грунтах. В этих случаях битум, разогретый только до 200—220е С, тампонирует трещины в радиусе до 10 м. Для поддержания высокой температуры в битуме инъектор имеет внутреннюю трубку или стержень, изолированную от внешней трубки. Через внешнюю и внутреннюю трубку инъектора пропускается электрический ток, поддерживающий высокую температуру в битуме. Метод горячей битумизации требует для подачи битума высокого давления, доходящего до 2,5—3 МПа. Для устройства искусственных оснований более применима холодная битумизация, заключающаяся в том, что в грунт под давлением подается битумная эмульсия, состоящая из битума, расщепленного в воде при помощи эмульгатора на мельчайшие взвешенные частицы (примерно 60% битума и 40% воды). Введенная в грунт битумная эмульсия обладает большой подвижностью и заполняет поры грунта. При увеличении давлении вода отжимается дальше, а частички битума выполняют из эмульсии, слипаются в общую массу и плотни заполняют поры грунта. Кроме битума для закрепления грунта в последнее время стали применять синтетические смолы. Практика закрепления грунта показывает, что при наличии органических и неорганических кислот такие смолы затвердевают за несколько часов. Электроосмотическое закрепление грунтов начинает получать все большее распространение и заключается в том, что в грунт параллельными рядами забивают электроды. Расстояние между электродами 0,6—1 м. Через электроды пропускается постоянный электрический ток напряжением 30—100 В. Глинистые грунты, подвергнутые обработке постоянным электрическим током, осушаются и уплотняются, причем процесс уплотнения необратим. Для удаления излишней воды из грунта электроды, служащие катодом, делают из полых трубок, через которые и откачивают воду. Если сделать полым также и анод, то через него можно вводить в грунт раствор хлористого кальция и тем самым усилить действие электрозакрепления грунта, превратив его в электрохимическое.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.                      Байков В.Н., Попов Г.И. «Строительные конструкции», М., Высшая школа, 1986

2.                      Цай Т.Н., Вородич М.К., Богданович А.Ф. «Строительные конструкции» том1, М., Стройиздат, 1977

Страницы: 1, 2