Главная страница >>  Свайные фундаменты >> Сваи и оболочки. Виды и особенности их применения

Сваи и оболочки. Виды и особенности их применения

 

Сваи и оболочки наиболее распространены в фундаментах зда­ний и сооружений разного назначения. К погружаемым относятся все виды деревянных, стальных и заранее изготовленных железо­бетонных свай, заглубляемых в грунт разными способами.

 

Деревянные сваи. Особенности изготовления и применения деревянных свай

 

Деревянные сваи широко применяют для фундаментов времен­ных сооружений, в том  числе   мостов на автомобильных   дорогах местного значения, а также подмостей разных типов. Для фунда­ментов капитальных сооружений деревянные сваи применяют в удаленных от транспортных магистралей лесных районах, а. также иногда в местах наличия среды, агрессивной по отношению к бето­ну или металлу. Деревянные сваи просты в изготовлении, имеют небольшую массу, что упрощает их транспортирование к месту ра­бот и погружение в грунт.
До начала широкого внедрения стальных и железобетонных свай применяли деревянные сваи диаметром до 34 см и длиной до 30 м, а пакетные - длиной до 40 м. В СССР деревянные сваи при­меняли при строительстве фундаментов капитальных мостов в до­военный период, а также в первые послевоенные годы. Во время Великой Отечественной войны почти все разрушенные мосты вре­менно восстанавливали с широким применением деревянных свай как одиночных, так и пакетных.

Наращивают деревянные сваи, используя отрезки стальных труб, болтовые накладки или железобетонные обоймы.

Сваи изготовляют преимущественно из сосны, реже ели и лист­венницы, а также пихты, кедра и дуба. Применяют древесину зим­ней рубки как более прочную. Влажность древесины свай не огра­ничивается.

Для одиночных свай используют бревна со сбегом (коничностью) не более 1 см на 1 пог. м; кривизна бревен допускается толь­ко односторонняя, не более 1 %. Бревна очищают от коры, сучьев и наростов. Естественную коничность сохраняют, если она не препят­ствует погружению свай; в противном случае, например для воз­можности погружения свай сквозь ячейки направляющего каркаса, бревна цилиндруют.

Деревянные одиночные сваи и их детали
Рис. 1.1. Деревянные одиночные сваи и их детали:
1 - свая;  2 - предохранительный диск;   В - штырь;   4 - заостренный   конец   (острие)    сваи; 5 - бугель;   6 - башмак;   7 - накладка;    8 - шурупы;    9 - стык;    10 - патрубок;    11 - хомут;
12 - болт

Диаметр одиночных свай в тонком конце — не менее 18 см, дли­на свай — от 4,5 до 8,5 м. Более длинные сваи заготовляют по осо­бому заказу.

Для облегчения погружения нижний конец сваи заостряют, при­давая ему форму трех- или четырехгранной пирамиды (рис. 1.1, а, б). Длину заострения принимают в зависимости от плот­ности грунтов, равной 1,5—2 диаметрам сваи. Во избежание смя­тия нижний конец сваи (острие) притупляют. Если сваи погружают в грунты с твердыми включениями, острие закрывают стальным сварным башмаком. Чтобы предотвратить возможность отклонения от заданного направления погружаемой сваи, ее острие должно совпадать с продольной осью, а грани составлять одинаковые углы наклона к оси.

Если сваи забивают подвесным или одиночного действия моло­том, для предотвращения от размочаливания на верхний конец (голову) сваи надевают предохранительный диск или бугель из полосовой стали (рис. 1.1, а, б). Во всех случаях использования молотов двойного действия и дизель-молотов диски и бугели не применяют, поскольку конструкция шаботов этих молотов предот­вращает возможность размочаливания голов свай.

При отсутствии длинномерного лесоматериала бревна наращи­вают, допуская не более одного стыка по длине сваи. В месте сты­ка диаметры бревен должны быть одинаковыми и не менее 20 см. Стыкуют в торец, ставя по оси бревен штырь и перекрывая стык четырьмя стальными полосовыми или уголковыми накладками (рис. 1.1, в), или используют отрезок трубы (патрубок) той же длины (рис. 1.1, г). Накладки или патрубок крепят болтами диа­метром 19-25 мм или шурупами. Иногда применяют стык вполде-рева на двух хомутах (рис. 1.1, д). Стыки следует располагать так, чтобы они после забивки свай находились на глубине не менее 2 м от поверхности грунта, а стыки смежных свай были в разных уров­нях на взаимном расстоянии по высоте не менее 0,75 м.

Пакетные сваи (рис. 1.2) длиной до 25 м изготовляют из трех или четырех бревен (или брусьев), соединенных между собой бол­тами диаметром 19-25 мм, которые размещают на взаимных рас­стояниях 0,5-1,0 м. Вблизи головы и острия сваи расстояния меж­ду болтами уменьшают до 0,1-0,3 м. Стыки перекрывают стальны­ми накладками и располагают вразбежку на расстоянии не менее 1,5 м и не менее шести диаметров бревен. Заострение пакетной сваи делают общим на все бревна, усиляя его в случае необходимости стальным башмаком.
Для возможности забивки свай через направляющие каркасы стыковые накладки и головки болтов располагают вровень с боко­вой поверхностью сваи.

Недостатками деревянных свай являются ограниченная длина, трудность погружения в плотные грунты, способность к загнива­нию, возможность повреждения насекомыми.

