Главная страница >>  Специальные сваи >> Сваи железобетонные. Конструкция свай с уширеной опорой

Сваи железобетонные. Конструкция свай с уширеной опорой

В настоящее время в нашей стране применяются преимущественно забивные сваи. Поэтому весьма актуальной является задача повышения их несу­щей способности. Эта цель может быть достигнута увеличением опорной площади сваи, по которой передается давление на ос­нование.

Возможны различные конструктивные решения этой задачи. Одним из решений является устройство уширения на конце железобетонной сваи при ее изготовлении. Уширение пяты может быть выполнено с четырех или двух сторон, что удобнее в смысле технологии  изготовления  свай. Однако забивка такой  сваи приводит к снижению сил трения грунта на боковой поверхности ствола.  Поэтому такой прием может быть рекомендован только в том случае, когда свая прорезает значи­тельную толщу слабых грунтов, которые не обеспечивают ее работы на трение или догружают силами отрицательного трения, проявляющимися на боковой поверхности, если деформации в окружающем грунте еще не стабилизировались. Следует также отметить, что забить сваю с уширением на конце значительно труднее, чем гладкую.

Другое решение задачи - это увеличение опорной площади сваи после ее погружения в грунт, достигаемое механическим способом. В качестве приме­ра можно сослаться на призматическую, предваритель­но напряженную полую же­лезобетонную сваю Ж. Рузена (Бельгия). Она снаб­жена четырьмя внутренними металлическими «шпорами», находящимися при забивке сваи в вертикальном поло­жении, выдвигающимися на требуемой глубине с помо­щью нескольких ударов по специальному механическо­му устройству в виде сердеч­ника, помещенному в поло­сти сваи. Увеличение площа­ди опирания при выдвигании «шпор» ограничивается внут­ренними размерами сваи.

Резюмируя обзор иност­ранных патентов в части забивных свай с расширителем, В. Г Гмошинский приходит к выводу, что «эти интересные предло­жения еще не получили достаточно надежных конструктивных решений».

На рис. 27, а показана забивная свая с расширителями, запа­тентованная во Франции, а на рис. 27, б - аналогичная кон­струкция сваи с «крыльями», предложенная в СССР.

«Крылья» прижаты к боковой поверхности сваи и связаны проволочным предохранителем После того, как свая погружена на требуемую глубину, натягивают трос со срезной планкой и та срезает предохранитель. При дальнейшем погружении сваи «крылья», встречая сопротивление грунта, находящегося между их плоскостями и острием сваи, раскрываются. Однако из-за неоднородностей основания, а также из-за неизбежных ,в про­изводственных условиях погрешностей: небольшого перекоса сваи при забивке, неточного крепления «крыльев» к свае, разной силы трения в шарнирах  - одно «крыло» всегда будет раскры­ваться быстрее другого. Чтобы полностью раскрыть и другое «крыло», потребуется дополнительно погрузить сваю на 20- 30 см, а такому погружению будет мешать ранее раскрывшееся

 Сваи с «крыльями
Рис. 27  Сваи с «крыльями:
а - схема раскрывания «крыльев», разработанная во Франции, б - то же, по предложению Ю Г Чернышова, 1- свая, 2 - упор; 3 - шарнир, 4 - тяга, 5 - «крыло», 6 - затяжка предохранитель

«крыло». В песках дополнительное погружение вообще исключа­ется, а в мягких илистых грунтах из-за внецентренного прило­жения реакции грунта при добивке сваи может произойти по­ломка ее ствола.

Кроме    того,    отсутствует    надежный    контроль    раскрытия «крыльев».

Забивная полая свая с раскрывающимся наконечником

Рис. 28 Забивная полая свая с раскрывающимся наконечником
а - свая, забитая в грунт на требуемую глубину, б - свая, приподнятая для начального раскрытия наконечника, в - свая с полностью раскрытым наконечником, 1 - полая свая, 2 - рычажно шарнирное устройство, 3 - опорная рамка, 4 - неподвижный шарнир, 5 - лопасти наконечника, 6 - упоры

При раскрытом наконечнике площадь опирания сваи на основание увеличивается в 4 раза и более, благодаря чему в 2,5-4 раза (в зависимости от условий применения) воз­растает ее несущая способность. Конструкция показана на рис. 28. К опорной стальной рамке, обрамляющей нижний то­рец сваи, шарнирно прикреплены раздвижные металлические лопасти, используемые в качестве наконечника при погружении сваи в грунт. Эти лопасти выполнены в виде Г-образных эле­ментов, усиленных ребрами жесткости (обращенными в сторо­ну грунта), причем горизонтальные полки лопастей присоедине­ны к опорной рамке с помощью неподвижных шарниров, распо­ложенных на небольшом расстоянии от наружной грани сваи.

