Организация работ по забивке свай

 

Забивку свай можно выполнять как до разработки котлована под ростверк, так и после. В первом случае (рис. 6.10, а) сваи ниже поверхности грунта забивают с использованием удлиненных подбабков или дополнительной секции оболочки, извлекаемых после забивки.

Рис. 6.10 Забивка свай на суше: а — с поверхности до отрывки котлована; б — с подмостей в котловане; в — с поверхности в открытом котловане; г — с копрового мостика в открытом котловане; 1 — погружаемая свая; 2 — молот; 3 — инвентарный подбабок (звено оболочки); 4 — подкопровый мостик

 

В этом случае значительно сокращается продолжительность водоотлива из котлована. Во втором случае забивку свай ведут либо непосредственно со дна котлована, увеличивая его размеры для размещения копрового оборудования, либо с подмостей (рис. 6.10, б), которые разбирают по мере забивки свай, либо с бровки узких котлованов, используя копровое или крановое оборудование с выносными стрелами (рис. 6.10, в).

При небольшой ширине котлована и значительной его длине забивку свай удобно вести с передвижного подкопрового мостика (рис. 6.10, г), который передвигается по рельсам, уложенным по продольным сторонам котлована. Копер же может перемещаться по передвижному мостику в поперечном направлении. Изготавливают передвижной мостик из пакетов двутавровых балок.

Последовательность забивки свай в кусте назначают с таким расчетом, чтобы обеспечить минимальное число стоянок копра и перемещений путей. Кроме того, при забивке свай в кусте происходит уплотнение грунта между ними. По этой причине не следует назначать порядок забивки свай от края к центру, что затрудняет забивку средних свай. Забивку ведут либо в рядовом порядке, либо от центра к краям.

На местности, покрытой водой, сооружение свайных фундаментов усложняется.

При небольшой глубине воды (1,5–2 м) и невысоких скоростях течения на месте постройки фундаментов иногда намывают островок, устройство которого должно быть согласовано с органами рыбоохраны. В этом случае порядок работ с поверхности островка будет таким же, как и на суше.

При глубине воды до 6 м около возводимого фундамента с одной или с двух его сторон часто устраивают временные подмости (обычно на деревянных сваях), с которых выполняют все виды работ по устройству фундамента (рис. 6.11). При больших колебаниях уровня воды на акватории применяют самоподъемные платформы(рис. 6.11, г).

При глубине воды более 2–3 м работы по возведению свайных фундаментов можно организовать с плавучих средств, используя для этих целей баржи или плашкоуты, собранные из понтонов.

Рис. 6.11 Забивка свай с подмостей на местности, покрытой водой: 1-подмости; 2 — стреловой кран; 3 — копровая стрела; 4 — молот; 5 инвентарный подбабок; 6 — погружаемая свая; 7 — шпунт; 8 — портальный кран; 9 — копер; 10 — направляющий каркас; 11 — подъемная платформа; 12 — опорные стойки

При забивке свай копер или кран с навесной стрелой можно установить на борту плавучего средства (рис. 6.12, а). Однако при бортовой качке этот прием не обеспечивает точной забивки свай. Поэтому для тяжелых свай копровые установки или краны размещают на парных баржах или плашкоутах, соединенных подкопровым мостиком, передвигающимся вдоль оси наплавного средства (рис. 6.12, б). При использовании крана без направляющей стрелы применяют направляющие каркасы (рис. 6.12, в).

Рис. 6.12 Забивка свай с наплавных средств: 1 — плашкоут; 2 — кран; 3 — навесная копровая стрела; 4 — молот; 5 — погружаемая свая; 6 — шпунт; 7 — копер; 8 — направляющий каркас

Плавучую систему надежно закрепляют якорями с расчалками от лебедок, установленных на борту такой системы.

В районах с продолжительным холодным зимним периодом, где водоемы имеют мощный ледовый покров, забивку свай можно вести со льда. На месте забивки свай вырубают проруби.

 

6.2. Вибропогружение свай

 

С 50-х гг. в нашей стране, а затем и за рубежом для погружения свай и шпунтов стали широко применять вибрационные машины.

Вибропогружение свай особенно эффективно в песчаные грунты, так как оно обеспечивает большую скорость погружения в сравнении с забивным методом и несколько увеличивает несущую способность свай. В глинистых грунтах вибрационный метод погружения снижает несущую способность свай и менее производителен, чем забивной. Виброметод применяют также для погружения тонкостенных железобетонных оболочек большого диаметра (более 0,8 м), так как забивка их затруднительна.