В случаях использования деревянных свай для свайно-эстакадных мостов принимают меры по предотвращению загнивания древесины.      Гниение      вызывается грибками, которые размножаются во   влажной   древесине   (в   зоне переменного горизонта воды или вблизи  поверхности  грунта) при температуре от 15 до 28° С в усло­виях свободного доступа кислоро­да. В плотных грунтах на глуби­не более 1,5 м от их поверхности воздуха не хватает для развития грибков. С понижением темпера­туры грибки снижают, а при тем­пературе   замерзания   воды пре­кращают   активность.   Но   споры грибков  сохраняют жизнеспособ­ность в течение нескольких лет и могут  начать   развиваться,   если условия улучшатся.

Хорошо сохраняются части свай, длительное время находя­щиеся постоянно под водой или в воздушной среде.

Чтобы предотвратить возмож­ность гниения, верх свай в кон­струкции фундаментов с заглуб­ленной в грунт плитой срезают на 0,5 м ниже самого низкого уровня грунтовых или поверхно­стных вод. Однако при назначе­нии отметки срезки деревянных свай приходится учитывать, что сведения о колебаниях грунтовых вод значительно менее точны по сравнению с данными об измене­нии поверхностных  вод. Уровень
грунтовых вод может резко изменяться в период дождей и засух, условий стока и других факторов. При строительстве в городах фундаментов из деревянных свай необходимо также учитывать понижение уровня воды вследствие использования грунтовых вод для водоснабжения и других целей.

Сваи, длительное время расположенные в зоне переменного ув­лажнения, защищают от загнивания, пропитав древесину креозо­том или специальными растворами. Кроме того, могут быть исполь­зованы полимерные покрытия.

 

Деревянные    пакетные сваи
Рис. 1.2.    Деревянные    пакетные сваи:
а - из трех бревен; б - из четырех бре­вен;   в - из   четырех   брусьев;    г - из
склеенных досок:
1 - бугель;    2 - бревно;    3 - болт;   4 -
накладка; 5 - башмак

Стальные сваи

 

Стальные сваи применяют преимущественно в сложных геоло­гических условиях, когда непосредственное заглубление железо­бетонных свай невозможно, например в галечно-валунные отложе­ния, в грунты, имеющие твердые включения в виде валунов, заиленных предметов и т. п. Такие сваи используют также для усиления фундаментов, поскольку значительно упрощается их нара­щивание по мере заглубления в грунт.

Типы поперечных сечений стальных свай

Рис. 1.3. Типы поперечных сечений стальных свай

Стальные сваи замкнутого поперечного сечения (рис. 1.3, а)по­гружают с выемкой грунта и затем заполняют бетонной смесью или погружают без выемки грунта из их полости. Для устройства таких свай используют стальные трубы, а также элементы, сваренные из двух двутавров или двух швеллеров. В виде исключения для этих целей применяют стальной шпунт. Нижний конец сваи оставляют открытым или закрывают наконечником. Сваи, погружаемые без выемки грунта (рис. 1,3, б), изготовляют из широкополых двутав­ров или элементов, составленных из двутавров, равнобоких уголков, сваренных подошвами или головками рельсов. Кроме приведенных, применяют также элементы других сечений.

В СССР стальные трубчатые сваи применяли при строительст­ве мостов через реки Волгу, Лиелупе, Южный Буг, Днепр и другие примерно до 1957 г. В качестве свай использовали трубы диамет­ром от 30 до 100 см длиной до 40 м, погруженные как вертикально, так и с наклоном до 4:1. Трубы погружали с закрытым концом, затем заполняли бетонной смесью. В отдельных случаях устраива­ли камуфлетные уширения диаметром до 1,3 м. Расчетная нагруз­ка на сваю в зависимости от диаметра и грунтовых условий изме­нялась от 40 до 180 тс.

После 1957 г. в связи с начатым широким внедрением железо­бетонных полых и сплошного сечения свай стальные сваи использо­вали крайне редко.

В зарубежной практике стальные сваи применяли и продолжа­ют применять в значительно большем объеме. В Англии для свай производят стальные трубы диаметром от 25 до 71 см при толщи­не стен от 3 до 9,5 мм, широкополые двутавры высотой от 20 до 36 см, а также многогранные сварные трубчатые элементы диамет­ром описанной  окружности  45-75 см. В США  в   качестве  свай широко используют трубы диаметром от 20 до 90 см при толщине стен от 2 до 15 мм и широкополые двутавры высотой до З6 см.

Сваи из двутавров заводы США поставляют длиной от 12 до 42 м. При наращивании длины свай достигают 90 м и более. Такие сваи применяют в грунтах с твердыми включениями и для опирания на галечно-валунные отложения и скальные породы. Вследст­вие небольшой площади поперечного сечения двутавры можно по­грузить на значительную глубину в любые грунты без подмыва или устройства лидерных скважин. Их погружают в плотные грунты на близком расстоянии, что способствует уменьшению размеров плиты. Удавалось забить такие сваи на 3-4 м в мергели и доломиты; на 5-7 м в сцементированный песок и гравий и на 2-2,5 м в сланец.

Расчетные нагрузки на широкополые двутавры - от 40 до 200 тс иногда до 450 тс. Если сваи заглублены в малосжимаемые (плотные) грунты, то в расчетах несущей способности по трению учитывают величину объемлющего периметра сечения свай. Объяс­няется это тем, что плотные несвязные грунты, полутвердые и твердые глины заклиниваются между полками двутавра и сдвиг происходит не по контакту с металлом, а по поверхности наименьшего сопротивления.

Допускаемое напряжение сжатия на металл двутавровых свай, опертых на скальную породу, в США принимают 630 кгс/см2.

Если необходимо увеличить поперечную жесткость двутавровых свай, к полкам приваривают листы, а две образовавшиеся при этом полости заполняют бетоном.

