УП. 4. Изготовление буровых свай-столбов

Изготовление буровых свай-столбов слагается из бурения сква­жин и последующего их бетонирования. В фундаментах опор мос­тов и других сооружений с тяжелыми нагрузками применяют стол­бы большого диаметра (0, 9—3 м). Для увеличения несущей спо­собности такие столбы в грунтах средней плотности делают с уширенной подошвой, разбуривая уширение в забое скважины. В скальных породах столбы обычно забуривают в скалу. Бурение скважин, особенно большого диаметра, требует особых мер, пре­дупреждающих обрушение грунта с их поверхности. Для удержа­ния грунта применяют или обсадные трубы, или избыточное дав­ление внутри скважины, заполняя ее в процессе бурения водой или глинистым раствором.

В СССР для бурения скважин в обсадных трубах пользуются преимущественно станками французской фирмы «Беното» и япон­ской фирмы «Като». Устройство и работа этих станков однотипны, отличаются они только некоторыми конструктивными деталями и грунторазрабатывающими рабочими органами.

Буровой станок «Като» марки 20-ТН (рис. УН.24) состоит из рамы, мачты и элементов жесткости. На раме установлены дизель­ный двигатель, трехбарабанная лебедка и другие механизмы, а также кабина управления (на рис. УП.24 она не показана). Для перемещения станок снабжен гусеницами. В рабочем положении он опирается на четыре гидравлические опоры (аутригеры)-

Погружают и извлекают инвентарную обсадную трубу (как и в станках типа «Беното») вертикальными гидродомкратами (рис. УН.25) с одновременным попеременном вращением трубы относи­тельно ее оси на ±17°, благодаря чему в значительной степени снижается трение между грунтом и трубой. Домкраты вертикаль­ного действия развивают усилие до 56 тс при задавливании трубы и 41 тс при извлечении. Вращают трубу горизонтальными домкра­тами, которые сообщают обратно-поступательное движение гори­зонтальной раме, закрепленной за трубу зажимным хомутом. Наибольшее усилие, развиваемое горизонтальными домкратами составляет 13, 5 тс (крутящий момент 46 тс-м). Максимальное уси­лие зажима хомута, создаваемое теми же домкратами, равно 77 тс. По мере погружения или извлечения обсадной трубы зажимный хомут переставляют в новое положение.

Обсадные трубы этого станка имеют диаметр 1200 мм. Они со­стоят из секций длиной 3—6 м с двойными стенками из стальных листов толщиной 12 мм, между которыми проложены стальные

прутки диаметром 16 мм. Сек­ции соединяют без выступов с помощью специальных болтов с потайными головками. Нижняя. секция заканчивается сменным цилиндрическим наконечником с режущими зубьями.

Грунт в забое скважины раз­рабатывают ударным грейфером или ковшовым буром роторного действия. Грейферное бурение применяют для разработки рых­лых и средней плотности несвяз­ных грунтов.

Грейфер имеет форму стака­на, внутри которого размещен механизм раскрытия и закрытия челюстей. Челюсти — сменные, приспособленные для разработ­ки грунтов различной плотности. Грейфер сбрасывают на забой в раскрытом виде: резцами из твердых сплавов его челюсти врезаются в грунт и разрушают его. При подъеме челюсти автоматически закрываются, захватывая породу. Роторным ковшовым буром разрабатывают связные грунты. При роторном бурении ковшовый бур присоединяют к вращающейся буровой штанге. Ковшовый бур представляет со­бой цилиндрическую емкость, в нижнем торце которой закрепле­ны наклонные ножи-фрезы. Как грейфер, так и ковшовый бур периодически извлекают.из скважины для удаления из них раз­буренной породы.

Для разработки в конце скважины уширений станки «Като» снабжены специальными уширителями с гидравлическим приводом. Скальные породы разбуривают долотом ударного действия. Разно­образный набор рабочих органов позволяет станками «Като» раз­буривать различные грунты. Скорость бурения зависит от вида проходимых грунтов и при грейферном бурении составляет от 3 до 5 м/ч, при роторном — до 18 м/ч. Масса станка — 31 т, мощность дизельных двигателей — 2X65 л. с- Бурение скважин в нескольких грунтах без обсадных труб разработано и освоено в СССР.

В отечественных станках бурение роторное. Диаметр разбури­ваемых скважин — от 0, 9 до 1, 7 м; диаметр ушнрения — соответст­венно 2, 5—3, 5 м. Буровое оборудование работает от электродвига­телей мощностью 40—90 кВт. Масса оборудования с базовой ма­шиной 60—100 т.

В качестве базовой машины используют или полноповоротный копер, к стреле которого закрепляют буровое оборудование (рис. УП.26), или самоходный гусеничный кран той или иной марки с навешиваемым буровым оборудованием. В некоторых моделях (рис. УП.27) имеется дополнительная стрела, к которой подвеши-

вают грейфер, долото или бетонолитное обустройство, нужные для извлечения и разбуривания валунов и бетонирования скважины.

Рабочим органом в этих станках служит ковшовый бур, объе­диненный с уширителем, закрепленным на полой буровой штанге квадратного сечения. Штанга вращается ротором со скоростью по­рядка 10 об/мин. Ковшовый бур емкостью до 1, 5 м'— цилиндриче­ский. В его днище закреплены ножи-фрезы. Уширитель состоит из двух автоматически раскрывающихся и закрывающихся ножей с резцами. Управление буровым органом гидравлическое.