Лопасти раздвигает шарнирно-рычажное устройство, цент­ральный шарнир которого расположен в полости сваи и может перемещаться вдоль ее оси в направляющих, обеспечивающих одновременное симметричное раскрытие обеих лопастей нако­нечника. Размеры элементов   шарнирно-рычажного   устройства принимают такими, чтобы после раскрытия лопастей рычаги вы­тянулись в одну горизонтальную линию. Тогда они могут рабо­тать на растяжение или сжатие в зависимости от того, как бу­дет работать свая на продольную сжимающую или выдергива­ющую нагрузку.

Для обеспечения раскрытия наконечника сваи в грунте необ­ходимо придерживаться определенной последовательности опе­раций. Полую сваю при сомкнутом положении лопастей нако­нечника погружают в грунт на требуемую глубину одним из известных способов. Затем сваю поднимают на величину, рав­ную высоте наконечника (60-70 см), и к центральному шарни­ру посредством вставленной в полость сваи инвентарной штанги прикладывают усилие для начального раскрытия лопастей. По­том производят дальнейшее погружение сваи на глубину около 1 м, при котором происходит полное раскрытие лопастей нако­нечника, контролируемое измерением расстояния, на которое опустился центральный шарнир (приблизительно 200 мм).

Чтобы создать более плотное основание под стволом сваи при ее работе на сжатие и предохранить от продольного изгиба шар­нирно-рычажное устройство при работе сваи на выдергивание, в полость, образующуюся в грунте между раскрытыми лопастями наконечника, нагнетают цементный раствор.

Цементный раствор одновременно обеспечивает защиту от коррозии элементов металлического наконечника. Хорошим средством предохранения от коррозии стального наконечника является обмазка его тонким слоем (около 0,3 мм) эпоксидной смолы.

Испытания железобетонных свай с уширеной опорой

Испытания показали, что при погружении в грунт затвердев­ший слой эпоксидной смолы не повреждается.

Были проведены натурные сравнительные испытания обычных и трех железобетонных полых свай сечением 35x35 см с раскры­тым наконечником. Сваи были погружены в супесь пластичной консистенции на глубину около 8 м с помощью вибропогружате­ля ВВПС-20/11. Площадь опорной пяты сваи при раскрытых лопастях наконечника составила 0,35х1,40 = 0,5 м2.

Усилие на сваи передавалось с помощью 200-тонных гидравли­ческих домкратов. При нагрузке 200 т на каждую сваю нового типа ни одна из них не достигла предельного состояния.

Кривые зависимости осадок свай от приложенной нагрузки показывают, что сваи с раскрытым наконечником не да­ют «срыва», наблюдаемого при испытании статической нагруз­кой обычных свай. Следовательно, новые сваи можно рассчиты­вать по деформациям основания как фундаменты глубокого заложения. При этом необходимо учитывать дополнительную осадку, вызванную влиянием каждой соседней сваи, которая по предварительным данным примерно вдвое превышает дополни­тельную осадку, вычисленную согласно рекомендациям СНиП II-Б. 1-62, и при расстоянии между осями 4d (1,4 м) состав­ляет около 20%.

Было проведено испытание   фундамен­та, состоящего из трех свай с раскрытым наконечником, и желе­зобетонного ростверка над ними площадью 2 м2. Раскрытые наконечники свай были  размещены   «треугольником»    (рис.   30).  Такая компоновка свай была принята на основании предварительных лабораторных испытаний на

Свайный фунда­мент из трех свай, разме­щенных «треугольником»

Рис. 30 Свайный фунда­мент из трех свай, разме­щенных «треугольником»
1 - свая с раскрытым наконечником, 2 - железобетонный ростверк.