Стальные трубы диаметром до 0,8 м, если позволяют грунтовые условия, погружают с закрытым стальным или железобетонным на­конечником. В Англии, например, взамен таких наконечников к нижнему концу тонкостенной трубы со стенкой толщиной 6-8 мм приваривают диск из листовой стали толщиной 10-12 мм. Затем в полость трубы засыпают влажную бетонную смесь на высоту, равную двум диаметрам трубы. Установив трубу в проектное поло­жение (в направляющем каркасе или на стреле копра) погружают ее подвесным молотом, перемещающимся в полости трубы. Молот представляет стальную отливку, диаметр которой на 3-4 см мень­ше внутреннего диаметра погружаемых труб, а длина в 6-8 раз превышает диаметр. Подъем и сбрасывание молота с высоты 2- 3 м производят краном, осуществляющим установку труб и подачу бетонной смеси в их полость после заглубления труб до проектной отметки.

Образующаяся от воздействия ударов молота пробка из бетон­ной смеси заклинивается силами трения в нижней части трубы, спо­собствуя втягиванию ее в грунт.

Трубы диаметром 0,8 м и более погружают преимущественно с открытым нижим концом, на который наваривают стальную полосу шириной 0,3-0,5 м и толщиной 10-16 мм для предотвра­щения его деформации в случае встречи   с  твердым   включениям трубы, как и широкополые двутавры можно забить сквозь значительную толщу грунтов до опирания на поверхность скаль­ных пород или галечно-валунных отложений.
В расчетах несущей способно­сти трубчатых свай в США при­нимают допускаемое напряжение на бетон заполнения 70 кгс/см2 и на сталь трубы 630 кгс/см2.

Нормы США допускают воз­можность использования сталь­ных труб в качестве арматуры свай, если в результате воздейст­вия коррозии в течение заданного срока эксплуатации сооружения толщина стенки свай будет не меньше принятой в расчете.

Стальные оболочки диаметром 106 см и длиной от 24 до 91 м со стенкой тол­щиной 13   мм использовали   в качестве свай   для   фундаментов   автодорожного моста    через    озеро    около    Рочестера (США). Нижний открытый конец оболо­чек усилили приваркой стальной полосы толщиной 19 мм и шириной 457 мм. После забивки на проектную глубину из оболочек удалили   грунт, методом подводного бетонирования уложили пробку, затем откачали воду и дальше бето­нировали насухо.

В последнее время в ряде зарубежных стран для постройки отдельных соору­жений в местах большой глубины воды применяют длинные трубчатые стальные оболочки под нагрузки до 3 тыс. тс. Оболочки диаметром от 0,76 до 1,22 м и дли­ной 100-200 м заглубляют в донные отложения на 80-120 м при глубине воды до 120 м. В качестве примера на рис. 1.4 показана одна из восьми оболочек, по­груженных в грунт в составе фундамента, который построили в дельте р. Мисси­сипи (США), в месте, где глубина воды 85,5 м. Характерной особенностью является переменная толщина стенок в соответствии с эпюрой изгибающих мо­ментов, действующих по длине оболочки. Толщина стенок оболочки диаметром 1,22 м и длиной 188 м изменяется от 15,9 до 28,5 мм, причем наибольшее утолще­ние приходится на зону ее заделки в грунте при работе на воздействие вертикаль­ных и горизонтальных нагрузок. Нижняя часть оболочки выполнена тонкостенной с утолщением нижнего конца для преодоления сопротивления грунта и предотвра­щения деформаций.

Монтажные стыки расположены достаточно далеко от мест изменения тол­щины стенок.

Оболочки погружали молотами с энергией удара 8300 и 16 600 кгс-м. В ка­честве направляющего использовали стальной каркас, опираемый на дно. В месте погружения оболочек дно сложено глинами, сопротивление сдвигу которых ли­нейно возрастает до 1,42 кгс/см2 на глубине 91,5 м.

Расчетная несущая способность по грунту не заполненной бетоном оболочки с грунтовым ядром составляет 2000 тс.

Для фундаментов железобетонной эстакады на автомобильной дороге Квебек - Монреаль (Канада) использовали стальные оболочки диаметром 1 м и стенкой толщиной 13 мм, которые погружали на глубину до 92 м отдельными секциями длиной от 10 до 18 м. После удаления грунта и забуривания в скальную породу на 2,5 м в оболочки заводили арматурный каркас и заполняли их бето­ном. Расчетная нагрузка на оболочку - 2100 тс.

Схема стальной оболочки
Рис. 1.4. Схема стальной оболочки:
1 - секция оболочки; 2 - сварной стык


Существенным недостатком стальных свай является их корро­зия от воздействия окружающей среды. В зависимости от характе­ра повреждения различают сплошную или местную коррозию ста­ли. Местные очаги коррозии, возникающие при неоднородной поверхности металла или неоднородности воздействия среды, пред­ставляют отдельные коррозионные пятна, язвы или коррозионные точки.

Наиболее интенсивно процесс коррозии протекает при наличии на поверхности стали слоя влаги толщиной около 1 мк. С уменьше­нием или увеличением слоя влаги интенсивность коррозии снижа­ется. При слое влаги 2 мк и более вследствие затруднения диффузии кислорода к металлу скорость коррозии снижается до минимума и соответствует коррозии для случая полного погружения конструк­ции в воду.