Бурение начинают с укрепления устья скважины патрубком, предохраняющим верхние слои грунта от обрушения. Патрубок представляет собой стальную трубу, погружаемую в грунт давле-

Рис. VII.26. Копер с буровым обору- Рис. VII.27. Буровой агрегат МБС-1, 7:

ДОваннем: / — дополнительная стрела; 2 — долото;

1 — полноповоротная платформа; 2 — буро- 3—основная стрела; 4 — электромоторы;
вой орган; 3 — стрела 5 —штанга; 6 — ковшовый бур; / — кон-

соль

нием ковшового бура. При буре-, нии на суше или с островка па­трубок заглубляют в грунт на 1— 3 м, при бурении на акватории с подмостей или плавучих средств— не менее 3 м ниже дна реки с уче­том его размыва. После этого приступают к бурению скважины. Бурение слагается из разбурива-ния грунта и после наполнения ковшового бура породой извлече­ния его и опорожнения породы в отвал. Для разбуривания ушире-ния на проектном уровне посте­пенно раскрывают ножи, которые срезают грунт по очертанию уши-рения. Срезанный грунт заполня­ет ковш бура.

В глинистых устойчивых грунт тах бурение осуществляется без крепления скважины. В грунтах неустойчивых — песчаных, илис­тых и т. д. — скважины необходи­мо крепить. Крепление скважин достигается созданием в них из­быточного давления. Для этого скважину заполняют водой из бли­жайших водоемов или глинистым раствором. Глинистый раствор обязателен при разбуривании уширений. Для поддержания избы­точного давления уровень воды, заливаемой в скважину, должен превышать уровень грунтовых вод или воды в акватории на 3—7 м. Это обеспечивается соответствующим размером (высотой) па­трубка.

Глинистый раствор, имея удельный вес, больший единицы, со­здает избыточное давление в скважине в сторону окружающего грунта. Кроме этого, проникая в грунтовые поры, частицы глины закрепляют (гланизируют) поверхность скважины, создавая устой­чивую корку толщиной 2—3 см.

Глинистый раствор должен иметь: плотность 1, 05—1, 35 г/см³, вязкость 17—18 с, стабильность не более 0, 05 м/см³, суточный от­стой не более 8%, содержание песка не более 8% и осаждение пес­ка не более 5%. Состав раствора—-количество воды и глины — подбирает, а в процессе бурения систематически контролирует по­строенная лаборатория. Плотность раствора измеряют ареомет­ром. Вязкость, определяемая временем истечения 500 см³ раствора из стандартной воронки, заполненной раствором, характеризует глинизирующие свойства раствора. Стабильность — степень водо­отдачи— оценивается разностью плотностей нижнего и верхнего полустолбов раствора, залитых на сутки в специальный цилиндр с спусковым краном в середине его высоты. Суточный отстой ха-

растеризует способность глинистых частиц находиться во взвешен­ном состоянии; он оценивается по количеству чистой воды на по­верхности раствора, залитого на сутки в мерный цилиндр. Содер­жание песка определяют отмывкой пробы раствора, а осаждение песка — разностью его содержания в верхнем и нижнем полустол­бах раствора, залитых на сутки в цилиндр для определения ста­бильности.

Для приготовления раствора желательно иметь бентонитовые глины.

Растворы приготовляют в глиномешалках. Отработанный рас­твор откачивают насосом в приемник для отстоя и повторного ис­пользования.

В некоторых случаях скважины приходится крепить обсадны­ми неизвлекаемыми трубами. Такое сваи-столбы носят название бурообсадных. Обычно обсадкой служат железобетонные оболоч­ки, которые погружают в пробуренную скважину вдавливанием бу­ровым ковшом или вибропогружателем с проходным отверстием для извлечения разбуренной породы. Бурообсадные столбы при­меняют при необходимости заглубления их в твердые глинистые породы или забуривания в скалу (см. рис. VI.1).

Бурение скважин в скальных породах осуществляется или стан­ками ударного действия, или станками вращательного (ротор­ного) бурения. Для ударного бу­рения скважины диаметром от 0, 8 до 2, 6 м пользуются станками ударно-канатного бурения (УКС). Станок УКС-30 (рис. УН.28), предназначенный для разбурива­ния скважины диаметром до 1, 4 м, состоит из рамы с расположенны­ми на ней электромотором, лебед­ками и другими механизмами, мачты и подкосов жесткости. Че­рез верхний блок мачты проходит инструментальный трос, соеди­ненный с долотом — рабочим ор­ганом, с помощью которого и про­исходит бурение. Долото пред­ставляет собой литую стальную конструкцию массой от 2, 5 до 7, 5 т в зависимости от диаметра разбуриваемой скважины (рис. VII.29). Внизу долото оканчива­ется резцами; для повышения из­носоустойчивости режущие кром- ^Рис- V¹¹-²⁹- Трехперос литое долото: ки резцов наваривают высоко- ко7_щ^Ре^Й%ф™^Птр^Ро°са ³-^ОТВ! " ^для

прочными электродами ЭНХ-45. Маоса станка (без массы долота) — около 13 т, потребляемая мощность — 40 кВт. При разбуриванйи скважины долото периодически сбрасывают с высоты от 0, 5 до 1 м.. Долото присоединено к инструментальному тросу с односторонней-₄ свивкой специальным замком, обеспечивающим (за счет упругой свивки троса) поворот долота вокруг своей продольной оси: при подъеме долота трос, растягиваясь, поворачивает долото на угол 5—10°, в момент удара трос, ослабляясь, снова завивается. Таким ^ образом при падении долото каждый раз дробит новый участок

скалы, равномерно разбуривая I скважину по всей площади тре-, буемого размера.

