Лекция 4. Технология устройства фундаментов

ТЕХНОЛОГИЯ УСТРОЙСТВА ФУНДАМЕНТОВ

Технология устройства фундаментов. Общие положения

Виды ленточных фундаментов и технология их устройства

3. Конструкции забивных свай и шпунта

Технология устройства фундаментов. Общие положения

Промышленные здания и сооружения передают нагрузку от своей массы, включая полезную нагрузку, через фундаменты на грунтовое основание. Исходя из несущей способности основания и действующей на него нагрузки, конструктивное решение фундаментов может быть различным.

Для большинства малоэтажных гражданских и промышленных зда­ний подходят ленточные фундаменты. Ленточные фундаменты отно­сятся к фундаментам мелкого заложения, передающим нагрузку на грунты основания, преимущественно через подошву. Такие фундамен­ты возводят в открытых котлованах. По условиям изготовления их подразделяют на монолитные, сооружаемые непосредственно в котло­ване, и сборные, монтируемые из элементов заводского изготовления.

Ленточные фундаменты используют для передачи нагрузки на ос­нование от стен зданий или ряда колонн. В плане они могут состоять из одинарных и перекрестных лент; первые обычно устраивают под стены, а перекрестные - под сетку колонн. Для одноэтажных зданий, включая промышленные, вместо сплошных фундаментов часто приме­няют столбчатые, которые через колонны (стойки) воспринимают на­грузку от каркаса здания и через ранд-балки (обвязочные балки) - на­грузки от стенового ограждения.

Значительное заглубление ленточных фундаментов, близкое взаим­ное расположение несущих стен вынуждают разрабатывать котлованы под всей площадью здания. Обычно разрабатываемый грунт нужно увозить с площадки в отвал и привозить грунт для обратной засыпки пазух.

В грунтах со слабой несущей способностью глубина заложения фундаментов значительно увеличивается, а это заставляет устраивать ленточные фундаменты с развитой опорной частью, что приводит к резкому увеличению расхода бетона.

Переход к строительству многоэтажных зданий привел к увеличе­нию нагрузок на основания, что потребовало найти новое конструк­тивное решение фундаментов, способных воспринимать повышенные нагрузки или использовать свайные фундаменты. Сваи применяют для устройства фундаментов под различные здания и сооружения, повы­шения несущей способности слабых грунтов, шпунтовые сваи - для укрепления стенок котлованов от обрушения.

Применение свайных фундаментов вместо сборных ленточных фундаментов позволяет резко сократить объем земляных работ, уменьшить объем монолитного или сборного железобетона на уст­ройство фундаментов и стен подвала, сократить сроки работ и стои­мость устройства фундаментов. Свайные фундаменты, в отличие от ленточных, характеризуются меньшими по величине и более равно­мерными осадками.

Для зданий повышенной этажности, при ослабленных грунтах, раз­ной несущей способности основания под различными частями возво­димого сооружения и других техногенных факторах в качестве фунда­мента устраивают монолитную плиту (сплошной фундамент) под всем сооружением. Фундаментные плиты разрезаются в плане только оса­дочными швами, плиты обеспечивают жесткость здания и совместную работу фундамента и надземной части сооружения. Сплошные фунда­менты резко снижают неравномерность осадки отдельных частей со­оружения.

2. Виды ленточных фундаментов и технология их устройства

Монолитные ленточные фундаменты. Ленточные фундаменты под стены устраивают в основном монолитными или из сборных бло­ков. Монолитные железобетонные ленточные фундаменты выполня­ют в виде нижней армированной ленты и неармированной или мало армированной фундаментной стены, выше которой устраивают стены здания.

Процесс возведения фундаментов и стен из монолитного железобе­тона включает разбивку осей фундаментов, устройство опалубки, сборку и установку арматуры и бетонирование. Выбор технологии воз­ведения фундаментов зависит от конструктивных решений фундамен­тов и самих зданий, а также от имеющегося технологического обору­дования и механизмов.

