Методы погружения заранее изготовленных свай
Наиболее широко в строительстве используются готовые железобетонные сваи квадратного или прямоугольного сечения длиной от 3 до 20 м и сечением от 20×20 до 40×40 см. Применяются также составные сваи такого же сечения, сваи-колонны и пирамидальные сваи, дающие возможность при том же расходе материалов повысить за счет распорного эффекта несущую способность почти в 1,5 раза. Наряду со сплошными сваями (без полостей в стволе) в незначительном объеме изготовляются полые (с продольной полостью в ее стволе), в том числе железобе-
тонные призматические и пирамидальные сваи с полостями различных поперечных сечений, трубчатые (забивная цилиндрическая свая, образуемая погружением в грунт стальной или тонкостенной железобетонной трубы), пакетные — готовые сваи, полученные из нескольких продольных элементов, соединенных в пакет. К готовым сваям относятся и шпунтовые сваи (шпунтины) из досок либо брусьев с боковым гребнем и пазом или из специального прокатного профиля с замковым соединением по боковым продольным сторонам для образования в грунте водонепроницаемой шпунтовой стенки. Полые сваи, через полость которых осуществляется охлаждение вечномерзлых грунтов в зимнее время, называются холодными.
Тонкостенные полые сваи большого диаметра (свыше 0,8 м) с замкнутым поперечным сечением (сваи-оболочки) позволяют экономить при одинаковой удельной несущей способности с традиционными конструкциями свай до 30% бетона и 10—20% арматуры. Сваи-оболочки имеют кольцевое сечение диаметром до 6 м и общую длину до 40 м, составленную из звеньев длиной 3—8 м.
Забивка свай осуществляется с помощью копровых установок (копров), смонтированных на различном ходовом оборудовании: колесных тележках, спецшасси с пневмоколесным ходом, самоходных кранах и экскаваторах и др. Рабочим оборудованием таких установок являются свайные молоты. Свайныймолот со свайным наголовником навешивается на мачту копра. В зависимости от проектного положения свай применяются вертикальные Копры (для забивки вертикальных свай), наклонные (для забивки наклонных свай) и универсальные (для забивки свай в любом положении).
При выборе типа агрегата следует исходить из технологических условий площадки, типоразмеров сваи, производительности и технологических особенностей машины и сетки свайного поля.
До начала производства свайных работ должны быть выполнены следующие операции: отрывка котлованов и траншей, разбивка осей свайных рядов и мест погружения свай, устройство подъездных дорог, укладка свай у места их погружения с предварительным осмотром и в случае необходимости с отбраковкой. Для раскладки комплектов свай у мест их погружения используется грузоподъемный кран. Свая, являющаяся ориентиром при погружении других свай свайного или шпунтового ряда, называется маячной. В случае повреждения или недостаточной несущей способности проектной сваи рядом с ней погружается в грунт свая-дублер.
Технологический процесс погружения свай забивкой состоит из следующих операций: установки копра; подтаскивания сваи к копру (подтаскивать сваи можно только через отводной блок, закрепленный на основной раме сваебойного агрегата); подъема и установки сваи на место Погружения под молот (призматические сваи стропят, обязательно пропуская через монтажную петлю, тросом — удавкой, длина свободного конца которого не должна превышать 15 см); наведения, ориентирования и погружения сваи ударами молота; перехода копра или
перемещения оборудования к очередному месту погружения свай. При этом 70— 80% рабочего времени расходуется на передвижки копров, сама же забивка свай занимает только 20—30%. Поэтому выбору наиболее подходящего сваебойного оборудования и рациональной схемы перемещения копров, подготовке путей, предварительному размещению свай на площадке, подаче их к копру, строповке и другим вопросам организации работ необходимо уделять большое внимание.
Свайные молоты подразделяются по виду привода, по способу управления и принципу действия. Они бывают: с механическим приводом (ударная часть этих молотов поднимается лебедкой); с гидравлическим приводом (преобразование и транспортирование энергии посредством жидкости); с пневматическим приводом (используется энергия сжатого воздуха); дизель-молоты (работают по принципу двигателя внутреннего сгорания).
Системы управления свайными молотами делятся на рычажные, полуавтоматические и автоматические. По принципу действия различают молоты: простого действия, у которых привод используется только для подъема ударной части, а забивка свай осуществляется ударом свободно падающего молота; двойного действия, у которых привод используется как для подъема, так и для забивки сваи (дизель-молоты).
В мировой практике самой многочисленной группой машин длязабивки свай, шпунта и труб являются трубчатые дизель-молоты. Они выгодно отличаются от других типов молотов независимостью от посторонних источников энергии, простотой конструкции, низкой себестоимостью и высокой производительностью. У трубчатых дизель-молотов есть и существенные недостатки: они трудно запускаются при погружении свай в слабые грунты и не обеспечивают независимого управления при блочной и батарейной забивке свай.
Масса ударной части молота, в том числе дизель-молота, должна быть: при длине сваи более 12 м — не менее массы сваи; при длине сваи до 12 м при плотных грунтах — не менее 1,5 массы сваи, а при грунтах средней плотности — не менее 1,25 массы сваи, включая во всех случаях массу наголовника.’
Возрастающие нагрузки на фундаменты требуют создания сваебойной техники с массой ударной части до 10 т, а для строительства монументальных сооружений — паровоздушных молотов и гидромолотов с массой ударной части 50—200 т.
Выбор молота для забивки свай и свай-оболочек производят в зависимости от проектной несущей способности свай и их массы. Вначале определяют минимально необходимую энергию удара молота Э (в Дж):
Э= 175аР,
где а — коэффициент, равный 25; Р — несущая способность сваи, кН.