Принцип действия вибропогружателей основан на их направленных, продольных по отношению к сваям колебаниям, возникающих от синхронно и противоположно направленного вращения от электропривода горизонтально расположенных парных валов с дебалансами (рис. 6.13).

Рис. 6.13 Вибропогружатели: а-простейшего типа, б-с подрессоренной пригрузкой; 1-электромотор, 2-вибратор, 3-наголовник, 4-свая, 5-пружина.

 

Вибропогружатели жестко соединяют с погружаемыми элементами с помощью болтового или зажимного наголовника.

При работе вибропогружателя возникает вынуждающая сила, вызывающая продольные колебания всей системы и погружение свай или шпунта. Горизонтальные составляющие центробежных сил эксцентриков воспринимаются корпусом вибратора и взаимно уравновешиваются.

Различают вибропогружатели низкочастотные (400–650 колебаний в минуту) и высокочастотные (до 2500 колебаний в минуту). Для погружения свай и оболочек применяют низкочастотные вибропогружатели с большой вынуждающей силой. У высокочастотных вибропогружателей электродвигатель с пригрузочной плитой отделен от вибратора системой пружин (рис. 6.13, б), что улучшает условия работы машины и повышает ее износоустойчивость. Высокочастотные вибропогружатели применяют для погружения легких свай и шпунтов.

Разновидностью вибропогружателей являются вибромолоты, в которых совмещены вибрационный и ударный эффекты (рис. 6.14). Их применяют для погружения сплошных свай и стального шпунта.

Рис. 6.14 Вибромолот: 1 -электромотор; 2 — дебалансы; 3 — верхняя плита; 4 — нижняя плита; 5 — пружина

Выбирают вибропогружатель по его вынуждающей силе F в, которая должна преодолеть силы сопротивления сваи по ее боковой поверхности:

(6.3)
где М с— статический момент дебалансов вибратора (по паспорту); w — угловая скорость вращения дебалансов; Fd — несущая способность сваи по грунту; G в— вес вибросистемы (вибропогружателя, наголовника и сваи); k s— коэффициент, учитывающий снижение сопротивления грунта при вибрации, значение которого для песчаных грунтов средней плотности принимают в зависимости от их крупности: для гравелистых — 2,6; крупных — 3,2; средней крупности — 4,9; мелких — 5,6; пылеватых — 6,2. Для водонасыщенных крупных песков коэффициент k sувеличивают в 1,2 раза; для мелких — в 1,5 раза. В глинистых грунтах k sзависит от показателя их текучести IL:

 

IL		0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
k s	1,3	1,4	1,5	1,7	2,0	2,5	3,0	3,3	3,5

 

При вибропогружении оболочек с выемкой грунта из полости значения F впринимают не менее 1,3 G в, а при погружении свай с закрытым нижним концом и шпунта — не менее 2,5 G в.

Кроме того, вибропогружатель должен обеспечить условие по амплитуде колебаний системы А:

А = М с/ т с ³ 1.2 А 0, (6.4)
где т с— масса вибросистемы; А 0— минимальная амплитуда, принимаемая по таблице 6.5. Для оболочек, погружаемых с выемкой грунта из полости, значения А 0понижают в 1,2 раза.

Значения параметра Таблица 6.5

Технические характеристики вибропогружателей приведены втаблице 6.6.

Организация работ по вибропогружению свай сходна с организацией работ при забивке свай молотами.

Сваи погружают в направляющих каркасах, вибропогружатель устанавливают на головы вертикальных свай. При погружении наклонных свай вибропогружатель перемещается по направляющей стреле.

Технические характеристики вибропогружателей Таблица 6.6

Примечание: Вибропогружатели ВУ-1,6, ВРП-60/200 и ВУ-3 имеют проходное отверстие для извлечения грунта из полости свай-оболочек.

 

6.3. Особенности погружения оболочек с открытым ижним концом

 

Погружение стальных и сборных железобетонных оболочек с открытым нижним концом (диаметром более 0,8 м) осуществляют мощными низкочастотными вибропогружателями. Оболочки большого диаметра погружают секциями.

Вибропогружатель должен быть жестко соединен с оболочкой с помощью болтового или зажимного наголовника. В качестве направляющих устройств обычно применяют направляющие каркасы высотой 2–4 м, которые собирают либо сразу под все оболочки в фундаменте, либо для части из них (на один-два ряда) с последующей перестановкой каркаса для погружения следующей группы оболочек.