На выбор типа опалубки влияет вид бетонируемых конструкций и их повторяемость. Выбирают опалубку на основе технико-эконо­мических расчетов по возможным вариантам. Определяющие пока­затели - затраты материалов и труда, себестоимость одного оборота опалубки.

При большой повторяемости фундаментов небольшого объема и простой формы применяют инвентарные металлические блок-формы, устанавливаемые на место краном. Блок-формы могут изготавливаться неразъемными, разъемными, и трансформируемыми; последние изме­няют свои размеры и форму путем раздвижки с последующей фикса­цией элементов специальными устройствами. В отдельных случаях мо­жет применяться стальная инвентарная опалубка из пространственных блоков или крупных щитов, несъемная опалубка из плоских или про­странственных железобетонных элементов, мелко- и крупнощитовая опалубка с палубой из водостойкой фанеры.

Монтаж арматуры выполняют укрупненными элементами в виде сеток и пространственных каркасов. Нижнюю арматурную сетку фун­дамента устанавливают до монтажа опалубки. Для создания защитного слоя бетона устанавливают фиксаторы в шахматном порядке с шагом 1 м. Далее устанавливают арматурные каркасы и закрепляют их с по­мощью фиксаторов. Временные крепления с каркасов снимают после их приварки к сетке подошвы фундамента. Отдельные стержни сеток и каркасов на месте их установки необходимо соединить на сварке. По завершении опалубочных работ на захватке приступают к установке опалубки.

Опалубку ленточных фундаментов постоянного поперечного сече­ния собирают в зависимости от высоты фундамента. При высоте 2...2,5 м щиты устанавливают последовательно вертикально, соединяя их между собой на замках, временно раскрепляют инвентарными, под­косами. К ним присоединяют схватки, а затем опалубочные плоскости соединяют стяжками. Щиты второго яруса закрепляют на нижних по­сле рихтовки установленной опалубки и располагают их горизонталь­но. При высоте ленточного фундамента более 2,5 м конструктивное решение опалубки должно быть предложено в технологической карте.

Щитовая опалубка ленточных фундаментов переменного попереч­ного сечения может сначала собираться для нижней части фундамента в виде плиты, верхняя часть опалубки может быть установлена до и после бетонирования нижней части фундамента.

Перед укладкой бетонной смеси необходимо тщательно подгото­вить грунтовое основание. Рыхлые, органические и подобные грунты должны быть удалены, места перекопки грунта следует заполнить уп­лотненным песком или щебнем,

Для достижения монолитности железобетонных фундаментов бето­нирование необходимо вести непрерывно, не допуская образования швов. Бетонную смесь укладывают слоями толщиной 20...30 см, каж­дый последующий слой укладывают после уплотнения предыдущего и, как правило, до начала его схватывания.

Ленточные фундаменты бетонируют в зависимости от конструк­тивных особенностей в один, два и три этапа (рис. 4.1).

Одноэтапное послойное бетонирование применяется при устройстве ленточных фундаментов прямоугольного сечения в распор или переменного сече­ния при площади поперечного сечения менее 3 м². Ленточные фунда­менты со ступенями при площади поперечного сечения более 3 м бе­тонируют в два этапа: сначала ступени, затем стену. В три этапа бето­нируют ленточные фундаменты с подколонниками, применяемые в каркасных зданиях.

