Сваи железобетонные. Конструкция свай с уширеной опоройВ 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
«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». Рис. 28 Забивная полая свая с раскрывающимся наконечником 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 опоройИспытания 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 Рис. 30 Свайный фундамент из трех свай, размещенных «треугольником» моделях в масштабе 1 : 20 и 1 : 10, которые показали, что размещение «треугольником» при равной осадке обеспечивает наибольшую несущую способность свайного фундамента. 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
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. |
Главная страница >> Специальные сваи >> Сваи железобетонные. Конструкция свай с уширеной опорой