моделях в масштабе 1 : 20 и 1 : 10, которые показали, что размещение «треугольником» при равной осадке обеспечивает наибольшую несущую способность свайного фундамента.
Нагрузка на фундамент передавалась посредством 500-тонно­го домкрата, упиравшегося в анкерную конструкцию, состоя­щую из мощных стальных прогонов, скрепленных с 20 анкерными железобе­тонными сваями. После доведения нагрузки до 500 т, когда осадка достигла 25 мм, из-под ростверка под всей его подошвой был выбран грунт. Это вызвало дополнитель­ную осадку, равную 8 мм.

Таким образом, можно считать, что нагрузка передававшаяся на грунт непо­средственно ростверком, составляла при­мерно 20% от ее полной величины, а не­сущая способность сваи в кусте из 3 свай приблизительно такая же, как и у оди­ночной сваи с раскрытым наконечником.

При разработке рабочих чертежей наконечника сваи исполь­зовались данные испытаний стальных наконечников в натураль­ную величину, которые были выполнены в 300-тонном процессе с помощью электротензометрических датчиков, наклеенных на все рабочие элементы.

Испытания свай с раскрытым наконечником в полевых усло­виях показали, что прочность последних значительно превышает расчетную, которая была опреде­лена исходя из допущения о рав­номерном распределении реактив­ного давления грунта по подошве пяты. Это натолкнуло на мысль о том, что изгибающий момент, пе­редаваемый на лопасти наконеч­ника, должен вычисляться с уче­том фактического характера рас­пределения реактивных давлений грунта, благодаря чему можно по­высить расчетную нагрузку на наконечник или облегчить сечения элементов и снизить расход стали. Были проведены соответствующие исследования в лаборатор­ных и в полевых условиях с раскрытым наконечником натуральных размеров. Испытания велись по разработанному автором способу определения напряжений в грунте с помощью вытаски­вания тонких пластинок, предварительно забитых в грунт че­рез прорези в штампе.

Напряжение в отдельных точках на подошве штампа опреде­ляется по усилиям, которые необходимо приложить для вытас­кивания пластинок из грунта (пластинки забивают в грунт на 3-5 см).

В лопастях наконечника имелись 30 прорезей, через которые в песчаный грунт забивались пластинки из нержавеющей стали толщиной около 1 мм Вытягивание пластинок производилось с помощью специального устройства, снабженного динамометром.

По данным каждого опыта строили эпюры напряжений для различных поперечных сечений и вычисляли полный объем эпю­ры напряжений (для всей площади пяты); сравнение этого объема с приложенной нагрузкой позволяло оценить степень погрешности и внести необходимые поправки.

Проведенные многочисленные опыты при давлениях от 1 до 6 кг/см2 подтвердили возможность получения таким способом достоверных данных о характере распределения напряжений, а также его исключительную простоту, благодаря которой много­кратное повторение опытов не представляет затруднений.

В лабораторных условиях раскрытый наконечник укладывался на слой песка в лотке, который    устанавливался   на   плиту 100-тонного пресса, имевшую необходимые габариты.

В полевых условиях наконечник в раскрытом виде укладывал­ся на дно шурфа, отрытого в песчаном грунте, а нагрузка создавалась с помощью гидравлического домкрата.

В результате проведенных опытов было установлено, что по длинной оси раскрытого наконечника при среднем давлении ме­нее 4 кг/см2 форма эпюры седлообразная, а при больших дав­лениях эпюра принимает параболическую форму. В поперечных сечениях при средних давлениях от 1 до 6 кг/см2 эпюры всегда имеют параболическую форму (рис 32).

Проведенные опыты дают основания вести расчет раскрываю­щихся наконечников исходя из параболического характера рас­пределения реактивного давления грунта.

Следует отметить способность свай с раскрывающимся нако­нечником    сопротивляться    выдергивающим   усилиям.    Дело   в том, что при строительстве в районах с глубоким сезонным про­мерзанием при пучинистых грунтах, если морозы наступают до загружения забитых свай весом здания или сооружения, что на практике случается довольно часто, морозное пучение верх­них слоев грунта вызывает подъем свай, при котором нарушается


525                 350               525

Эпюры   распределения   напряжений   под   подошвой   раскрытого наконечника сваи

Рис.32    Эпюры   распределения   напряжений   под   подошвой   раскрытого наконечника сваи

их контакт с основанием. В дальнейшем, при загружении свай полезной нагрузкой, они получают значительную неравномерную осадку, весьма опасную для конструкций зданий и сооружений. Нечто подобное происходит со сваями и в набухающих глинах.