Ускорению процесса коррозии стали в грунте в наибольшей сте­пени способствуют растворенные хлоридные соли. Так же неблаго­приятно влияют болотистые грунты, илы и другие грунты, содер­жащие щелочи. Особенно сильно подвержены коррозии стальные элементы в зоне переменного увлажнения на контакте с водой или грунтом в местах, где происходит наиболее интенсивное смачива­ние тонкой пленкой воды в условиях свободного доступа к поверх­ности металла кислорода из атмосферы.

По данным исследований (в течение 15 лет) английского инсти­тута гражданских инженеров считается, что односторонняя коррозия стали происходит с интенсивностью примерно 0,076 мм в год в морской воде и 0,051 мм в пресной.

В зоне переменного увлажнения интенсивность коррозии стали возрастает в 2-3 раза. Коррозия стальных элементов, заглублен­ных в водонасыщенные несвязные грунты, происходит приблизи­тельно с той же интенсивностью, что и в водной среде (при равных условиях доступа кислорода). В полутвердых и твердых глинистых грунтах из-за дефицита кислорода интенсивность коррозии снижа­ется. По данным Одесского института инженеров морского флота интенсивность коррозии стальных конструкций, находящихся в разных грунтах, характеризуется следующими величинами:

Интенсивность коррозии стальных конструкций

В водонасыщенных глинистых грунтах интенсивность коррозии стальных конструкций несколько меньше, чем в грунтах естествен­ной влажности.

Наибольшая интенсивность коррозии стали - 0,1-0,2 мм/год в зоне грунт - вода; в зоне попеременного смачивания и высыха­ния до 0,4-0,5 мм/год.

Сведения, полученные отдельными исследователями на основе   изучения образцов стальных элементов,   находившихся   в   воде и  грунте более 50 лет, показывают, что в ряде случаев коррозия ме­таллических конструкций происходит с интенсивностью ниже упо­мянутых величин. Это обстоятельство можно объяснить тем, что на элементах, длительное время находящихся в грунте, образуется слой  корродированного   металла,   который,  затрудняя   диффузию кислорода, с течением времени существенно снижает интенсивность коррозии. Если же слой поврежденного коррозией металла смыва­ется водой или удаляется перемещающимися наносными отложениями, то процесс коррозии происходит с постоянной интенсивностью. Несмотря на   это толщина  слоя  поврежденного  металла  в разных местах одного и того же элемента, находящегося в однородной среде, может отличаться в 2-4 раза и более. Поэтому приво­димые разными исследователями данные без подробной   характе­ристики местных условий нельзя распространять на другие условия вследствие их большего многообразия.

Для защиты от коррозии стальных свай применяют разные покрытая, в том числе из  битума,  бетона,  каменноугольной  смолы, красок, эпоксидных смол. Покрытия наносят по  всей  длине свай  или только в наиболее опасных местах.

 

Железобетонные сваи

 

Железобетонные сваи широко применяют для фундаментов капитальных зданий и сооружений разного назначения, в том числе мостов. В фундаментах мостов наиболее часто используют сплош­ные квадратного сечения сваи; реже находят применение сваи пря­моугольного сечения. Полые составные по длине сваи диаметром 0,4 и 0,6 м применяют, как правило, при необходимости заглубле­ния их на 20 м и более для облегчения изготовления, транспорти­рования и погружения в грунт.

Размеры поперечного сечения и длины ненапряженных и предварительно напряженных железобетонных свай регламентированы ГОСТ 19804-74 (табл. 1.1), а полых цилиндрических свай - ГОСТ 17382-72 (табл. 1.2).

Интервал изменения свай по длинам от 3 до 6 м принят через 0,5 м, 6 м и более - через 1 м.

Интервал изменения свай по длинам

Железобетонная приз­матическая свая

Рис. 1.5. Железобетонная приз­матическая свая


Сваи минимального сечения 20X20 см при длине 3 м приняты исходя из возможности использования их для фундаментов малонагруженных зданий сельскохозяйственного назначения, а также для зданий любого назначения, возводимых  на   плотных грунтах.

Интервал изменения длины цилиндрических  свай - через 1 м.

Применяемые для фундаментов мостов призматические сваи с ненапрягаемой и предварительно напряженной арматурой изго­товляют из бетона марки по прочности на сжатие не менее 300, а цилиндрические сваи - из бетона марки 400.

Призматические сваи армируют продольными стержнями диа­метром от 12 до 32 мм. В зависимости от величины расчетного из­гибающего момента сечение продольной арматуры изменяется от 0,8 до 4% площади поперечного сечения сваи, при количестве стержней от 4 до 16, размещаемых преимущественно внутри ребер свай (рис. 1.5, о и б), а иногда и в промежутке между ними (рис. 1.5, в).

Проведенными исследованиями выявлено, что установка продоль­ных стержней в промежутках между ребрами, не оказывая замет­ного влияния на увеличение несущей способности свай по материа­лу, существенно усложняет механизированное изготовление арма­турных каркасов. Поэтому сваи сечением до 40x40 см стремятся армировать по схеме, приведенной на рис. 1.5, б, размещая у каж­дого ребра от одного до трех стержней в зависимости от длины сваи.

Для экономии арматуры в сваях длиной более 10 м применяют переменное по их длине количество продольных стержней или уменьшают их сечение (при постоянном количестве) в направлении от точек подъема сваи к ее концам.

В качестве поперечной арматуры раньше использовали замкну­тые хомуты; в настоящее время применяют спираль из проволоки 6-8 мм с шагом 10-20 см.


