Технология погружения 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). 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.

Рис.4. Схемы дизель-молотов:

а -штангового; б - трубчатого; 1- подвижный цилиндр; 2- направляющие штанги; 3 - поршень; 4 -подвижный поршень; 5 - головка; 6 -неподвижный цилиндр; 7 - опорная часть

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.5). 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.5. 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

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 1 м - 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 одиночного действия 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. Через 3-4 дня свая может быть погружена до проектной отметки.

Погружение свай вибрированиемосуществляют с использованием вибрационных механизмов, оказывающих на сваю динамические воздействия, которые позволяют преодолеть сопротивление трения на боковых поверхностях сваи, лобовое сопротивление грунта, возникающее под острием сваи, и погрузить сваю на проектную глубину (рис.6). На скорость погружения и амплитуду колебаний влияют масса вибрирующих частей сваи и вибратора, его эксцентриситет, плотность грунта, участвующего в колебаниях, частота колебаний вибропогружателя. Благодаря вибрации 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.

Рис.6. Вибропогружение свай:

а -сваепогружающая установка; б -вибропогружатель с подрессоренной пригрузкой; в -вибромолот; 1- вибропогружатель; 2- экскаватор; 3- свая; 4- электродвигатель; 5 - пригрузочные плиты; 6 -вибратор; 7 - дебалансы; 8- наголовник; 9- пружины; 10 -ударная часть с электродвигателем; 11- боек; 12- наковальня

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 фунтах, где скорость погружения может достигать 3,5-7 м/мин. Этим методом погружают сплошные и полые железобетонные сваи, сваи-оболочки, металлический шпунт.

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 способпогружения 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 кг.

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 одновременной 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 механизмов (рис.7).

Рис.7. Схема погружения сваи статическим вдавливанием:

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.8).

Рис.8. Схема процесса завинчивания сваи:

а -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

Установка для завинчивания состоит из рабочего органа, приводов вращения и наклона рабочего органа, гидросистемы, пульта управления, четырех гидравлических выносных опор и вспомогательного 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...45 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.

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.

Рис.1. Схема фундамента на винтовых сваях

В состав работ, последовательно выполняемых при устройстве фундамента на винтовых сваях, входят:

- геодезическая разбивка свайного поля;

- срезка растительного слоя грунта 0,20 м;

- погружение свай завинчиванием;

- устройство дренажной подушки 0,30 м;

- срезка голов свай до проектного уровня;

- заливка бетонной смеси в полость свай;

- монтаж ростверка.

Предусмотрено выполнение работ комплексным механизированным звеном с Универсальной бурильной машиной УБМ-85 предназначенной для выполнения работ по устройству фундаментов на винтовых сваях, в качестве ведущего механизма. Рабочее оборудование УБМ-85 представляет собой манипулятор, который монтируется на автомобильное шасси УРАЛ 4320. Гидрокабестан (муфты для фиксирования сваи) расположен на оголовке телескопической четырехзвенной стрелы, поэтому рабочая зона равна до 12 метров от оси поворота стрелы, что дает возможность завинчивать несколько винтовых свай, не меняя местоположения базовой машины. Использование гидрокабестана позволят "зацепить" ее прямо с земли или из кузова автомобиля, после чего поднять и установить в нужную точку и сразу же приступить к погружению. Сняв с регистратора параметров такие замеры как: момент и глубину завинчивания сваи, можно рассчитать какую несущую нагрузку она будет выдерживать, не проводя испытаний свай грунтами, т.к. испытания довольно дороги.

Рис.2. Универсальная бурильная машина УБМ-85

2.5. Для деревянных домов в большинстве случаев используется металлическая свая модели СВСН-108/2500 покрытая антикоррозионным составом, диаметр ствола сваи 108 мм, диаметр винтовой лопасти 300 мм, длина сваи 2500 мм, толщина стенки сваи 4 мм. В среднем нагрузка на одну сваю составляет от 4 до 5 т. Такая высокая несущая способность объясняется тем, что при завинчивании межвитковые промежутки почвы не разрыхляются, а уплотняются винтовой лопастью сваи.

Рис.3. Винтовая свая

- длина сваи; - толщина стенки сваи; - диаметр сваи; - диаметр лопастей

2.5. Работы по устройству фундамента на винтовых сваях следует выполнять, руководствуясь требованиями следующих нормативных документов:

- СП 48.13330.2011. Организация строительства;

- СНиП 3.01.03-84. Геодезические работы в строительстве;

- СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты;

- СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты;

- СНиП 12-03-2001. Безопасность труда в строительстве. Часть 1. Общие требования;

- СНиП 12-04-2002. Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство;

- РД 11-02-2006. Требования к составу и порядку ведения исполнительной документации при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте объектов капитального строительства и требования, предъявляемые к актам освидетельствования работ, конструкций, участков сетей инженерно-технического обеспечения;

- РД 11-05-2007. Порядок ведения общего и (или) специального журнала учета выполнения работ при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте объектов капитального строительства.