Рис. 4.1. Бетонирование ленточных фундаментов:

а - столбчатого при непрерывной подаче бетонной смеси; б - то же, бетонируемого ступенями, в -ступенчатого бетонируемого с использованием виброхобота; г - конструктивное решение фундамента; 1- опалубка фундамента; 2 - бадья с бетонной смесью; 3 - рабочая площадка; 4 - вибра­тор; 5-бетон; 6 - звеньевой хобот; 7 - продольное армирование; 8 - поперечная арматура, 9 -бетонная подготовка; 10 - уплотненный грунт; 11- оклеечная гидроизоляция

Особенности бетонирования стен подземной части здания зависят от толщины и высоты стен, а также от вида опалубки. Разборно-переставную щитовую опалубку устанавливают в два приема: вначале с одной стороны на всю высоту стены, а после установки арматуры -с другой. При большой высоте и толщине стены опалубку второй сто­роны устанавливают поярусно в процессе бетонирования. Если опа­лубку устанавливают на всю высоту стены, то в опалубке предусмат­ривают отверстия для подачи бетонной смеси. Опалубку стен толщи­ной более 0,5 м можно возводить на всю высоту стены с подачей бе­тонной смеси сверху с помощью хоботов.

Технология бетонирования стен зависит от конструкции опалубки. Может быть предусмотрена поярусная укладка бетонной смеси на вы­соту 400...600 мм при высоте яруса наращиваемой опалубки в тех же пределах. При бетонировании стен в разборно-переставной опалубке высота участков, выполняемых без перерыва, не должна превышать 3 м. При большей высоте участков стен, бетонируемых без рабочих швов, необходимо устанавливать перерывы в бетонировании продолжитель­ностью 40... 120 мин для осадки бетонной смеси и предупреждения об­разования осадочных трещин.

При длине стены более 20 м ее делят на участки по 7... 10 м и на границе участков устанавливают разделительную перегородку.

Ведущим процессом при устройстве фундаментов является бетони­рование, поэтому количество рабочих в каждом потоке (установка опа­лубки, укладка арматуры, бетонирование, разборка опалубки) опреде­ляется по ведущему потоку. Необходимо, чтобы работа во всех пото­ках шла в одном ритме. Для организации поточной работы фундамен­ты и стены разбивают на захватки, в качестве которых может быть пролет, часть пролета или фундаменты на одной оси.

Сборные ленточные фундаментысостоят из сборных фундамент­ных подушек, армированных по расчету, выше которых устанавливают блоки стен. Железобетонные фундаментные плиты-подушки и бетон­ные стеновые блоки унифицированы, номенклатура предусматривает их разделение на четыре группы, каждая из которых отличается вос­принимаемой нагрузкой. Для повышения жесткости сооружения, для выравнивания осадок при строительстве на слабых грунтах и в качест­ве антисейсмических мероприятий сборные фундаменты усиливают армированными швами или железобетонными поясами, устраиваемы­ми поверх фундаментных подушек или последнего ряда стеновых фун­даментных блоков по всему периметру здания на одном уровне.

При песчаных грунтах фундаментные блоки укладывают непосред­ственно на выровненное основание, при других грунтах - на песчаную подушку толщиной 10 см. Под подошвой фундаментов нельзя остав­лять насыпной или разрыхленный грунт, его необходимо удалить и вместо него засыпать песок или щебень. Углубления в грунтовом ос­новании высотой более 10 см заполняют монолитным бетоном. Шири­ну и длину песчаного основания делают на 20...30 см больше разме­ров фундамента, чтобы блоки не свисали с песчаной подушки.

Фундаментные блоки укладывают по схеме их раскладки в соот­ветствии с проектом (рис. 4.2), чтобы обеспечить разрывы для про­кладки труб водоснабжения, канализации и других вводов.

Монтаж начинают с установки маячных блоков по углам и в мес­тах пересечения стен. Фундаментный блок подается краном к месту укладки, наводится и опускается на основание, незначительные откло­нения от проектного положения устраняют перемещая блок монтаж­ным ломиком при на-тянутых стропах. При этом поверхность основания не должна быть нарушена. Стропы снимают после того, как блок займет правильное положение в плане и по высоте. Разрывы между блоками ленточного фундамента и боковыми пазухами в процессе монтажа заполняют песком или песчаным грунтом и уплотняют.