Нижний конец призматических свай
Рис. 1.6. Нижний конец призматических свай:
1 - бетон;   2 - продольный  стержень;    3 - спиральная    арматура;    4 - стальной   наконечник;
5 - штырь


Ввиду значительных местных напряжений, возникающих в бе­тоне вблизи головы и острия сваи в период забивки, поперечную арматуру в этих местах ставят с уменьшенным до 5-10 см шагом на длине, равной 2,5-3 размерам поперечного сечения сваи, считая от ее концов. Диаметр спиральной арматуры принимают равным 0,2-0,3 диаметра продольных стержней.

Чтобы предохранить от повреждения голову сваи, помимо кон­турных хомутов, иногда дополнительно размещают внутренние хо­муты или спиральную арматуру. Широко распространено армиро­вание голов свай горизонтальными сетками из стержней диаметром 5-8 мм. Первую сетку устанавливают на расстоянии 3-5 см от торца, а затем через каждые 5 см ставят четыре - шесть сеток с ячейками до 5 см.

Нижний конец сваи оформляют в виде острия из загнутых про­дольных стержней (рис. 1.6, а, б). Если сваи необходимо погружать в галечно-гравийные отложения, острие окантовывают стальным наконечником (рис. 1.6, в). Для доброкачественного опирания свай на поверхность неровной скальной породы применяют наконечник со стальным штырем (рис. 1.6, г).

Армирование свай, используемых для фундаментов зданий и сооружений на восприятие сжимающих нагрузок, определяют рас­четами на изгиб при подъеме свай на копер от воздействия их веса с коэффициентом динамичности 1,25 при расчете на прочность и 1,5 на трещиностойкость.

Сваи фундаментов мостов и опор гидротехнических сооружений армируют на восприятие изгибающих и сжимающих нагрузок, воз­никающих в эксплуатационный период, и проверяют на воздействие веса свай при подъеме их на копер.

Защитный слой бетона в сваях, применяемых для фундаментов мостов в обычных условиях, равен 3 см; для свай, используемых в районах с низкими отрицательными температурами воздуха,-4 см, если сваи находятся ниже поверхности грунта и воды, - 5 см при расположении свай в зоне переменного увлажнения.

Защитный слой бетона у свай, применяемых в Европе, - 2,5 см в пресной воде и 4 см в морской воде, в США - до 4 см в прес­ной воде и до 7,5 см в морской воде.

Для предварительно напряженных свай, располагаемых в зоне переменного увлажнения,    используют   стержни,   размещаемые   в углах сваи.

В отечественной и зарубежной практике строительства фунда­ментов зданий разного назначения иногда используют сваи с цент­рально расположенной напрягаемой арматурой в сочетании со спи­ральной арматурой по всей длине сваи, со спиральной арматурой, расположенной у концов свай (или только у одного конца), а также без спиральной арматуры. За счет исключения поперечного арми­рования удается в таких сваях по сравнению с обычными сваями уменьшить в 1,5-3 раза расход арматуры.

Опыт применения таких свай для фундаментов зданий показы­вает, что их можно удовлетворительно погружать в толщу слабых грунтов. В случае забивки в плотные и средней плотности грунты сваи длиной 6-10 м без поперечной арматуры разрушаются и ста­новятся непригодными.

Цельные сваи изготовляют, как правило, длиной, не более чем в 50 раз превышающей размер их поперечного сечения. Если таких длин оказывается недостаточно, применяют стыкованные, состоя­щие из отдельных элементов сваи.

Сваи большой длины применяют при необходимости их погру­жения на значительную глубину в толщу сильносжимаемых (сла­бых) грунтов. Если же под ней на небольшой глубине расположены грунты средней сжимаемости, применяют забивные сваи с уширен­ной пятой (уширением). Иногда такую пяту используют для пре­дохранения от повреждений в процессе забивки антикоррозионной изоляции боковой поверхности свай, погруженных в агрессивную по отношению к бетону среду.

Сваи с уширенной пятой применяют для фундаментов зданий и сооружений разного назначения, в том числе и мостов. Уширения размещают на нижнем конце свай или на некотором удалении от острия. Применяют бетонируемые совместно со сваей квадратные или прямоугольные уширения (рис. 1.7, а и б) или приставные квадратные (рис. 1.7, в), а также круглые (рис. 1:7, д). Площадь поперечного сечения уширения принимают в 2-3 раза больше площади сечения ствола сваи. Используя типовое армирование бетонируемых совместно с уширениями свай, уширения не армиру­ют, если их высота в 4-5 раз превышает ширину.

Применение уширенных пят обеспечивает возможность умень­шить на 30-50% длину свай, а за счет этого соответственно сокра­тить расход бетона и в 2-3 раза снизить потребность в арматуре. Железобетонные забивные сваи с пятами в последние годы приме­нены в фундаментах нескольких построенных зданий и сооружений, а также мостах, в том числе опорах эстакады через лиман  Шабалат (см. гл. 9).


Уширения низа железобетонных свай
Рис. 1.7. Уширения низа железобетонных свай:

а - двустороннее; б и г - четырехсторонние; в и д - приставные

За рубежом, особенно в Нидерландах, ФРГ и дру­гих странах, забивные сваи с уширенной пятой применяют более широко.

Если несущий пласт малосжимаемого (прочного) грунта при­крыт большой толщей илистых отложений, в пределах которых применение укороченных свай с уширенной пятой не обеспечивает необходимой несущей способности, в отдельных случаях для фун­даментов зданий и сооружений разного назначения применяют со­ставные стыкуемые по длине сплошного сечения сваи большой длины. Для фундаментов мостов такие сваи применять нецелесо­образно по следующим причинам:

1) при погружении в слабые водонасыщенные, а особенно илис­тые грунты сваи могут существенно отклоняться от проектного по­ложения. Так, по данным шведских исследований искривления свай достигают 10% их длины. Отклонения от вертикали составных свай сечением 30x30 см и длиной 32 м, замеренные геофизическим методом, составили 5-7 м.