2.2 Организация выполнения работ

В соответствии со СНиП 3.01.01-85* "Организация строительного производства" до начала выполнениястроительно-монтажных (в том числе подготовительных) работ на объекте Генподрядчик обязан получить от Заказчика в установленном порядке разрешительную документацию на:

- отвод земельных участков;

- ведение строительных работ;

- использование существующих транспортных и инженерных коммуникаций.

2.2. Основным работам по забивке свай должно предшествовать выполнение следующих мероприятий и работ:

прием от заказчика строительной площадки, подготовленной к производству работ, в том числе, расчистка и планировка площадки, устройство въездов и выездов из котлована, оборудование освещения, обеспечение электроэнергией;

проверка наличия проектно-сметной документации и ознакомление ИТР и рабочих с рабочими чертежами свайного поля и Проектом производства свайных работ;

доставка и складирование в штабеля на стройплощадке элементов свай;

проверка заводских паспортов на сваи;

проверка соответствия маркировки на сваях их действительным размерам;

проведение разметки свай по длине;

определен порядок перемещения сваебойного агрегата и автокрана по свайному полю;

произведена разбивка осей свайного поля и мест погружения свай;

доставка сваебойного оборудования на стройплощадку;

оборудован бытовой городок для рабочих;

проведение пробной забивки по программе, составленной проектной организацией, для уточнения глубины погружения и методов производства свайных работ.

2.3. До погружения каждую забивную сваю необходимо разметить на метры от острия сваи к голове несмываемой краской. Для последующего контроля длины каждой сваи глубина ее погружения в грунт и абсолютная отметка поверхности грунта у сваи должны быть занесены в журнал забивки свай.

На каждой свае наносится краской ее порядковый номер и длина, а также разметка по длине на той части, которая будет возвышаться над землей после установки на грунт. Разметку следует выполнять несмываемой краской на видимой при погружении стороне сваи через 0,5 м, с выделением метровых рисок числами, обозначающими расстояние от ее нижнего торца.

2.4. По окончании земляных работ перед устройством фундаментов из забивных свай необходимо тщательно проверить расположение разбивочных осей свайного поля и вынести их на строительную обноску, устанавливаемую на расстоянии не менее трех метров от бровки котлована.

Основание свайного ростверка должно быть тщательно выверено по нивелиру в соответствии с проектными отметками.

Для разбивки осей свайного поля применяется инвентарная трубчатая обноска. Положение разбивочных осей свай фиксируется струнами из стальной проволоки, натягиваемыми по осям на обноске, переносится на дно котлована с помощью отвесов, опускаемых с натянутых струн.

Рис.3. Инвентарная обноска

Вне пределов осадок грунта устанавливаются временные реперы.

Рис.4. Временный репер

2.5. В зоне работ сваебойного агрегата должно быть необходимое количество свай, уложенных в местах, предусмотренных проектом производства работ. При этом должна быть обеспечена возможность подъема и установки свай на место забивки без перетаскивания их волоком и без дополнительного перемещения сваебойного агрегата.

Сваи следует хранить в штабелях горизонтальными рядами с одинаковой ориентацией торцов свай. Между горизонтальными рядами свай (при складировании и транспортировании) должны быть уложены прокладки, расположенные рядом с подъемными петлями, или в случае отсутствия петель в местах, предусмотренных для захвата свай при их транспортировании.

Высота штабеля свай не должна превышать ширину штабеля более чем в два раза и не должна быть более 2,5 м.

Рис.5. Схема складирования свай в штабель

Расположение штабелей должно быть удобным для производства погрузо-разгрузочных операций с помощью кранов. Площадка со сваями должна располагаться в радиусе действия монтажного крана.

2.6. Погрузку и разгрузку свай квадратного сечения следует производить за подъемные петли. Подъем свай квадратного сечения на копер следует производить стропом, закрепленным за сваю у фиксирующего штыря или у верхней подъемной петли, если это допускается требованиями рабочих чертежей на сваи конкретного типа, при этом строповка непосредственно за подъемную петлю или штырь запрещается.

Рис.6. Схемы строповки свай

1 - строп 4-ветвевой грузоподъемностью 10 т и длиной стропа 6 м; 2 - монтажная петля; 3 - дизель-молот; 4 - трос на блок стрелы копра; 5 - строп универсальный канатный грузоподъемностью 3,2 т и длиной стропа 4 м;

Примечание. Сваи длиной 7 м и более при подъеме на копер стропуются возле специального штыря, выступающего из тела сваи.

2.7. При спланированной поверхности строительной площадки допускается перемещение сваи к сваебойному агрегату волоком на расстояние не более 6 м, через нижний отводной блок.

2.8. Для повышения трещиностойкости железобетонные сваи рекомендуется пропитывать составами на основе нефтебитума. Необходимость нанесения защитного покрытия на сваи устанавливается проектной организацией в зависимости от местных условий.