Рис. 4.2. Монтаж сборных ленточных фундаментов: 1 - фундаментная подушка; 2 - стеновой блок; 3 — песчаная подготовка; 4 - арматурный пояс; 5 - постель из раствора; 6 - заделка стыка мо-нолитным бетоном; 7 — строповка блока

При монтаже фундаментов под колонны тщательно контролируют положение устанавливаемых блоков относительно основных осей. С помощью нивелиров контролируют положение блоков по высоте, у блоков стаканного типа проверяют отметку дна стакана, у других -верхней плоскости блока. Монтаж стен подвала (стеновых блоков) начинают после проверки положения уложенных фундаментных блоков (подушек) и устройства гидроизоляции. Если в проекте отсутствуют особые указания, то в ка­честве изоляции расстилают слой раствора толщиной 2...3 см по очи­щенной поверхности фундаментов; раствор одновременно служит вы­равнивающим слоем.

В соответствии с монтажной схемой на фундаментах размечают положение стеновых блоков первого (нижнего ряда), отмечая места вертикальных швов. Монтаж начинают с установки маячных блоков в углах и местах пересечения стен на расстоянии 20...30 м друг от друга. После установки маячных блоков на уровне их верха натягива­ют шнур - причалку, по которому устанавливают рядовые блоки.

Последующие ряды блоков монтируют в той же последовательно­сти, размечая раскладку блоков на нижележащем ряду. Первые два ряда блоков устанавливают с уложенных фундаментных блоков, по­следующие - с инвентарных подмостей. Марка раствора, на котором должны монтироваться блоки, указывается в проекте.

Монтажный кран можно располагать на бровке котлована, тогда в пределах захватки сначала монтируют все фундаментные блоки, а затем блоки стен подвала. Если кран находится в котловане, то фун­даменты и стены подвала устанавливают отдельными участками, исхо дя из того, что монтажный кран не сможет вторично войти в зону, где уже уложены блоки выше уровне земли.

Рис. 4.3. Схема устройства фундамент­ной плиты: 1 - границы фундаментной плиты по высоте, 2 - продольная арматура; 3 - то же, попе­речная; 4 — оклеенная гидроизоляция; 5 - бе­тонная подготовка; б - уплотненный грунт

Сплошные фундаменты (монолитная плита) изготовляют из моно­литного железобетона, по конструктивному решению они могут быть выполнены в виде гладкой плиты (с устанавливаемыми по необходи­мости сборными стаканами под колонны), гладкой плиты с монолит­ными стаканами (рис. 4.3), ребристой плиты и плиты коробчатого сечения. Фундаментные плиты, днища резервуаров, туннелей и т. д. имеют большие площади и характеризуются насыщенным армированием. Толщина таких плит колеблется от 0,2

до 2 м. Способы их бетонирования выбирают с учетом размеров в плане, толщины, степени арми­рования, имеющейся механизации производства работ, реальных объемов поставки бетонной смеси.

Фундаментные плиты армируют сварными сетками в два слоя и более. Арматурные каркасы могут быть образованы разными спосо­бами: укладывают горизонтальные сетки и устанавливают поддержи­вающие каркасы или предварительно объединяют плоские горизон­тальные сетки и поддерживающие каркасы в пространственный самонесущий армоблок. Армоблоки устанавливают с зазорами, которые пе­рекрывают одним или двумя рядами плоских горизонтальных сеток, опирающихся на армоблоки.

Массивные фундаментные плиты бетонируют с использованием несъемной железобетонной опалубки, разборно-переставной из унифи­цированных элементов. Опалубочные панели большой площади, а так­же арматурные каркасные блоки монтируют с помощью монтажных кранов. Крепление опалубки и каркасов должно быть надежным и выдерживать технологические нагрузки от бетонной смеси, механизмов, машин, рабочих и инвентарных приспособлений. Приготовленная к производству работ опалубка должна быть сдана по акту.