До разбуривания скважины гидрощупом выявляют положе­ние ножа оболочки по отноше­нию к поверхности скалы и нали­чие на ней неровностей. Гидро-щуп представляет собой подмыв-ную трубу: когда наконечник трубы коснется скалы, давление воды в трубе резко возрастает, что позволяет зафиксировать от­метку поверхности породы в дан­ном месте.

Зазоры между ножом обо-. лочки и поверхностью скалы, а также ее неровности до разбури­вания ликвидируют укладкой там-понажного слоя из глины или бе­тона. При неровностях до 20 см применяют тампонаж глиной, при больших неровностях, а также для предупреждения затекания в оболочку несвязного грунта, при­крывающего скалу, применяют тампонаж бетоном. Глиняный тампонаж создают забрасывая на забой слой глины толщиной 0, 3— 0, 5 м и на него слой камня тол­щиной 0, 2" —0, 3 м. Для бетонного тампонажа на забой, очищенный от грунта, укладывают способом ВПТ бетонную площадку толщи­ной не менее 1 м. Аналогично по­ступают при необходимости опу­стить оболочку через прослоек скальной породы или ликвидиро­вать препятствие ее погружению (например, валун).

Скважину обычно разбуривают в глинистом растворе, в котором час-. тицы скалы (шлам) находятся во' взвешенном состоянии. Этим исклю­чается образование упругой подуш­ки в забое и повторное дробление частиц, а также облегчается удале­ние шлама из окважины. Для обра­зования глинистого раствора в за­бой периодически забрасывают гли­ну слоем 0, 2—0, 3 м.

При бурении мергелей, доломи­тов и других аналогичных пород, а также скалы с глинистыми прослой­ками надобность в глинистом раст­воре отпадает.

Через каждые 0, 3—0, 5 м разбу­ривания скважину очищают от шлама желонкой со сферическим клапаном.

Если бурят скважину без глини- „,._1Т„, „,., „„„„

^ ■ > Рис. УН.31. Общий вид станка

сто го раствора, то шлам удаляют ртб-2600 эрлифтом.

Контроль бурения осуществляют опуская, в скважину цилин­дрический мерник, сваренный из листовой стали; при нормальном ходе работ глубины погружения мерника и долота на дно забоя одинаковы.

Ударно-контактное бурение хорошо освоено, не требует слож­ного оборудования и больших затрат электроэнергии. Недостаток этого способа — медленный темп работ. Так, скорость бурения скважины диаметром 1, 4 м в скальных породах прочностью до 400 кгс/см² станком УКС-30 при долоте весом 3 тс составляет 0, 05—0, 16 м/ч.

Значительно производительнее станки вращательного бурения. В мостостроении применяют станки реактивно-турбинного бурения (РТБ), с помощью которых забуривают в скалу оболочки диамет­ром 1—3 м. Станок РТБ-2600 для бурения скважин диаметром 2, 6 м (рис. VII.30, VII.31) состоит из рамы, устанавливаемой на оболочке, и бурильного аппарата, подвешенного к раме с помощью вертлюга.

Рабочим органом агрегата служат турбобуры, в нижних концах которых закреплены шарошечные долота. Из четырех тур­бобуров одновременно работают три: один внутренний с долотом диаметром 750 мм и два наружных с диаметром долот 420 мм; четвертый турбобур — резервный. Для увеличения контактных дав­лений шарошек на забой турбобуры дополнительно к собственному весу пригружены грузами.

Вода, поступающая в турбобуры, вращает долото в одну сто­рону со скоростью 500—800 об/мин; выходя из турбобуров, вода

встречает реактивное Сопротивление наружной среды (тоже воды), которая вращает весь агрегат в противоположном направлении со скоростью 10—40 об/мин. В результате шарошки разрушают скалу по всей площади забоя.

В процессе бурения мелкие частицы шлама выносятся за пре­делы оболочки водой, выходящей из сопел долот; крупные облом­ки скалы удаляют эрлифтом.

Для центрирования агрегата к его внешним турбобурам за­крепляют центраторы в виде стальных цилиндров, которые сво­бодно перекатываются по внутренней поверхности сооружаемой оболочки.

Для работы турбобуров необходима подача воды в количестве 70—90 л/с при давлении 100—ПО кгс/см². Потребная мощность двигателя при этом составляет для агрегатов различных марок от 170 до 540 л. с. (125—400 кВч). Масса агрегатов — от 13 до 40 т.

Производительность бурения зависит главым образом от проч­ности разбуриваемой породы. Так, на одном из построенных в по­следние годы мостов при бурении станком РТБ-2600 скалы проч­ностью до 1400 кгс/см² средняя скорость проходки скважины со­ставила 0, 6 м в час.

Для снижения энергоемкости агрегатов типа РТБ перспектив­но колонковое бурение, при котором разбуривается только кольце­вая выточка, после чего подразделяется керн неразрушенной ска-, лы. Такое оборудование уже создается.

После бурения скважину тщательно очищают от наплывшего грунта и шлама. Особое внимание при этом обращают на очистку основания скважин. Скважины, пробуренные без обсадных труб, а также станками «Като», зачищают ковшовым буром. В скальных породах шлам удаляют желонками и эрлифтами. Крупные облом­ки скалы удаляют грейферами, прибегая в редких случаях к водо­лазным работам.