В начальный период погружения на глубину 3–10 м оболочку обычно погружают без удаления грунта. По мере погружения оболочку наращивают очередными секциями, для чего вибропогружатель снимают. Съем вибропогружателя производят периодически также для удаления грунта из полости погруженной части оболочки, что облегчает ее дальнейшее погружение.

Глинистые грунты из полости оболочки удаляют на глубину ниже ее ножа не менее чем на 1–2 м. В слабых неустойчивых грунтах очистку полости доводят до уровня на 0,5–1,0 м выше ножа, чем исключается наплыв таких грунтов внутрь оболочки. При погружении оболочек большого диаметра на большую глубину в сыпучие и крупнообломочные грунты опережающую разработку грунта ведут на 1–2 м от ножа оболочки. Устойчивость стенок скважины при этом обеспечивают избыточным давлением воды, уровень которой в полости оболочки поддерживают на 3–5 м выше местного горизонта вод. Для облегчения погружения оболочек на большую глубину применяют подмыв грунта.

Грунты внутри оболочек разрабатывают эрлифтами, гидроэлеваторами, желонками и грейферами. На время разработки грунта некоторые типы вибропогружателей снимают. При использовании вибропогружателей типа ВРП и ВУ, имеющих центральные проходные отверстия, грунт из полости оболочки можно удалять без их демонтажа, что значительно увеличивает производительность.

Для заделки оболочек в скальное основание производят бурение скважин в скале через их полость. Для этого применяют бурильные станки ударного действия (УКС-30М, БС-1М, БС-2) или турбобуры с шарошечными долотами, вращение которых осуществляется посредством подачи к ним воды с высоким давлением.

После установки арматурного каркаса заделки скважину и полость оболочки заполняют бетонной смесью через бетонолитные трубы. При наличии воды в оболочке бетонирование ее полости ведут методом ВПТ. Подвижные бетонные смеси (с осадкой конуса 18–20 см) укладывают, ограничиваясь вибрацией бетонолитной трубы с помощью вибратора, прикрепленного к ее верхнему концу. При укладке малоподвижной бетонной смеси (с осадкой конуса 8–12 см) бетонолитную трубу оснащают вибратором на нижнем конце.

 

6.4. Погружение свай завинчиванием и вдавливанием

 

Винтовые сваи погружают специальным роторным механизмом, называемым кабестаном.

Кабестан состоит из двух основных частей (рис. 6.15): из неподвижной стальной рамы, на которой размещены электромоторы с редукторами, и подвижной части — ротора, приводимого в движение от электропривода и жестко соединенного со стволом сваи.

Рис. 6.15 Погружение винтовых свай кабестаном: 1 — электромоторы; 2 — редукторы; 3 — неподвижная рама; 4 — ведущие шестерни; 5 — зубчатый венец; 6 — наголовник; 7 — погружаемая свая; 8 — расчалки; 9 — анкеры; 10 — полиспаст; 11 — лебедка

 

Неподвижность рамы при работе кабестана обеспечивается закреплением ее гибкими расчалками, натянутыми через полиспасты с помощью удерживающих лебедок.

Перед завинчиванием сваю и кабестан устанавливают в исходное положение с помощью кранов. По мере завинчивания сваи натяжение расчалок кабестана поддерживается с помощью лебедок.

Кабестаны расходуют много электроэнергии, и применение их возможно при наличии достаточного электроснабжения.

Подбирают кабестан по величине крутящего момента М кр, необходимого для погружения сваи на проектную глубину, который можно определить по формуле

(6.5)
где d — диаметр ствола сваи; D — диаметр винтовой лопасти; a — шаг лопасти; li — толщины слоев грунта, пройденные сваей; fi — удельное сопротивление грунта трению; k л— коэффициент, учитывающий сопротивление грунта ввинчиванию лопасти, значения которого принимают от 100 до 600 кН/м.

Существуют кабестаны с крутящим моментом 250–1500 кН/м. Скорость вращения сваи — 0,4–1,2 об./мин.

Погружение свай вдавливанием возможно в слабых грунтах без твердых включений. Усилие вдавливания задают с помощью гидравлических или винтовых домкратов. В качестве противовеса используют массу вдавливающего агрегата(рис. 6.16) или анкерные сваи.

