Свайные фундаменты. История свайного фундаментостроения

Опоры простейшей конструкции из деревянных свай начали применять в глубокой древности для устройства примитивных жи­лищ и мостиков, расположенных на периодически или постоянно затапливаемых территориях. Сваи применяли для деревянных ба­лочных мостов через реки Тибр и Рейн, построенных более двух тысяч лет. В дальнейшем деревянные сваи стали применять для устройства фундаментов деревянных и каменных арочных мостов.

В фундаментах каменных мостов первоначально сваи исполь­зовали для уплотнения грунтов с целью повышения несущей спо­собности оснований; затем - в качестве несущих элементов, пере­дающих нагрузку от плиты фундамента на грунт. Плиту фундаментов, расположенную ниже уровня воды в реке, сооружа­ли под защитой деревянных водонепроницаемых ящиков или деревянного шпунта.

Деревянные сваи для уплотнения основания были применены при строительстве фундаментов моста через р. Луару во Франции в 1753-1764 гг. Забитые сваи срезали ниже уровня воды. На верх­нюю часть (голову) свай каждого фундамента опускали водоне­проницаемый ящик с брусчатым дном, под защитой которого насу­хо возводили каменную кладку опор. Аналогичным способом построены в 1842-1850 гг. свайные фундаменты (рис. 1,а) быв­шего Николаевского моста через р. Неву. Сваи забили на глубину 7,5 м и срезали на 4,3 м выше дна реки.

Свайные фундаменты построенного в 1822-1829 гг. моста че­рез р. Нарву возводили в котлованах, огражденных деревянным шпунтом. Для каждого фундамента (рис. 1,б) забили 72 деревян­ные сваи  в песчано-гравийный грунт на глубину 7,5 м.

До середины прошлого столетия сваи забивали ручными и под­весными молотами простейших конструкций. Первый паровой молот изобрел Д. Несмит (Англия) в 1845 г. Этот молот оди­ночного действия имел ударную часть весом 2 тс, ход поршня 0,41 м, частоту ударов 70-80 в мин. В 1889 г. конструкцию его усовершенствовал русский инженер С. Арциш. В конце XIX в. в США появились паровые молоты двойного действия. Одновремен­но улучшались и конструкции копров. Появление паровых моло­тов, копров и применение с 1852г. подмыва для облегчения по­гружения свай способствовали резкому повышению эффективности сваебойных работ.

По мере совершенствования технологии работ увеличивали размеры свай. Если до середины XIX в. длина деревянных свай редко превышала 20 м, то для фундаментов моста через р. Луару в Нанте, построенного в 1856 г., использовали сваи длиной 30 м, а для построенного в 1907 г. моста через залив в Сан-Франциско применили сваи диаметром 40 см и длиной до 36 м. В отечествен­ном мостостроении применяли составные деревянные сваи длиной до 36 м.

Рис. 1. Фундаменты мостов через реки:
а - Неву; б - Нарву;
1 - кладка  опоры;  2 - деревянный  ростверк;  3 - свая;  4 - деревянный  бездонный  ящик

Развитию свайного фундаментостроения способствовало при­менение с 1897г. железобетонных, а с начала XX в. стальных свай. Железобетонные сваи сплошного сечения начали вытеснять деревянные. Так, для опор построенного в 1927-1929 гг. моста длиной 13,2 км через бухту в Сан-Франциско применили железобе­тонные сваи сечением от 38х38 до 48х62,4 см при длине от 13,5 до 31,5 м.
В дальнейшем сваи сплошного сечения, имеющие большую массу, заменяли более легкими (полыми) квадратного, а позднее трубчатого сечения. Наряду с железобетонными начали широко применять стальные сваи с поперечным сечением разной формы.
Увеличение поперечного сечения и длины свай способствовало изменению конструкций фундаментов. Взамен фундаментов из вертикальных свай с плитой, расположенной в грунте, начали при­менять фундаменты из наклонных свай с плитой над грунтом, Опоры с такими сваями впервые построили в России в 1913г. по проекту Н. М. Герсеванова для углеперегружателя в Петербурге (рис. 2).

Рис. 2.  Опора  углеперегружателя

Каждая из опор (под восемь стальных пролетных строе­ний длиной по 26,5 м) состояла из 16 железобетонных свай сече­нием 32x32 см и длиной 17,5 м при глубине воды 8,5 м. Опоры нормально эксплуатировались более 40 лет и только в 1955 г. их реконструировали.

В 1920 г. немецкая фирма предложила аналогичные опоры для моста длиной 655 м (соединяющего Стокгольм с Лидинго) через пролив глубиной 20 м. В месте сооружения опор на глубине до 40 м залегает галечник, прикрытый слоем пластичных глин. Каж­дая из опор под пролетные строения длиной 49,5 м состоит из двух вертикальных и восьми наклонных свай-оболочек диаметром 93 см со стенкой толщиной 8,5 см и длиной до 45 м (рис. 3). Мост пост­роен в 1922-1923 гг.