Размеры подготовленных скважин проверяют мерниками и пос­ле комиссионной приемки и установки арматурных корнизов бето­нируют способом ВПТ..

VII.5. СООРУЖЕНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ

На местности, свободной от воды, сваи погружают после разработ­ки котлована.

При достаточно прочных и сухих грунтах копровое и крановое оборудование для забивки свай может быть расположено на дне котлована, что значительно упрощает погружение свай. Однако при таком способе работ для свободного размещения и маневри­рования оборудования приходится увеличивать размеры котлова­на в плане. При постройке опор мостов, фундаменты и котлованы которых имеют сравнительно небольшие размеры, сваебойное обо­рудование чаще располагают в уровне поверхности грунта.

Рис. УП.32. Технологические схемы забивки свай:

/ — шпуит; 2 — молот; 3 — свая; 4 — подмости; 5 — шпальные клетки; 6 — подкопровый мо­стик; 7 — тележка; 8 — рельсовый путь; 9 — понтоны; 10 — лебедки; // — якорные тросы

При забивке свай самоходным краном с навесными копровыми стрелами кран перемещается по бровке котлована (рис. VII.32, а). Грузоподъемность крана при наибольшем вылете стрелы, обеспе­чивающем забивку свай фундамента, определяется суммарным весом сваи, молота и навесного оборудования. При использовании копров котлованы небольшой ширины (до 5—6 м) могут быть пе­рекрыты подмостями (рис. УП.32, б). Копер часто располагают на инвентарном передвижном подкопровом мостике (рис. УИ.32, е).

Подкопровый мостик устанавливают на тележки, которые перемещаются по рельсовым путям, уложенным на поверхно­сти земли вдоль стенок котлована, копер же передвигается на ро­ликах вдоль мостика.

Это значительно облегчает установку копра в рабочее поло­жение для забивки очередных свай. Рельсовые пути для переме­щения мостика обычно укладывают вдоль продольной оси моста, обеспечивая передвижение всей копровой установки от фундамен­та одной опоры к фундаменту другой.

На реках при глубине воды' до 1—2 м сваи погружают теми же способами. Для размещения оборудования используют перемычки или специально сооружаемые вокруг котлована подмости. При глубине воды более 2—3 м сваебойное оборудование располагают на плавучих средствах: понтонах, баржах, плашкоутах. Во время работы плавучие средства жестко крепят на якорях тросами.

Если забивке свай не мешает ограждение котлована, то копер может быть' установлен на барже или понтоне так, чтобы его стре­ла выходила за борт. Однако расположение стрелы за бортом ухуд­шает условия устойчивости плавучей системы; кроме того, при ус­тановке сван и молота возникают крены, что затрудняет погруже­ние свай точно по проекту. При огражденном котловане копер мо­жет быть расположен на подкопровом мостике, неподвижно за­крепленном на понтонах (рис. УП.32, г). В этом случае вдоль кот­лована всю плавучую систему перемещают тросами, соединенными с якорями; поперек котлована копер перемещают на роликах или тележках по подкопровому мостику.

Возможно также неподвижное расположение плавучей систе­мы, собранной из большого числа понтонов. Оборудование для по­гружения сваи устанавливают на подвижные средства, например подкопровые мостики на тележках (см. рис. VII.32, в). При боль­ших объемах работ иногда прибегают к установленным на плаш­коуты козловым кранам, которые обеспечивают механизацию всех работ по возведению опоры моста. При креплении котлована сталь­ным шпунтом можно расположить копер на подкопровом мостике, перемещающемся по рельсам, уложенным вдоль продольных шпун­товых стен. В этом случае вес копра и мостика передается на шпунты и необходимость в плавучих средствах отпадает.

При глубине воды более 2—3 м сваи погружают через каркасы.

Рис. УП.ЗЗ. Последовательность погружения свай в каркасах:

/_ опускание каркаса; // — забивка маячиых свай; /// — забивка шпунта; /V—забивка свай; V — эрлифтироваиие грунта; VI — бетонирование фуидумеита; / — каркас; 2 — маяч­ная свая; 3 — вибропогружатель; 4 — шпунт; 5 — эрлифт; 6 — подводный бетон.

Рис. УП.34. Схемы устройства плиты фундамента, расположенной выше дна рекн

Если свайный фундамент возводят в каркасах с плитой, заглуб­ленной в грунт (рис. УП.ЗЗ), то вначале собранный каркас достав­ляют по воде на плавучих средствах (понтонах) к месту установки. После установки каркаса в проектное положение забивают ан­керные сваи, к которым крепят каркас. Далее вокруг каркаса за­бивают стальной шпунт, а затем через ячейки каркаса погружают сваи. После забивки свай подвод-ным способом разрабатывают грунт и укладывают тампонаж-ный слой бетона. Остальные ра­боты ведут после откачки воды. По мере кладки фундамента кар­кас разбирают.