При большой площади плит их разбивают на блоки бетонирова­ния или карты. По краям карт устанавливают деревянную или сетча­тую опалубку без разрезки арматуры на границах карт. В качестве наружной и внутренней опалубок наиболее целесообразно использо­вать стальную сетку из проволоки диаметром 0,7 мм с ячейкой 5x5 см. Такую сетку крепят к арматуре плиты вязальной проволокой или за­жимами.

Ширину блоков принимают с учетом условий непрерывности бето­нирования и темпа подачи бетонной смеси. В каждом блоке бетониро­вания необходимо обеспечить зоны работ: приемки и предварительно­го разравнивания и уплотнения. Необходимая скорость бетонирования определяется из условия, что ранее уложенная порция бетонной смеси перекрывается последующей с соответствующим виброуплотнением до начала схватывания бетона в обеих зонах. Принимаемая скорость бетонирования должна быть обеспечена наличием в достаточном коли­честве средств уплотнения бетонной смеси.

Если толщина плиты меньше 0,5 м, разбивку плиты на карты и бе­тонирование ведут так же, как и бетонной подготовки под полы, т. е. бетонируют картами шириной по 3...4 м. При большей толщине пли­ты разбивают на параллельные карты шириной 5... 10 м, при этом ме­жду ними оставляют разделительные полосы шириной 1... 1,5 м.

Фронт бетонирования в пределах карты должен быть минималь­ным. Карты бетонируют подряд, т. е. одну за другой; для уменьшения суммарной усадки бетон в разделительные полосы укладывают в рас­пор с затвердевшим бетоном готовых карт после снятия опалубки на их границах.

Бетонную смесь с осадкой конуса 2...6 см подают на карты бето­нонасосами, с помощью бетоноукладчиков, эстакад, а также в бадьях с помощью кранов. В отдельных случаях бетонирование может осуще­ствляться пневмотранспортом, с помощью виброхоботов, ленточными конвейерами и непосредственно из транспортных средств. Подавать смесь необходимо в направлении к ранее уложенному бетону, как бы прижимая новые порции бетона к ранее уложенным. При сосредото­ченных объемах работ в массиве и темпе бетонирования 50..100 м³/смену могут быть использованы стационарные бетононасосы Плиты даже предельной толщины бетонируют в один слой. При этом несколько затрудняется виброуплотнение, поскольку внутренние вибраторы требуется погружать в смесь на глубину, в 1,5...2 раза превышающую длину рабочей части. Для виброуплотнения таких конструкций целесообразно применять навесные вибраторы и вибропакеты.

Бетонирование необходимо организовать так, чтобы избежать уст­ройства рабочих швов в пределах одной карты бетонирования.

Вырав­нивают бетон плит по маякам, поверхность заглаживают гладилками. В местах примыкания стен, опирания колонн и столбов поверхность бетона оставляют шероховатой.

Работы по устройству монолитных фундаментных плит целесооб­разно выполнять по поточной организации работ с разбивкой на три ведущих потока: армирование фундаментов, установка опалубки, включая сетчатую на границе зон бетонирования, и непосредственное бетонирование. Работы должны выполняться в одном ритме. Ведущим потоком является бетонирование, поэтому число рабочих в каждом по­токе рассчитывают, исходя из обеспечения непрерывной работы бе­тонщиков.

3. Конструкции забивных свай и шпунта

Сваи подразделяют по целому ряду признаков на несколько групп (рис. 4.4):

по материалу - деревянные, металлические, бетонные и железобе­тонные, комбинированные, грунтовые;

по конструкции - квадратные, трубчатые, прямоугольные и много­угольные, с уширением и без него, цельные и составные, призматиче­ские и конические, сплошного сечения и пустотелые, винтовые и сваи-колонны;

по способу устройства - забивные, изготовляемые на заводе или на самой площадке и погружаемые в грунт, и набивные, устраиваемые непосредственно в грунте (в заранее пробуренной скважине);

по характеру работы (по способу передачи нагрузки на основа­ние) - сваи-стойки, которые передают нагрузку от здания своими кон­цами на скальный или практически несжимаемый грунт, и висячие сваи, передающие нагрузку за счет трения грунта по боковой поверх­ности сваи;

по виду воспринимаемой нагрузки - центральная, вертикально действующая нагрузка, нагрузка с эксцентриситетом, и усилия вы­дергивания;

по виду армирования железобетонных свай - с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.