Отклонения происходят при встрече низа сваи с твердым пре­пятствием, например заиленным деревом, а также из-за внецентренной передачи усилий от ударов молота в стыках свай вслед­ствие неровностей соприкасающихся торцов соседних элементов или неперпендикулярного положения этих торцов по отношению к продольной оси сваи;

2)поскольку фундаменты мостов воспринимают значительные горизонтальные нагрузки, то в большей толще слабых грунтов сваи необходимо, как правило, располагать наклонно. Но в таких случаях можно ожидать  отклонений от проектного  положения и искривления свай в значительно больших пределах, чем это выяв­лено для вертикальных свай;

3) опасность отмеченных отклонений свай заключается в том, что слабые грунты не могут противодействовать излому сильно искривленных при погружении свай, а строительные организации, не имея специальных приборов, не могут выявить степень искрив­ления каждой погруженной сваи от проектного положения и свое­временно принять необходимые меры. В связи с этим применение тонких длинных свай, особенно погружаемых в наклонном положе­нии, невольно приводит к созданию дефектных фундаментов;

4)при одинаковой конструкции стыков их упругая податли­вость будет влиять на искривление погружаемых свай тем меньше, чем выше момент инерции сечения стыка. С этой точки зрения бо­лее целесообразны стыкованные полые сваи, чем сваи сплошного сечения.
Для фундаментов мостов широко применяют цилиндрические полые сваи центрифугированного изготовления диаметром 0,6 м (длиной секций 8, 10, 12 м), которые используют вместо составных свай сплошного сечения 35x35 см и 40х40 см.

Сваи центрифугированного изготовления имеют значительно более плотный бетон по сравнению с призматическими, что особен­но важно для фундаментов, находящихся в агрессивной среде.

Если учесть, что одна полая свая по несущей способности может заменить две-три сваи сплошного сечения, то станет очевидным преимущество применения составных полых свай взамен свай сплошного сечения.

Для фундаментов мостов обычно применяют сваи сплошного сечения размером 30x30, 35х35. и 40x40 см. Редко используют сваи 45х45 см и еще реже сваи большего сечения. Так, например, сваи сечением 50x50 см были применены для фундаментов 20 опор моста через озеро Маракасибо (под пролетные строения длиной по 36,5 м).

Наряду со сваями сплошного сечения для фундаментов зданий разного назначения институтом «Фундаментпроект» разработаны конструкций предварительно напряженных квадратных свай сече­нием 25х25, 30х30 и 40x40 см с круглой полостью. Минимальная толщина стен таких свай - 4-5 см.

За рубежом квадратные и восьмигранные сваи изготовляют сплошными при размерах сечения 25-60 см и полыми при сечении более 45х45 см. По сравнению с ненапряженными сваями сплош­ного сечения на полые предварительно напряженные сваи требует­ся бетона меньше на 20-25%, арматуры на 30-40%.

Нагрузки на сваи назначают исходя из условия предельного ис­пользования прочностных свойств материалов, если только позво­ляет несущая способность грунтов.

Так, расчетные осевые нагрузки с учетом сжимающих напря­жений от изгибающего момента (в построенных фундаментах мос­тов) приняты для свай сечением 30х30 см от 50 до 90 тс, 35х35см -70-120 тс, 40х40 - 80-150 тс.

Для выявления несущей способности на осевые сжимающие на­грузки центрифугированных цилиндрических свай проводили ста­тические испытания образцов свай диаметром 55 см и длиной 6 и 8 м со стенкой толщиной 8 см, изготовленных из бетона марки 350. Каждый образец армировали 18 продольными стержнями диамет­ром 22 мм и спиралью из проволоки диаметром 6 мм при шаге 5 см. Восемь полых образцов разрушились под осевой нагрузкой от 430 до 570 тс. В другой партии, состоявшей из девяти таких же образцов, но заполненных бетоном марки 170, разрушение насту­пило при нагрузках от 775 до 850 тс.

На основании результатов испытаний на такие сваи в постро­енных в более позднее время фундаментах мостов допущены на­грузки от 140 до 250 тс. Но в фундаментах мостов, построенных до проведения этих испытаний, максимальные расчетные нагруз­ки на сваи приняты от 100 до 170 тс.

Кроме призматических и цилиндрических свай, иногда приме­няют сваи треугольного сечения, у которых боковая поверхность на 15%, а несущая способность (на 1 м3 сваи) на 5-10% боль­ше, чем у квадратных. Такие сваи могут применяться в однород­ной толще плотных и средней плотности грунтах в конструкциях фундаментов, воспринимающих преимущественно вертикальные нагрузки.

Появившиеся предложения о применении железобетонных пи­рамидальных свай взамен призматических основаны на предпо­сылке заметного увеличения несущей способности таких свай по сравнению с призматическими. Однако такое увеличение несущей способности возможно в случае заглубления конических свай в поверхностный слой малосжимаемых грунтов, например твердых глин, гравийно-галечных отложений. Но в таких грунтах и приз­матические сваи обладают достаточно высокой несущей способ­ностью, в первую очередь, за счет передачи нагрузки через торец.

Обычно сваи чаще всего применяют в случаях необходимости прорезки фундаментом грунтов, обладающих большой сжимае­мостью, и заглубления в менее сжимаемое основание. Очевидно, при таком напластовании грунтов ни конические, ни треугольные сечения сваи не обладают преимуществами перед призматически­ми или цилиндрическими, поскольку в этих случаях почти вся на­грузка передается на основание нижним концом свай.