Если плита расположена выше дна реки, то на месте устройства фундамента может быть намыт островок (рис. УП.34, а), на ко­торый опускают бездонный ящик с последующей укладкой тампо-нажного бетонного слоя. При зна-< чительных скоростях течения во­ды работы ведут в шпунтовых ограждениях, которые заполняют песком на необходимую глубину! § (рис. УП.34, б). Возможно также^ бетонирование плиты на весу в перемычке, подвешенной к кар­касу (рис. VII. 34, в). В этом слу­чае в днище опалубки оставляют отверстие для пропуска свай; за­зоры между сваями и днищем перед укладкой подводного бе-

тона тщательно заделывают во- _{Рис упз5 Схема механизма сп}.₃₇
долазы. _{дл> я} срубки железобетонных свай:

ВмеСТО ПереМЫЧКИ И КаркаСОВ / — гидродомкрат (200 тс); 2 — электромо-

иногда применяют железобетон- Г-«ад^Гг-р^Н»а^{> с: 4_рама: Б}~^кл™^ь*;

ные кбндукторы (см. рис. VII. 18), включаемые в состав плиты фундамента.

После погружения свай их верхние концы обычно располага­ются на разных уровнях и сваи приходится срубать под проектную отметку. Срубка железобетонных свай часто выполняется отбой­ными молотками, на что расходуется значительное количество тру­да и времени. Для механизации этих работ существуют специаль­ные механизмы, например марки СП-37 (рис. VII.35), имеющие остроконечные клинья, которые раскалывают бетон сваи. В сваю клинья вдавливаются гидравлическими домкратами. Концы арма­туры срезают газовой резкой.

Оболочки обычно погружают через направляющие устройства.

На сухой местности, а также при работе с островков такими устройствами служат направляющие каркасы, собираемые из уни­версальных инвентарных металлических конструкций (рис. УП.36, «).

При глубине воды более 3—4 м оборудование для погружения оболочек и других работ располагают на плавучих средствах большой грузоподъемности (рис. УП.36, б).

Плавучую систему собирают из понтонов типа КС-30 таким образом, чтобы она могла охватить все оболочки в плане и быть заведена на место работ вдоль продольной стороны фундамента.

На понтонах устанавливают, как правило, козловой кран гру­зоподъемностью 30—45 т, гусеничный кран грузоподъемностью 5— 10 т, насосную установку и компрессор. Козловой кран служит для опускания каркаса, установки в его ячейки оболочек, установки на оболочки вибропогружателей и других грузоподъемных операций; более легкий гусеничный стреловой кран обеспечивает остальные работы: эрлифтирование и экскавацию грунта, установку бетоно-литных труб и пр.

Для бурения скальных пород станки УКС располагают на по­груженных оболочках или на специальных прочных подмостях.

При большом числе опор для устройства плиты выгодно при­менять съемные перемычки.

Погруженные оболочки частично или полностью заполняют бе­тонной смесью способом ВПТ, после чего бетонируют водозащит­ную подушку. Остальные работы ведут насухо, откачав воду из котлована (перемычки).

Рис. VII.36. Технологические схемы погружения оболочек:

/ — установка оболочки; // —погружение оболочки;

/ — стреловой край; 2 — оболочка; 3 — направляющий каркас; 3 — балласт; 5 — вибропогру­жатель; 6 — плашкоут; 7 — козловой край; 8 — лебедки

Глава VIII. НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СВАЙ

УШ.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Несущая способность сваи — наибольшее силовое воздействие, которое может воспринять свая, — зависит от прочности (трещи-ностойкости) материала сваи и несущей способности грунтов, в ко­торые она погружена.

Несущая способность по материалу определяется расчетом прочности и трещиностойкости сваи при действии на нее продоль­ных и поперечных сил и изгибающих моментов. Эти расчеты вы­полняют по правилам расчета строительных конструкций, изучае­мых в соответствующих курсах.

Несущая способность Ф сваи по грунту при действии централь­но приложенной вдавливающей силы слагается из сопротивления грунта Ф_н под ее нижним концом и сопротивлением грунта Фб по боковой поверхности сваи, т. е.

_Ф=Ф_{Н +} Ф₆. (УШ.1)

В уровне торца сваи сопротивление грунта под нижним кон­цом сваи и боковое сопротивление распределяются по площади круга радиуса (1-=-4)й, где й — толщина сваи (рис. VIII.1, о). В расчетах схему давления на грунт упрощают и при расчетах не­сущей способности сваи сопротивление под нижним концом прини­мают равномерно распределенным по площади торца сваи (рис.

хпы.б).

В висячих сваях сопротивление грунта под торцом зависит от способа погружения сваи. В забивных сваях под их торцом обра­зуется ядро из уплотненного грунта, как бы увеличивающее пло­щадь опирания сваи на грунт. Размеры ядра не поддаются точному определенно — их учитывают увеличением расчетных сопротивле­ний под торцом забивной сваи. В сваях-оболочках, погружае­мых с извлечением грунта из их полости, а тем более в буровых сваях уплотненное ядро «е образуется и грунт в уровне их опира­ния существенно не изменяет своего природного сложения.

Очевидно, чем плотнее грунт, тем больше величина сопротив­ления грунта под нижним концом сваи, которое в надежно погру­женной свае составляет 60—70% всей несущей способности.

Боковое сопротивление возникает между грунтом и прочно свя­занной с поверхностью сваи «грунтовой рубашкой» (толщина 1— 2 см). Этим объясняется, что боковое сопротивление практически не зависит от материала сваи. Оно слагается из внутреннего тре­ния грунта, пропорционального нормальному давлению на данной глубине, и сил сцепления. Так как нормальное к поверхности сваи давление грунта с глубиной увеличивается, то и трение с глубиной

возрастает. Боковое сопротивле­ние также зависит от вида свай: при забивных сваях, когда окру­жающий грунт уплотняется, тре­ние больше.