Свайный куст - несколько рядом расположенных свай, совместно воспринимающих общую нагрузку; ростверк - конструкция, объеди­няющая сверху сваи для их совместной работы.

Деревянные сваи изготовляют из древесины сосны, ели, лиственни­цы, кедра, пихты, дуба. Длина свай 4... 12 м, диаметр в тонком конце 18...34 см. В нижнем конце свая заострена на 3...4 грани, острие долж­но совпадать с осью сваи, отклоненное от оси острие может увести сваю при забивке от проектного положения. При забивке в плотные грунты и предохранения острия от разрушения на него надевают ме­таллический башмак - наконечник, а на верхнюю часть – железное кольцо-бугель, предохраняющий голову сваи от разрушения (размоча­ливания) при забивке.

Рис. 4.4. Классификация свай по конструктивным признакам

Когда требуются длинные сваи (> 12 м), их сплачивают из не­скольких бревен - в торец, вполдерева или накладками. Для предо­хранения свай от гниения их пропитывают антисептиками или погру­жают так, чтобы вся свая располагалась ниже самого низкого уровня грунтовых вод.

Деревянные шпунты изготовляют из брусьев, на одной грани уст­раивают гребень, на другой - паз, преимущественно прямоугольного сечения. Перед забивкой шпунтины соединяют по 2...3 шт. в пакет, де­лают общий скос на острие и надевают общий бугель. Обычно толщина шпунтин 5..14 см, но может доходить до 26 см.

Металлические сваи применяют в портовом, мостовом, энергетиче­ском и промышленном строительстве, при возведении высотных со­оружений (радиомачт, телебашен). Используют стальные трубы диа­метром 25... 100 см, рельсы, двутавры, винтовые сваи со специальным наконечником, завинчиваемые в грунт.

Сваи-оболочки - металлические трубчатые сваи диаметром 1.2...2 м и более, длиной до 14 м, при необходимости их наращивают и соединя­ют на сварке. Сваи с открытым нижним торцом по мере заглубления заполняют грунтом, который, уплотняясь, увеличивает несущую спо­собность сваи. Сваи-оболочки с закрытым нижним торцом в виде съемного наконечника забивают в грунт. Металлический наконечник всегда остается в грунте, сама свая может быть оставлена и заполнена бетонной смесью для повышения несущей способности или извлечена. В процессе извлечения сваи-оболочки ее полость заполняется бетон­ной смесью.

Стальной шпунт применяют для устройства водонепроницаемых стенок котлованов, подпорных стенок, пирсов, набережных. Для шпун­та выпускают специальные профили - плоские, корытообразные, зет-образные длиной до 30 м, в отдельных случаях используют обычный стальной прокат.

Железобетонные сваи выпускают сечением от 20 х. 20 до 60х60 см и длиной от 3 до 16 м с обычной и предварительно напряженной ар­матурой. Предварительное напряжение позволяет сократить расход бе­тона на 15...20%, металла до 50...60% по сравнению с обычным арми­рованием. Армирование необходимо для транспортирования и забивки свай, для нормальной работы на сжатие достаточно косвенного арми­рования. Предварительное напряжение при забивке препятствует воз­никновению деформаций, трещин, стягивает имеющиеся трещины.

Полые сваи квадратного и трубчатого сечения длиной 2...6 м при­меняют в плотных грунтах и малых нагрузках от строящегося соору­жения, наружный диаметр может доходить до 80 см.