Рис. 6.16 Погружение свай вдавливанием: 1 — сваевдавливающий агрегат; 2 — направляющая вышка; 3 — домкратная установка; 4 — погружаемая свая; 5 — лидирующая скважина

Для уменьшения сопротивления вдавливанию устраивают лидирующие скважины или гидроподмыв свай.

 

6.5. Погружение свай и оболочек с подмывом и с применением электроосмоса

 

Если погружение свай затруднено, то можно применить подмыв грунта напорной водой. Для этого к нижнему концу сваи или оболочки подводят под напором 0,5–2,5 МПа одну или несколько водяных струй (рис. 6.17), под действием которых происходит местный размыв грунта и лобовое сопротивление погружению снижается. Одновременно сильным потоком воды снизу вверх совершается размыв и взвешивание частиц грунта у боковой поверхности сваи, чем снижается трение сваи о грунт.

 

Рис. 6.17 Погружение свай вдавливанием: 1 — сваевдавливающий агрегат; 2 — направляющая вышка; 3 — домкратная установка; 4 — погружаемая свая; 5 — лидирующая скважина

 

К подмыву обычно прибегают при погружении свай и оболочек в песчаные грунты. В связных грунтах подмыв менее эффективен.

Подмывные трубки с внутренним диаметром 30–120 мм могут располагаться внутри свай (центральный подмыв, рис. 6.18, а) или снаружи (наружный подмыв,рис. 6.18, б, в). При погружении оболочек большого диаметра подмывные трубки располагаются симметрично по внешнему контуру оболочки (рис. 6.18, в). Диаметр выходного отверстия наконечника делают меньше диаметра трубки в 2–3 раза (рис. 6.18, г). Для подмыва связных грунтов в наконечнике делают одно центральное отверстие. Для увеличения зоны размыва песчаных грунтов предусматривают дополнительные боковые отверстия диаметром 6–10 мм.

Рис. 6.18 Схемы расположения подмывных трубок: 1 — свая; 2 — молот; 3 — подмывные трубки; 4 — хомут

Подмыв снижает несущую способность свай, поэтому при опирании свай на нескальные грунты производят их добивку (не менее 1 м) до проектной отметки без подмыва.

Для облегчения погружения свай в плотные глинистые грунты, когда подмыв не дает эффекта, можно применить электроосмос. К арматуре погружаемой сваи подключают катод постоянного тока с напряжением до 300 В, а анод подключают к соседней забитой свае. В результате электроосмоса происходит переувлажнение грунта у поверхности забиваемой сваи и снижается его трение о боковую поверхность сваи.

 

6.6. Сооружение фундаментов из буронабивных свай и столбов

 

Наиболее удобно вести работы по изготовлению буронабивных свай в фундаментах мостов с поверхности грунта или с искусственного островка до отрывки котлована под ростверк [6, 9, 13].

При бурении скважин без обсадных труб в их верхней части устанавливают металлический патрубок, который заглубляют в грунт на 2–3 м. Верхний конец патрубка располагают на уровне поверхности грунта или несколько выше, если требуется создать избыточное давление воды в скважине.

Устройство ограждения и отрывку котлована выполняют после изготовления свай в фундаменте и твердения в них бетона.

Если работы на местности, покрытой водой, ведут с подмостей, то на месте свай в пределах глубины воды через направляющие каркасы устанавливают патрубки из стальных труб или железобетонных оболочек, через которые бурят скважины и заполняют их бетоном. Концы патрубка в этом случае заглубляют на 3 м ниже уровня размыва дна. Патрубки остаются в составе свай, а их выступающие верхние концы удаляют перед бетонированием ростверка.

Для бурения скважин используют различные буровые станки. Для предохранения стенок скважин от обрушения их крепят либо обсадными трубами, погружаемыми одновременно в процессе бурения, либо глинистым раствором, заливаемым в скважину, который давлением от своего веса в процессе бурения глинизирует стенки скважины и удерживает их от обрушения. Бурение скважин и уширений под глинистым раствором, как показывает опыт, возможно как в глинистых, так и в песчаных грунтах. Под защитой обсадных труб производят бурение скважин в глинистых грунтах текучей консистенции, при большой глубине воды или при наличии значительных гравийно-галечниковых прослоек и карстовых пустот, а также при ведении работ вблизи существующих сооружений. Инвентарные трубы либо извлекают в процессе бетонирования буровых свай, либо оставляют в скважине, включая в конструкцию сваи.

В прочных маловлажных глинистых грунтах стенки буровых скважин и их уширений можно не крепить.