Как показывают исследова­ния, при постепенном нагружении сваи сначала развивается сопро­тивление грунта под ее торцом и лишь после осадки головы сваи на несколько миллиметров проис­ходит срыв сцепления и по по­верхности сваи развивается со­противление, обусловленное пре­имущественно величиной внутрен­него трения грунта. При опирании сваи на несжимаемый грунт, на­пример, скалу, осадка сваи отсут­ствует и тогда боковое сопротивление не учитывается (Фб = 0).

Боковое сопротивление может быть положительным и отрица­тельным. При вдавливающей нагрузке положительное сопротивле­ние направлено снизу вверх, в сторону, противоположную дейст­вия нагрузки, и увеличивает несущую способность сваи. Отрица­тельное сопротивление возникает, когда окружающий грунт по тем или иным причинам смещается вниз по отношению к погруженной свае. Такое смещение наблюдается, если пригрузить поверхность грунта дополнительной нагрузкой, например насыпью у устья мо­ста, а также, когда в толще грунта имеются слои легкосжимаемых грунтов, например торфа. Во всех этих условиях грунт зависает на свае и дополнительно нагружает ее.

Кроме вдавливающей продольной нагрузки, на сваю может действовать выдергивающая сила. Несущая способность сваи в этом случае создается только боковым сопротивлением грунта и определяется формулой

Ф_в= Фб. (VIII. 2)

где Ф_ъ — несущая способность сваи на выдергивание.

В сваях с уширенным нижним концом выдергивания сопротив­ляется также грунт, расположенный над уширением. Однако рабо­та сваи в этих условиях изучена еще недостаточно, и поэтому в расчетах сопротивление грунта над уширением не учитывают.

При поперечных (горизонтальных) нагрузках сваю рассматри­вают как стержень той или иной жесткости, погруженный в упру­гую среду — грунт. Так как горизонтальные перемещения фунда­ментов ограничены (1—3 см), то представляется возможным грунт рассматривать как среду с линейной зависимостью между ее со­противлением и перемещением в рассматриваемом уровне. За пре­дельное сопротивление грунта при этом принимается его пассив­ный отпор по теории Кулона.

9—2644

В фундаментах располагают, как правило, большое число свай, достигающее несколько десятков. Группу свай в фундаменте принято называть «кустом».

В кусте сваи располагают на расстоянии между осями в две-три их толщины (см. п. У1.5). При таком расстоянии напряженные зоны грунта вокруг свай накладываются друг на друга и давление на грунт в уровне нижних концов свай возрастает по сравнению с одиночной сваей (рис. УШ.2). Суммарные давления на грунт, передаваемые кустом свай, не должны превышать расчетных со­противлений грунтов в основании свайного фундамента как еди­ного грунто-свайного массива.

Суммарные давления под торцами свай создают напряженное состояние грунта, определяющее осадку фундамента. Осадка будет тем больше, чем больше добавочное давление под сваями и чем больше размеры фундамента в плане, т. е. чем больше число свай в кусте. Осадка куста всегда больше осадки одиночной сваи, так как активная зона грунта под одиночной сваей всегда меньше ак­тивной зоны под кустом свай. При расчетах свайных фун­даментов исходят из несущей способности по грунту отделы ной сваи в кусте и несущей способности всего куста свай, рассматривая последний как фундамент глубокого заложе­ния (см. п. 1Х.4).

Несущая способность сваи по грунту Ф определяется ана­литическим методом и испыта­ниями свай в грунтовых усло­виях строительной площадки. Все большее применение нахо­дит зондирование грунтов, с помощью которого достаточно достоверно находят сопротив­ления грунта в уровне нижних концов свай и по их боковым поверхностям.

Испытанию подвергают от­дельные сваи в соответствии с требованиями ГОСТ 5686—78. В результате испытания нахо­дят нормативное предельное сопротивление сваи Ф*_Р- Несу­щая способность сваи в фун­даменте

(УШ.З>

где т — коэффициент условия работы, равный 1, 0 при испытании вдавливаю­щей или горизонтальной нагрузкой и равный 0, 8 — при выдергиваю-' щей нагрузке;

Ф" — нормативное предельное сопротивление сваи; к_г — коэффициент запаса по грунту.

Если испытывают в одинаковых грунтовых условиях менее ше­сти свай, то нормативное предельное сопротивление принима­ют равным наименьшему предельному сопротивлению, получен­ному при испытании свай, т. е.Ф" _р = Ф_нр._{т! п} ^и коэффициент /с_г= 1. Если испытывают шесть или более свай, то ^ф„_р. ^{и к}г находят пу­тем статистической обработки частных значений предельных сопротивлений Ф_Пр свай (по ГОСТ 20522—75), полученных при ис­пытаниях (см. п. VIII.3).

У1Н.2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАЙ

Аналитический метод определения несущей способности свай по грунту основан на большом числе испытаний сваи в различных грунтовых условиях и определения (на основе анализа) сопротив­лений грунта под торцом и по боковой поверхности свай. В этом направлении была проведена большая работа д-ром техн. наук А. А. Лугой.

По аналитическому методу сопротивление грунта под нижним концом и по боковой поверхности сваи рассматривают независимо друг от друга, что позволяет суммировать их и выражать несущую способность сваи формулами, аналогичными по построению фор­муле (VIII.!). Такой подход к решению этой задачи принят в боль­шинстве стран. Ниже излагается метод, принятый в СССР и осно­ванный на теории расчета сооружений по предельным состояниям.