Наличие раскрытого наконечника, обеспечивающего заанкеривание сваи в грунте на значительной глубине, исключает подъем свай даже в том случае, когда нагрузка к фундаменту прикла­дывается спустя длительное время после его устройства.

Наибольший эффект может быть получен от применения свай с раскрывающимся наконечником при строительстве в грунтах, исключающих возможность использования трения на боковой поверхности свай, и тем более, если верхние прорезаемые слои передают на сваи дополнительную нагрузку силами отрицатель­ного трения (болотистый грунт, свежая насыпь и т. п ).

Согласно разработанному НИИ оснований «Руководству по проектированию свайных фундаментов зданий и сооружений, возводимых на просадочных грунтах» в лессовых грунтах могут применяться висячие сваи, неполностью прорезающие толщу лес­са и опирающиеся нижними концами на слабопросадочный грунт.

В таких условиях строительства, когда силы трения грунта на большей части ствола сваи практически не могут учитываться, применение забивных свай с раскрывающимся наконечником не только сулит значительный экономический эффект, но и обеспе­чивает большую чем при обычных сваях с острием на конце ус­тойчивость основания при его замачивании. Благодаря этому создаются более благоприятные условия для широкого примене­ния наиболее индустриальных забивных свай в лессовых грунтах при их неполной прорезке сваями.

Во многих случаях благодаря развитой площади опирания на грунт можно будет сократить глубину забивки свай, что облег­чит их перевозку и забивку. При строительстве в отдаленных и труднодоступных районах страны это имеет существенное зна­чение.

Большая несущая способность свай с раскрывающимся нако­нечником дает возможность намного сократить число свай в кусте, что в свою очередь позволяет примерно вдвое уменьшить площадь ростверка.

При погружении свай с помощью оборудования, которым трудно осуществить частичный подъем забитой сваи для обеспе­чения начального раскрытия ее наконечника, а также при грун­тах, не способных сохранить полость при таком подъеме (напри­мер, в плывунах), забивка новых свай может осуществляться при частично раскрытом наконечнике. Лопасти наконечника удержи­ваются от преждевременного раскрытия с помощью временной стальной затяжки.

После погружения сваи на требуемую глубину, с помощью тросика из затяжки выдергивается штырь, препятствующий рас­крытию лопастей наконечника Затем продолжают забивку сваи с помощью инвентарной штанги, благодаря чему происходит не­которое дополнительное погружение (приблизительно на 1 м) и полное раскрытие лопастей наконечника.

Контроль полного раскрытия наконечника сваи осуществля­ется путем измерения перемещения вниз центрального шарнира рычажно-шарнирной системы, которое при этом составляет око­ло 200 мм.  Перемещение центрального шарнира может изме­ряться с помощью прикрепленной к нему прочной нити или штангой, вставляемой в полость сваи.

С целью более полного использования несущей способности раскрытого наконечника в слабых грунтах и железобетонного ствола сваи был разработан дополнительный вариант конструк­ции наконечника, отличающийся тем, что высота его увеличена до 2 d, а ширина опорной плоскости лопастей превышает тол­щину сваи.

Для облегчения погружения свай с частично раскрытым нако­нечником в трудно пробиваемых грунтах (например, в сухих лессах) можно применять лидирующее бурение на глубину, с которой необходимо начать раскрытие лопастей наконечника. Если для обычных забивных свай устройство лидирующих сква­жин, связанное со снижением сил трения на боковой поверхно­сти, приводит к существенному уменьшению несущей способно­сти, то для новых свай, ввиду большой опорной площади раскры­того наконечника, это не имеет практического значения.

Новые сваи со стволом из стальной трубы можно использо­вать в качестве штампов для испытания деформативных свойств грунтов на большой глубине. К преимуществам таких испыта­ний по сравнению с обычными испытаниями в буровой скважине следует отнести сохранение природной, ненарушенной структу­ры грунта под штампом и его значительную площадь (порядка 0,5 м2 и более), обеспечивающие более достоверные чем обычно результаты.