Рис. 3. Опора моста у Стокгольма:
1 - пластичные   глины;    2 - галечник;  3 - скальная порода

С первой половины XIX в. наряду с деревянными забивными начали применять винтовые сваи. Винтовые сваи фундамента мая­ка, построенного в 1838 г. в Анг­лии, имели деревянный ствол с чугунным наконечником. В даль­нейшем деревянный ствол свай стали заменять стальным. В се­редине прошлого столетия приме­няли сваи со стволом диаметром от 12,5 до 21 см и винтовой ло­пастью диаметром 30-70 см.

В России винтовые сваи впер­вые применили в конце прошлого столетия для фундаментов мостов на дороге Самтредиа - Поти. Сваи состоят из стальной трубы диаметром 20 см с лопастью диа­метром 100 см.

В Китае с применением винто­вых свай диаметром 35 см и чу­гунной лопастью диаметром 120 см иностранными фирмами в начале XX в. построены опоры моста длиной 3 км через р. Хуан­хе и других мостов.

С началом внедрения бетона в строительство русский инженер Страус в 1899г. предложил прин­ципиально новый тип свай, бето­нируемых в предварительно уст­раиваемых в грунте скважинах. С течением времени сваи этого типа улучшали и к настоящему времени известно много конструк­ций и методов устройства свай в грунте. Коренным усовершенство­ванием явились буровые сваи с уширенным основанием, соору­жаемые оборудованием враща­тельного действия, предложен­ным в 1950 г. проф. Е. Л. Хлеб­никовым.

С 1956 г. в отечественном и зарубежном мостостроении нача­ли широко применять фундамен­ты из сборных железобетонных свай-оболочек.
Анализируя развитие отечественной и зарубежной техники фундаментостроения, можно видеть, что успех в отработке и внед­рении более совершенных и экономичных конструкций во мно­гом зависит от эффективности применяемого технологического оборудования по изготовлению и заглублению несущих элементов в грунт. Применение паровоздушных молотов взамен ручных и подвесных значительно повысило производительность труда и обеспечило возможность применения тяжелых свай большой дли­ны и сечения, в том числе железобетонных и стальных. Создание грунторазрабатывающего и, в первую очередь, бурового оборудования способствовало внедрению буровых свай. За разработкой в СССР (впервые в мире) мощных вибропогружателей последо­вало широкое внедрение сборных железобетонных оболочек боль­шого диаметра.

В последнее десятилетие наблюдается стремление к увеличе­нию сечения и длины применяемых свай и непосредственно связанная с этим тенденция к созданию более мощного сваепогружающего оборудования. Так, за рубежом выпускают сваебойные молоты с энергией удара до 50 тс-м и в процессе отработки нахо­дятся более мощные молоты. В СССР выпускают самые мощные вибропогружатели с возмущающей силой до 500 тс-м, способные заглублять в грунт колодцы-оболочки диаметром до 6 м, которые применяют для фундаментов опор мостов.
Известно, что в общем комплексе работ по сооружению мостов возведение фундаментов до сих пор остается трудоемким, дли­тельным и дорогостоящим процессом, на который приходится 30-60% затрат труда и стоимости мостов. Сложность строитель­ства фундаментов мостов оценивается не только экономическими показателями. Имеется ряд специфических трудностей, свойст­венных фундаментостроению: большая разница в прочностных свойствах материалов фундаментов и грунтов основания (за ис­ключением скальных) осложняет выбор оптимальной конструкции в каждом конкретном случае проектирования фундаментов; из-за сложностей и связанных с этим погрешностей в проведении инже­нерно-геологических исследований и в оценке полученных резуль­татов в ряде случаев приходится вносить коррективы в проекты фундаментов в процессе их возведения; необходимость прекраще­ния работ по сооружению фундаментов русловых опор мостов на период ледохода, а также необходимость осуществления мер по защите возводимых фундаментов и вспомогательных временных сооружений от воздействия ледохода и паводка; опасные и вред­ные для здоровья условия работы в кессонах; вследствие многооб­разия геологических условий затрудняется внедрение типовых конструкций для больших и внеклассных мостов.

Свайные фундаменты мостов

В настоящее время  свайные фундаменты мостов раз­ных типов полностью заменили ранее широко применявшиеся кессонные фундаменты.

Свайные фундаменты по сравнению с кессонными имеют су­щественные преимущества: более высокую степень использования прочностных свойств материалов и как следствие этого уменьше­ние их расхода; сокращение ручного труда за счет механизации изготовления свай и разработки грунтов; применение метода бу­рения скальных пород вместо разработки отбойными молотками в кессонах; выполнение всех основных работ механизмами с по­верхности воды или грунта; заложение фундаментов на глубины, превышающие технические возможности кессонного способа про­изводства работ; применение однотипных механизмов и техноло­гической оснастки для свайных фундаментов разных типов.