Несущая способность сваи по грунту зависит от вида сваи и грунтов, в которые она погружена.

При опирании свай на практически несжимаемые грунты

Ф = тПР, (VIII.4)

где т — коэффициент условия работы, принимаемый равным 1, 0;

Я. — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи, тс/м³;

Р — площадь опирания сваи на грунт, принимаемая: для свай сплошного сечения и полых с закрытым нижним концом равной площади попереч­ного сечения сваи (по наружному контуру); для полых свай с откры­тым нижним концом и свай-оболочек равной площади сечения стенок; для полых свай и свай-оболочек, если их полости заполнены внизу бе­тоном на высоту не менее трех диаметров сваи (оболочки), полной площади поперечного сечения (по наружному контуру), м².

Для забивных свай всех видов, опирающихся на скальную не­разрушенную выветриванием породу, крупнообломочные грунты с песчаным заполнением или глинистые грунты твердой консистен-

ции, 7? = 2000 тс/см². Для свай-оболочек, равномерно опираемых на прочную скальную породу, прикрытую слоем неразмываемого грунта толщиной не менее трех диаметров оболочки,

Л=——. (УШ.5)

Для буронабивных свай, свай-оболочек и свай-столбов, заде­ланных в невыветренную скальную породу на глубину не менее 0, 5 м,

д=-^-(4- + ¹4 (Утл)

Здесь Я" _ж — нормативное значение временного сопротивления скальной породы в водонасыщенном состоянии на одноосное сжатие, тс/м²; /с_г — коэффициент запаса по грунту, равный 1, 4; Аз — глубина заделки, м; из — диаметр заделанной части сваи, м.

Формула (УШ.6) основана на экспериментальных исследова­ниях.

При других грунтовых условиях — сильно трещиноватой или вы-ветрелой породы, породы с прослойками нескальных грунтов и прочих — нормативное сопротивление ^ сие определяют штамповы-ми испытаниями грунтов или испытаниями опытных свай статиче­ской нагрузкой.

Несущая способность забивных висячих свай (свай, по­груженных в-сжимаемые грунты) толщиной не более 0, 8 м на осе­вую вдавливающую нагрузку

Ф = т(т_н ЯГ+ 11% яу |1|), (VIII. 7)

где т — коэффициент условия работы, принимаемый равным I;

Н — расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи

(табл. УШ.1), тс/м²; Г — площадь поперечного сечения сваи (по наружному контуру), а при

камуфлетном уширении площади поперечного сечения уширеиия по

его наибольшему диаметру, м²; и — наружный периметр поперечного сечения сваи, м; /ч — расчетное сопротивление 1-го слоя грунта по боковой поверхности

сваи (табл. УШ.2), тс/м²; и — толщина 1-го слоя грунта, м; Ив, Ш{ — коэффициенты условия работы грунта соответственно под нижним

концом и по боковой поверхности сваи (табл. УШ.З).

Коэффициенты условия работы т_г и т/ учитывают независимо друг от друга и перемножают. Так, например, для полой сваи с диаметром полости более 40 см, погруженной в суглинки вибропо­гружателем;

^=0, 8-0, 7=0, 56;

«/=0, 9- 1 = 0, 9. 236

Таблица УШ.1

Примечания. I. Для значений К, указанных дробью, числитель относится к пес­кам, знаменатель к глинам.

2. Для плотных песчаных грунтов, плотность которых определена статическим зонди­рованием, значение К для свай, погруженных без подмыва или лидерных скважин, увели­чиваете» в 2 раза, а при отсутствии зондирования в 1, 6 раза, но не более чем до 2000 тс/м^! .

Глубину расположения нижнего конца сваи для определения -К {см. табл. VIII.1) и глубину расположения середины 1-го слоя грун­та для определения /_г- (см. табл. \^111.2) принимают от дна водо­тока после общего размыва при расчетном паводке, а на сухой ме­стности (суходолах и пр.) от уровня природного рельефа, если срезка, подсыпка или намыв территории не превышают 3 м (рис. VIП.З, а); если же срезка, подсыпка или намыв составляют от 3 до Юм, то принимают от условного уровня, расположенного соот­ветственно на 3 м выше уровня срезки или на 3 м ниже уровня под­сыпки (рис. УШ.З, б).

Таблица УШ.2

Песчаные грунты средней плотности

Расчетное сопротивление /- на боковой поверхности свай и свай-оболочек тс/ь

Примечание. Расчетные сопротивления \^ для плотных песчаных грунтов нужно увеличивать на 30%-

Сопротивление /* находят для середин однородных слоев грунта толщиной не более 2 м и суммируют по всей толщине грунтов, прой­денных сваей.

Если в пределах погружения сваи имеются слои торфа толщи­ной более 0, 3 м и возможна подсыпка территории или иная ее загрузка, то значения /* для грунтов, расположенных выше подош­вы наинизшего слоя торфа, принимают: при подсыпке до 2 м — для грунтов подсыпки и торфа равными нулю, а для минеральных пла­стов природного грунта — положительным значениям по табл. УШ.2; при подсыпках от 2 до 5 м — для минеральных пластов при­родного грунта и подсыпки значениям по табл. VIII.2 с коэффици­ентом минус 0, 4 тс/м², а для торфа — минус 0, 5 тс/м²; при подсып­ках более 5 м для минеральных пластов природного грунта и под­сыпки— по табл. УШ.2 со знаком минус, а для торфа — минус 0, 5 тс/м².