В отечественном мостостроении, начиная с 50-х гг., широко использовались буронабивные сваи системы ЦНИИСа, для изготовления которых применялся агрегат на базе универсально полноповоротного копра СССМ-680 (рис. 6.19, а). Агрегат позволяет изготавливать сваи длиной до 40 м с диаметром ствола 1,3–1,5 м. Бурение осуществляется с помощью роторной установки. Рабочим органом при бурении служит ковшовый бур (фреза), который при вращении заполняется разработанным грунтом. Удаление грунта осуществляется циклично с подъемом бура из скважины на поверхность. Уширение скважины в нижнем конце достигается с помощью раскрывающихся ножей уширителя. Буровые скважины могут быть как вертикальными, так и наклонными с наклоном до 4:1.

Рис. 6.19 Буронабивная свая с уширением

Перед бетонированием в скважину опускают арматурный каркас, наружный диаметр которого должен быть меньше диаметра скважины не менее чем на 20 см, чем обеспечивается необходимый защитный слой бетона. Применяют арматуру периодического профиля, что обеспечивает ее надежное сцепление с бетоном, уложенным в тело сваи под глинистым раствором. Укладку литого бетона в скважину ведут подводным способом. Технологическая схема изготовления таких свай показана на рис. 6.19, б, в, г.

В настоящее время в отечественном мостостроении применяют буровые установки МБНА-1М, БМ-3061, БМ-4001, использующие инвентарные обсадные трубы и обеспечивающие бурение вертикальных и наклонных (с наклоном до 5:1) скважин при устройстве буронабивных свай диаметром от 1,0 до 1,7 м с уширением внизу до 3,5 м и длиной от 20 до 40 м.

Из зарубежной буровой техники в отечественном мостостроении применялись универсальные буровые агрегаты французской фирмы “Беното” и японской фирмы “Като”. Эти агрегаты позволяют совмещать бурение скважины и выемку из нее грунта с одновременным креплением ее стенок обсадными трубами и последующим их извлечением, вести работы практически в любых грунтах и изготавливать как вертикальные, так и наклонные (с наклоном до 4:1) буронабивные сваи диаметром до 1,7 м, в том числе с уширением до 3,5 м, длиной до 50 м.

Буроопускные сваи-столбы изготавливают путем бурения скважин с уширением или без него и опускания в них призматических или цилиндрических элементов (столбов) сплошного сечения с омоноличиванием их со стенками скважины цементно-песчаным раствором, который заливают либо в скважину перед опусканием в нее сваи-столба, либо после установки столба — в кольцевой зазор скважины.

Набивные сваи изготавливают в заранее пробитых в грунте скважинах, путем заполнения их бетонной смесью. Известно несколько технологий изготовления таких свай.

В отечественной практике из набивных свай применялись частотрамбованные. Их изготавливали забивкой в грунт стальной инвентарной трубы с теряемым наконечником. После погружения трубы на требуемую глубину ее полость заполняли жесткой бетонной смесью. Затем с помощью сваебойного молота, периодическими ударами по трубе, направленными вверх и вниз, труба извлекается из грунта, а бетонная смесь нижней кромкой трубы трамбуется в скважине. При этом ствол сваи получает рифленую поверхность. Последовательность изготовления свай показана на рис. 6.20.

Рис. 6.20 Набивная свая

В зарубежной практике применяют набивные сваи Франки. Последовательность изготовления таких свай показана на рис. 6.21.

Инвентарную стальную трубу диаметром 0,5 м погружают в грунт ударами трамбовки по пробке из сухой бетонной смеси в ее нижнем конце. По достижении проектной отметки трубу подвешивают к копру, сильными ударами трамбовки выбивают пробку и втрамбовывают ее в грунт. При этом образуется уширение нижнего конца сваи из трамбованного бетона. Затем труба заполняется порциями трамбуемой жесткой бетонной смеси, а обсадная труба постепенно вытаскивается на поверхность. В трубе можно разместить арматурный каркас. Поверхность ствола такой сваи получается гофрированной, что дополнительно увеличивает несущую способность сваи.

6.21 Набивная свая Франки

При изготовлении набивных свай используют также вибрационную технологию. В этом случае инвентарная обсадная труба с глухим теряемым наконечником погружается в грунт вибропогружателем. В полость трубы опускают арматурный каркас и загружают ее на всю высоту бетонной смесью. Затем трубу извлекают с вибрированием на поверхность, что обеспечивает виброуплотнение бетонной смеси.