По справочным данным подбирают молот, энергия удара которого превышает значение Э. Проверку производят по условию:
(Q„ + q)/3p<K,
где Qe — полная масса молота, кг; масса сваи, кг;
Эр — расчетная энергия удара, Дж, равная 0,4 Qa для штанговых и 0,9 Qa для трубчатых молотов;
К — коэффициент, принимаемый равным: 6 — для трубчатых дизель-молотов; 5 — для штанговых молотов при забивке железобетонных свай.
Первые удары по свае производят с малой высоты — до 0,5 м, пока она не получит правильного направления. Затем силу удара молота постепенно увеличивают до максимальной. От каждого удара свая погружается на определенную величину, называемую отказом. Сваи забивают до достижения расчетного отказа, который принято находить как среднее значение замеров погружения от десяти Ударов. Серию ударов, выполняемых для замера среілней величины отказа, называют залогом.
Недобиванис свай по технологическим причинам и грунтовым условиям допускается на 0,5 м при их погружении на 10 м, и на 1 м при погружении на глубину более 10 м. Отклонения верха голов догруженных свай не должны превышать +50 мм.
При застройке районов, где залегают значительные (до 40 м) толши слабых грунтов, применяются составные сваи из 8-мегровых элементов без острия на нижнем конце, имеющих специальные монтажные замки, которые обеспечивают равнопрочность сваи по всей длине. Составные сваи погружаются с помощью обычного сваебойного оборудования.
Технологический процесс безотходной забивки свай осуществляется в. такой технологической последовательности:
♦ с помощью вспомогательной лебедки в отверстие разрывного устройства устанавливают сваю, лебедкой опускают на верхнюю ее часть наголовник с молотом и начинают погружать сваю;
♦ после погружения модульная часть сваи наращивается следующей сваей. Состыкованные сваи погружают в грунт до необходимой отметки;
♦ недопогруженная часть сваи зажимается двумя поясами разрывного устройства и отрывается;
♦ оторванная часть сваи, находящаяся в верхнем поясе разрывного устройства, ориентируется на ось забивки следующей сваи перемещение^ копра или манипулированием мачтой;
♦ затем молотом ее погружают в грунт и наращивают следующей.
Цикл повторяется. Для безотходной технологии сваи изготовляют одного типоразмера — модуля, имеющего специальное стыковое соединение.
Виброіюгружсіше свай, шпунтов, труб производится вибрированием с помощью вибропогружателя (вибрационной машины). При вибрации сцепление частиц грунта и трение сваи о грунт уменьшаются, и свая под действием собственного веса и веса вибропогружателя погружается в грунт.
Вибропогружатель состоит из вибратора направленного действия, электродвигателя с редуктором, приспособления для крепления к верхнему концу сваи и пульта управления. Вибропогружатель можно использовать в комплекте с копром или краном, имеющим направляющую стрелу.
Низкочастотные вибропогружатели применяются для погружения тяжелых свай, высокочастотные — легких. Низкочастотный вибропогружатель со статическим моментом дебалансов 93 кН имеет частоту колебаний 7 с-1; возмущающая сила его дебалансов — 185 кН; амплитуда колебаний (без сваи) —20 мм; мощность электродвигателя — 69 кВт; масса — 4 240 кг. Вибропогружатель с такими параметрами обеспечивает погружение железобетонных свай квадратного сечения 35×35 см массой до 3 т и может быть использован для погружения свай-оболочек массой до 10 т в сочетании с подмывом грунта и его выборкой из полости.
Эффективность работ по погружению элементов в грунт увеличивается при дополнительном применении подмыва, который рекомендуется во всех случаях, когда грунты отличаются от водонасыщенных песков, а требуемая глубина погружения превышает 8 м. Например, без подмыва железобетонные сваи трудно погрузить больше, чем на Юм, даже при погружении их в песчаные водонд — сышенные грунты. Вибропогружение весьма успешно применяется в гидротехническом строительстве при погружении металлических шпунта в водонасыщенные песчаные грунты.
В последнее время вместо вибропогружателей часто используются вибромолоты (массой от 1 до 12 т), действие которых основано на сочетании ударных и вибрационных воздействий на сваю. Применение вибромолотов позволяет сократить время погружения свай и свай-оболочек до 8 раз по сравнению с погружением аналогичным по мощности вибропогружателем. Их использование особенно эффективно при тяжелых грунтах с каменными включениями.
Безударное погружение готовых свай осуществляется тремя способами: завинчиванием, вдавливанием и гидроподмывом.
Винтовые сваи наиболее широко применяются для устройства фундаментов радиомачт и опор ЛЭП в качестве анкеров, т. е. в тех случаях, когда имеют место выдергивающие нагрузки. Ствол сваи может быть стальным или железобетонным, башмак изготавляют литым из стали, чугуна или железобетона. Диаметр ствола — 40—60 см, диаметр лопастей — 1—2,5 м.
Винтовые сваи погружают в грунт завинчиванием с помощью кабестанов (механизмов, передающих свае вращательное движение при погружении в грунт) или специальных установок.
Статическое вдавливание свай осуществляется вдавливающим агрегатом на базе двух тракторов или системой гидравлических домкратов. Вибровдавливанйе производится за счет веса сваи, вибропогружателя и трактора, на котором смонтирована установка.
Способ вдавливания эффективен при погружении коротких свай длиной до 6 м, при этом не разрушаются головы свай.
Суть погружения свай способом гидроподмыва заключается в том, что под действием воды, направленной под напором к острию сваи из одной или нескольких труб, лобовое сопротивление грунта снижается. Забивные сваи, погружаемые в грунт с одновременным подмывом их водой, подаваемой под давлением под острие свай, называется подмывными. Висячие сваи погружать методом гидроподмыва нельзя, так как при этом нарушается сцепление их боковой поверхности с грунтом.