Фундаменты из свай, свай-оболочек и свай-столбов имеют свои области рационального применения. Поэтому целесообразность фундаментов каждого типа в конкретных местных условиях опреде­ляют в результате технико-экономического сопоставления воз­можных решений при обязательном учете особенностей гидрогеологических условий, а также реальных возможностей в части обеспечения необходимым технологическим оборудованием. Например, при выборе типа фундаментов моста через озеро Маракайбо в результате экономического анализа пришли к выво­ду, что на этом объекте фундаменты из оболочек, погруженных в предварительно пробуренные скважины, выгоднее фундаментов  из забивных свай в случае, если оболочка будет воспринимать нагрузку 600 тс и более. При нагрузках на элемент 200-300 тс выгоднее применять фундаменты из забивных свай.

Анализ конструкций построенных мостов и выполненные иссле­дования показывают, что фундаменты из свай, оболочек и столбов, несмотря на более высокие экономические показатели по сравне­нию с фундаментами из опускных колодцев, кессонов, а также мас­сивных мелкого заложения, имеют резервы существенного сниже­ния материалоемкости и повышения производительности труда за счет дальнейшего совершенствования их конструкций, норм рас­чета, технологии производства работ и применяемого обору­дования.
Значительное сокращение расхода бетона обеспечивается при­менением наклонно расположенных столбов с уширенной пятой или полых оболочек без бетонного заполнителя.

Существенное снижение стоимости фундаментов достигается применением бурообсадных столбов комбинированной конструкции, состоящей из бурового столба с уширенной пятой, верхняя часть которого в пределах воздействия воды и размываемых грунтов защищена железобетонной оболочкой из бетона повышенной проч­ности.

Сокращению расхода бетона за счет более полного использова­ния его прочностных свойств способствует повышение несущей способности оболочек и столбов по грунту. Однако проектные орга­низации еще недостаточно оснащены оборудованием, необходимым для более правильного определения фактических физико-механиче­ских свойств грунтов непосредственно в местах их естественного за­легания, что пока не позволяет полностью использовать несущую способность грунтовых оснований.

Дополнительные резервы сокращения материалоемкости фунда­ментов могут быть реализованы после проведения комплекса ис­следований, направленных на разработку расчета грунтовых осно­ваний мостов по предельным деформациям. В такие исследования должно быть включено более подробное изучение вопросов несу­щей способности оснований из связных грунтов, показано влияние способов производства работ и особенностей конструкции фунда­ментов на несущую способность песчаных и глинистых грунтов, а также на отработку надежных методов контроля качества подзем­ных работ и особенно работ, связанных с бурением скважин в раз­ных грунтах и подводной укладкой в них бетонной смеси.

Значительные резервы повышения производительности труда и снижения стоимости строительства фундаментов мостов могут быть использованы в результате отработки и широкого внедрения более эффективного технологического оборудования, в том числе: мобиль­ных копров разных типов; более совершенных конструкций направ­ляющих стрел, навешиваемых на краны грузоподъемностью 25-50 т и более; дизель-молотов с ударной частью весом 5 и 7,5 тс; вибропогружателей с автоматическим регулированием режима их работы; станков для бурения вертикальных и наклонных сква­жин диаметром от 1 до 3 м и уширенных полостей диаметром от 2 до 8 м; инвентарных направляющих каркасов и ограждений кот­лованов.

Следует отметить, что повышению экономической эффективно­сти наряду с перечисленными факторами будет также способство­вать разработка типовых проектов фундаментов, при наличии ко­торых устраняется большое разнообразие форм и размеров фунда­ментов средних и больших мостов для одинаковых местных условий, что облегчит создание и применение инвентарной технологической оснастки, в том числе направляющих устройств, ограждений кот­лованов, плавучих средств.

Кроме того, упростится заводское изготовление элементов, что в конечном счете приведет к повышению качества конструкций и росту производительности труда.

Наряду с совершенствованием фундаментов больших мостов особое внимание приходится уделять вопросам отработки конструк­ций, технологического оборудования и методов строительства фун­даментов малых и средних мостов, путепроводов и эстакад в раз­ных районах страны и в первую очередь в районах северной строи­тельно-климатической зоны. Объясняется это тем, что перечислен­ные сооружения составляют подавляющее большинство мостов, как по их количеству, так и по объемам работ, связанных со строитель­ством фундаментов.

Поскольку такие сооружения рассредоточены вдоль строящих­ся дорог и на каждом из них из-за небольших объемов работ неце­лесообразно организовывать бетонное хозяйство, то фундаменты возводят, как правило, из свай, столбов и оболочек, которые широ­ко применяют для фундаментов больших мостов.