Несущую способность буровых свай (набивных и буро-опускных) и свай-оболочек, опирающихся на сжи­маемые грунты, определяют с учетом'некоторого разуплотне­ния грунтов, так как их изготавливают с удалением грунта из сква­жины или полостей оболочек. Несущую способность таких свай тоже находят по формуле (УП1.7), но с следующими значениями входящих в нее величин.

Коэффициент т условия рабо­ты принимают равным 0, 8 при опирании сваи на покровные гли­нистые грунты со степенью влаж­ности С> 0, 85 и на просадочные грунты, а в остальных случаях т=\. Коэффициент условия ра­боты т_н принимают равным 1 во всех случаях, кроме свай с каму­флетным уширением, для которых < я_л=1, 3, и свай с уширенной пя­той, бетонируемой подводным способом, для которых т_л=0, 9.

Рис. УШ.З, Схемы к расчету несу» шей способности сваи по грунту

Примечание. Коэффициенты т^ и т* при вибропогруженни в глинистые грунты консистенции 0, 5> /, > 0 определяются интерполяцией.

Таблица УШ.4

Коэффициент условия работы т^ принимают по табл. УШ.4. Площадь Р опирания сваи принимают равной: для свай-столбов и свай без уширения нижнего конца — площади поперечного сече­ния сваи; для свай с уширением (пятой) — площади поперечного сечения уширения по его наибольшему диаметру; для свай-оболо­чек, заполненных бетоном, — площади поперечного сечения оболоч­ки (по наружному контуру); для свай-оболочек с грунтовым ядром без бетонного заполнения полости оболочки — площади поперечно­го сечения стенок.

Периметр и принимают равным периметру скважины, обсадной трубы или сваи-оболочки. Расчетное сопротивление /; принимают по табл. УШ.2; при этом для столбов с уширенной пятой сопротив­ление и в несвязных грунтах учитывают только на участке от верха столба до уровня пересече­ния поверхности столба с поверхностью вообра» жаемого конуса, построенного на уширении как на диаметре с образующей наклонной к оси стол­ба под углом 0, 5 < р1, где ф1 — среднеарифметиче­ское расчетное (по первому предельному состоя» нию) значение угла внутреннего трения грунтов, залегающих в пределах конуса (рис. УШ.4). В связных грунтах сопротивление и учитывают по всей длине столба.

Расчетное сопротивление К грунта в основа­нии бурового (набивного и буроопускного) стол­ба без уширения или с уширением и сваи-обо­лочки, погруженной с удалением грунта из ее полости и последующим заполнением нижней части полости бетоном на высоту не менее трех ее диаметров, принимают равным следующим ве­личинам:

при опирании на крупнообломочные грунты с
песчаным заполнением и на песчаные грунты бу­
хучету бокового рового столба и оболочки, погруженной с удале-
сопротивления нием грунта до ее ножа,

свай (столбов) с _& . _й/₊ ^ [(УШ.8а>

уширенной пятой " " > ^'г«1^млкт»11» _к; *»л '

а в случае оболочки, погруженной с сохранением внизу ненарушем ного ядра грунта высотой не менее 0, 5 м,

К = р (V; аА°_к + а_У1кВ°_к), (VIII. 86)

где а, р, А_к и В_к — безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. УШ.5 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения ({)1 грунта основания; VI — расчетный объемный вес грунта основания с учетом взве­шивания в воде, тс/м²; VI—осредненный по слоям расчетный вес грунтов, располо­женных выше нижнего конца столба (его уширения) или оболочки, тс/м³; й — диаметр столба или его уширения, м;

И — глубина заложения нижнего конца столба или его уши­рения, считая от природного рельефа или отметки срез­ки, а в русле рек—от дна с учетом его общего размыва при расчетном паводке, м. Формулы (УШ.8) исходят из предельного состояния несвязных грунтов, нагруженных равномерно вертикальной нагрузкой.

При опирании буронабивной или буроопускной сваи с ушире­нием и без уширения, а также сваи-оболочки с заполненной поло­стью бетоном на глинистые грунты расчетное сопротивление при-

Таблица УШ.5

Примечание. Для промежуточных значений < р,, Н\й и й коэффициенты определя­ют по интерполяции.

Таблица УШ.6

нимается по табл. УШ.6. Для фундаментов опор мостов приведен­ные в табл. УШ.6 значения Я повышают на 1, 5-уту^в (где Н_в — тол­щина слоя воды от меженного уровня до уровня размыва при рас­четном паводке, м) и умножают на коэффициент т_е=0, 6 при по­ристости грунта е=1, 1 и на т_в=1, 0 при пористости е^0, 6 (при промежуточных значениях е коэффициент т_в находят по интерпо­ляции).

Если сваю-оболочку не заполняют бетоном, но сохраняют грун­товое ядро высотой не менее 0, 5 м, то при всех грунтах ее прирав­нивают свае толщиной не более 0, 8 м и расчетное сопротивление./? принимают по табл. VIII.1 с учетом коэффициента условия рабо­ты по табл. УШ.З (как для вибропогружения).

Формулы (УШ.8) применимы в тех случаях, когда нижние кон­цы свай или их уширения заглублены в грунт, принятый за осно­вание на глубину не менее диаме