Устройство свайных фундаментов является комплексным процес­сом, включающим на примере метода забивки:

■ подготовку территории для ведения работ;

■ геодезическую разбивку с выносом в натуру положения каждой сваи;

■ доставку на стройплощадку, монтаж, наладку и опробование оборудования для погружения свай;

■ транспортировку готовых свай от места их изготовления к месту их погружения;

■ забивку свай;

■ срезку готовых свай по заданной отметке;

■ вывоз со строительной площадки срезанных остатков свай;

■ устройство монолитного или сборного ростверка;

■ демонтаж оборудования.

Анализ грунтов, их несущей способности показывает, что для большей части территории России плотные грунты залегают на срав­нительно небольшой глубине, что позволяет использовать сваи длиной 3...7 м.

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 методоснован 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.

Рис. 4.5. Схемы дизель-молотов: а - штангового; б - трубчатого; 1 - подвиж­ный цилиндр; 2 - направляющие штанги; 3 -поршень; 4 - подвижный поршень; 5 - го­ловка; б - неподвижный цилиндр; 7 - опор­ная часть

Универсальные копры имеют значительную собственную массу до 20 т. Монтаж и демонтаж таких копров, устройство для них подкрановых путей – достаточно трудоемкие процессы, поэтому универсальные копры применяют для забивки свай длиной более 12 м при большом объеме свайных работ на объекте. Наиболее распространены в промышленном и гражданском строи­тельстве сваи длиной 6... 10 м, которые забивают с помощью самоходных сваебойных установок. Такие установки маневренны и имеют ме­ханические устройства для подтаскивания и подъема на необходимую высоту сваи, закрепления головы сваи в наголовнике, в вертикальном выравнивании стрелы со сваей перед забивкой.

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.

Рис. 4.6. Сваебойные копровые установки: а - мостовая; б - рельсовая универсальная; в - на базе экскаватора; г-на тракторе; д - на автомобиле; 1 - кабина; 2 - копровая мачта; 3 - мост; 4 - рельсовый путь; 5 - свая; 6 – оголовник с блоками; 7 - ходовая тележка; 8 - поворотная платформа; 9 - молот; 10 - базовая машина; 11 -стрела; 12 - распорка; 13 - гидроцилиндр; 14 - выдвижной механизм; 15 - гидроцилиндр подъема и наклона стрелы; 16 - механизм подъема сваи; 17 - подвижная рама

Через 3...4 дня свая может быть пог-ружена до проектной отметки. Погружение свай вибрированием осу-ществляют с исполь-зованием вибрацион-ных механизмов, ока-зывающих на сваю динамические воз дей-ствия, которые позво-ляяют преодолеть сопротивление трения на боковых поверх-ностях сваи, лобовое сопротивление грун-та, возникающее под острием сваи, и пог-рузить сваю на проектную глубину (рис. 4.7). На скорость погружения и ампли-туду колебаний влияют масса вибрирующих частей сваи и виб-ратора, его эксцент-риситет, плотность грунта, участвующего в колебаниях, частота колебаний вибропогру-жателя. Бла­годаря виб-рации для погружения свай в грунт

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.

Рис. 4.7. Вибропогружение свай: а - сваепогружающая установка; б — вибропогружатель с подрессоренной пригрузкой; в - вибро­молот; 1- вибропогружатель; 2 — экскаватор; 3 - свая;4- электродвигатель; 5 - пригрузочные плиты; б - вибратор; 7 - дебалансы; 8 - наголовник; 9 - пружины; 10 - ударная часть с электро­двигателем; 11 - боек; 12 — наковальня