Не дают, как правило, ожидаемого эффекта фигурные сваи крестообразного, двутаврового и таврового сечения. Объясняется это тем, что сдвиг нагруженной сваи относительно грунта происхо­дит не по контакту с ее боковой поверхностью, а по более слабому месту, именно по периметру, огибающему сечение фигурной сваи. Поэтому увеличение боковой поверхности не приводит к увеличе­нию сопротивления сдвигу. Кроме того,. основную долю несущей способности свай, заглубленных нижним концом в плотные грунты, составляет сопротивление под торцом сваи, а не сопротивление по ее  боковой  поверхности.  Применение же  тонких  толщиной   10-12 см стенок фигурных свай облегчает прорезание грунта их тор­цом вместо существенного уплотнения. Поэтому вряд ли можно ожидать заметное увеличение несущей способности. Если учесть сложность и трудоемкость изготовления арматурных каркасов и бетонирования фигурных свай, то небольшой прирост несущей способности не сможет компенсировать значительных дополни­тельных затрат труда и времени на изготовление таких свай по сравнению с призматическими.

 

Железобетонные оболочки

 

Железобетонные оболочки применяют для фундаментов мостов, гидротехнических и других сооружений в местах, где использование свай оказывается экономически менее выгодным или технически нецелесообразным (например, при строительстве эстакад значи­тельной протяженности, в случае возведения фундаментов мостов в пределах глубоких водотоков и т. п.).

Свая-оболочка представляет собой железобетонный тонкостен­ный пустотелый цилиндр с обычной или предварительно напря­женной продольной и спиральной поперечной арматурой. Такие оболочки готовят преимущественно отдельными секциями, длина которых определяется технологическими возможностями завода-изготовителя (или полигона), условиями транспортирования, а также грузоподъемностью кранового оборудования на строитель­ной площадке. Как правило, длину секции оболочки принимают от 6 до 12 м.

Для предварительного укрупнения оболочек на строительной площадке и их наращивания в процессе погружения применяют специальные стыки различной конструкции.

Нижние концы оболочек обустраивают специальными наконечниками-ножами, конструкция которых зависит главным образом от местных геологических условий строительства.

Оболочки после погружения их в грунт могут быть заполнены бетоном или песком, а также оставлены в конструкции фундамен­та без заполнения их полости. В последнем случае сечения оболо­чек и их армирование определяются не только расчетом на мон­тажные нагрузки и динамические усилия от вибропогружателя, но и на эксплуатационные нагрузки.

Применение оболочек из предварительно напряженного желе­зобетона обычно обусловливается требованиями повышенной трещиностойкости и коррозионноустойчивости (для фундаментов в агрессивной среде, в том числе для морских причальных сооруже­ний), экономии металла и, что наиболее важно, требованием уве­личения продольной жесткости оболочек при большой их длине (более 30 м) с целью повышения эффективности вибропогру­жения.

В отечественной практике мостостроения в начальный период внедрения фундаментов новых типов применяли оболочки различ­ных размеров и армирования, определяемых, как правило, субъ­ективными соображениями проектировщиков. В тот период это было неизбежным, поскольку строительство носило опытный ха­рактер и еще не было создано технологического инвентарного оборудования для изготовления оболочек.

 

Основные данные по типовым оболочкам

Примечания. 1. Бетон гидротехнический М400, Мрз200.
2.  В числителе приводятся данные для оболочек из обычного железобетона при =3%, в знаменателе - для оболочек из предварительно напряженного же­лезобетона.
3.  Шаг спиральной арматуры по всей длине секции оболочки принят равным 100 мм, а у концов секции на длине 100-120 см - 50 мм.

В дальнейшем была про­ведена унификация размеров оболочек и разработаны типовые проекты их конструкции из обычного и предварительно напряженного железобетона.

Основные данные по типовым оболочкам (проектировки Ленгипротрансмоста) приведены в табл. 1.3.

Для оболочек диаметром до 1,6 м применяют продольную ар­матуру диаметром не менее 12 мм и спиральную из проволоки диаметром не менее 6 мм; для оболочек диаметром 1,6 м и более - продольную арматуру диаметром не менее 18 мм, а спи­ральную - из проволоки диаметром не менее 8 мм. В оболочках диаметром до 1,6 м продольную арматуру располагают в один ряд; в оболочках диаметром 1,6 м и более арматура может быть расположена в один и два ряда. Двухрядное расположение арма­туры рекомендуется для оболочек, оставляемых в сооружении без бетонного заполнения, а также при необходимости повысить прочность оболочек, погружаемых в галечно-валунные отложения или плотные глины с включением валунов.

Продольные стержни арматуры оболочек располагают на рас­стоянии в свету не менее 5 см и не более 20 см, но не свыше полу­торной толщины стенки оболочки. Шаг спиральной арматуры на­значают в пределах 10-15 см.

Вблизи стыковых соединений и наконечника на длине 1 м шаг спирали уменьшают в 1,5-2 раза по сравнению с принятым на остальной части оболочки.

Защитный слой бетона с внешней и внутренней сторон оболо­чек диаметром 0,4 м должен быть не менее 3 см. Для оболочек диаметром 0,6 м и более защитный слой с внешней стороны дол­жен быть не менее 4 ом, с внутренней стороны - не менее 3 см.
В случаях когда армирование типовых оболочек недостаточно для восприятия растягивающих напряжений от эксплуатационных

Конструкция секции железобетонной оболочки

Рис. 1.8. Конструкция секции железобетонной оболочки диаметром 1,6 м


нагрузок, в полость оболочек (заполняемых бетоном) устанавли­вают дополнительную арматуру в виде каркаса, располагая ее в местах, определяемых расчетом. Диаметр стержней дополнитель­ной арматуры принимают не менее 20 мм, а проволоки спирали - не менее 8 мм.
На рис. 1.8 показана конструкция часто применяемых оболо­чек диаметром 1,6 м (проектировки Ленгипротрансмоста).