При глинистых и тяжелых суглинистых грунтах под острием сваи может возникнуть глинистая подушка, которая снижает несущую способность сваи до 40%. Поэтому на заключительной стадии погру­жения, на последние 15...30 см свая погружается в грунт ударным способом. При выборе низкочастотных погружателей (до 420 кол/мин), при­меняемых при погружении тяжелых железобетонных свай и трубчатых свай диаметром 1000 мм и более, необходимо, чтобы момент эксцен­триков превышал массу вибросистемы не менее чем в 7 раз для легких грунтов и в 11 раз для средних и тяжелых грунтов. Для погружения легких свай массой до 3 т и металлического шпунта в грунты, не оказывающие большого лобового сопротивления под острием сваи, применяют высокочастотные (от 1500 кол/мин) виб­ропогружатели с подрессорной пригрузкой, состоящие из самого

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 вибровдавливанияоснован 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 вдавливаниемприменяют 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).

Рис. 4.8. Схема погружения сваи статическим давливанием: 1 - лебедка и тяговый канат для опускания опорной плиты и подъема наголовника; 2 – растяжки стрелы; 3 - блоки; 4 - рама стрелы; 5 - наголовник с блоками; 6 - вдавливающий канат; 7 -вдавливающая лебедка; 8 - опорная плита; 9 - отводной блок вдавливающего каната; 10 - свая;11 - рама; 12 – трактор

Погружение свай завинчиваниемосновано на завинчивании стальных и железобетонных свай со стальным наконечником с помощью мобильных установок, смонтированных на базе автомобилей или других самоходных средств. Метод применяют чаще всего при устройстве фундаментов под мачты линий электропередачи, радиосвязи и других сооружений, где в достаточной мере могут быть использова­ны несущая способность винтовых свай и их сопротивление выдерги­ванию (рис. 4.9). Установка для завинчивания состоит из рабочего органа, приводов вращения и наклона рабочего органа, гидросистемы, пульта управле­ния, четырех гидравли-ческих выносных опор и вспомога-тельного обо­рудования. Рабочий орган кабестан - механизм, состоящий из двух пар захватов и электродвигателя. Захваты обжимают сваю и передают ей вращение от электродвигателя. В зависимости от назначения (пере­дачи нагрузки на большую площадь или

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 грунтаприменяют 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 сцентральным 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.

а)	а)
Рис. 4.10. Подмыв грунта для погруже­ния свай: а - погружение квадратных свай с подмывом грунта; 1 - молот; 2 - трос, поддерживаю­щий подмывные трубки; 3 - напорный шланг; 4 - подмывные трубки; 5 - свая; 6 -расположение подмывных трубок; в - нако­нечник подмывной трубы

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

Рис. 4.11. Схема рядовой системы по­гружения свай: а - при прямолинейном расположении свай отдельными рядами; б- при расположении свай кустами; 1...15 - последовательность за­бивки свай

полу­чить минимальную протяженность пути сваепогружающей установки. Кроме этого при погружении свай вокруг нее грунт дополнительно уплотняется. При спиральной схеме вновь забиваемые сваи находятся всегда по внешнему контуру свайного поля, поэтому напряженность уже забитого поля оказывает минимальное воздействие. При больших расстояниях между отдельными сваями последова­тельность погружения может определяться в основном технологиче­скими соображениями,

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

Pис. 4.12. Схема погружения свай мостовой сваебойной установкой: 1 - головка с блоками; 2 - дизель-молот; 3 - свая; 4 — копер; 5 — рельсы; 6 — передвижной мост; 7 - кран для подачи свай

подтас­киванию и закреплению сваи на копре, что значительно повышает производительность и качество работ. При погружении свай основными факторами, определяющими вы­бор метода и сваепогружающего обору-дования, являются физико-ме­ханические свойства грунта, объем свайных работ, вид свай, глубина их погружения, производительность применяемых сваебойных устано­вок и свайных погружателей. Объемы предстоящих работ измеряют числом свай, которые необ­ходимо забить, или суммарной длиной погружаемой в грунт части свай. От этих объемов, специфики грунтовых условий и заданных сро­ков работ зависит выбор

оборудования для погружения свай и количе­ство сваепогружающих установок