В оболочках из обычного железобетона продольная арматура из стали периодического профиля марки Ст. 5, а спиральная - из гладкой круглой стали марки Ст. 3.

Оболочки из предварительно напряженного железобетона, применявшиеся в отечественной практике строительства гидротехни­ческих сооружений, армировали стержневой горячекатаной сталью периодического профиля марок 25Г2С и 35ГС, напрягаемой до бе­тонирования.
Сечение и расстановку напрягаемой арматуры определяют рас­четом; в остальном же сохраняются те же принципы армирования, что и в оболочках из обычного железобетона. Торцовые участки оболочек дополнительно армируют короткими ненапряженными стержнями. На рис. 1.9 представлена конструкция оболочки Диа­метром 1,6 м из предварительно напряженного железобетона, при­мененная при строительстве нескольких причальных сооружений. Оболочки изготовляли секциями длиной по 8 м со стенками тол­щиной 15 см из гидротехнического бетона марки 400 с продольной предварительно напряженной стержневой арматурой периодиче­ского профиля из стали 25Г2С. Величина контролируемого пред­варительного напряжения арматуры была принята равной 4950 кгс/см2. Выпускали оболочки двух видов: усиленные, арми­рованные 24 стержнями диаметром 22 м, и облегченные, армированные таким же количеством


Конструкция предварительно напряженной оболочки
Рис.  1.9. Конструкция предварительно напряженной оболочки диаметром  1,6 м:
1 - напряженная  арматура;  2 - ненапряженная   арматура;    3 - спираль;   4 - выпуски  арма­туры;  5 - стыковой  фланец;  6 - нож;  7 - утолщенный  наконечник

стержней диаметром 16 мм. Кро­ме напряженной арматуры, в каркас оболочки включали обычную ненапряженную стержневую арматуру периодического профиля из стали Ст. 5, устанавливаемую для усиления головы, стыков и но­жа оболочки, а также ненапряженную поперечную арматуру из проволоки диаметром 8 мм из стали Ст. 3 в виде спиральной обой­мы с шагом 80 мм.

Кроме рассмотренных выше оболочек из обычного железобето­на, заполняемых, как правило, бетонной смесью после погружения, были разработаны новые конструкции, позволяющие значительно увеличить процент сборности фундаментов из оболочек. К таким конструкциям относятся толстостенные оболочки.

Необходимость создания более совершенных конструкций оболо­чек определилась тем, что:

1)   несмотря на применение в качестве основного конструктив­ного элемента (в фундаментах рассматриваемого типа) сборных железобетонных оболочек преимущественно заводского изготовле­ния, общий процент сборности фундаментов оставался относитель­но небольшим (особенно при оболочках большого диаметра) и составлял в ряде случаев лишь 20-30%;

2)   для большого числа мостовых переходов на реках Совет­ского Союза характерно наличие грунтовых напластований с вклю­чением галечника и валунов (особенно на Урале и в Сибири), а это на ряде строек создавало серьезные трудности с погружением тонкостенных оболочек, а иногда и приводило к их разрушению.

Исследования, проведенные Всесоюзным научно-исследователь­ским институтом транспортного строительства (ЦНИИС) Минтрансстроя совместно с Ленгипротрансмостом, позволили разрабо­тать конструкции оболочек (при ограничении их диаметра 3 м), не



Примечания. 1. В числителе приводятся данные для оболочек из обыч­ного железобетона при =3%, в знаменателе - для оболочек из предварительно напряженного железобетона.
2. Шаг спиральной арматуры по всей длине секции оболочки принят равным 100 мм, а у концов секций на длине 100-120 см - 50 мм.
требующих последующего их заполнения бетоном, значительно бо­лее устойчивых на динамические воздействия при вибропогруже­нии в грунт.

Основные данные по таким оболочкам (конструкция подобной оболочки диаметром 1,6 м представлена на рис. 1.9) приведены в табл. 1.4. Из табл. 1.4 и рис. 1.9 видно, что в оболочках этого типа в отличие от оболочек, приведенных в табл. 1.3, утолщены стенки и применено двойное армирование.

Применение таких оболочек в фундаментах опор мостов позво­ляет значительно сократить объем бетонной кладки и соответствен­но уменьшить трудоемкость и стоимость работ по сооружению фун­даментов. Кроме того, резко возрастает процент сборности, а следовательно, :и степень индустриальности конструкции фунда­ментов.

Для соединения секций оболочек между собой (при укрупнительной сборке на строительной площадке или наращивании в про­цессе погружения их в грунт) применяют специальные стыковые устройства различной конструкции (рис. 1.10).

Стыкование путем сварки выпусков продольной арматуры обо­лочек внахлестку или с двусторонними накладками с последую­щим омоноличиванием стыков бетоном или расширяющимся це­ментным раствором является наиболее экономным по расходу стали и упрощает изготовление оболочек. Однако такой прием пригоден в основном лишь для предварительной укрупнительной сборки оболочек на строительной площадке. В этом случае обо­лочки собирают на стеллажах в горизонтальном положении (обо­лочки диаметром до 2 м) или при помощи монтажных приспособ-лениий в вертикальном положении. Для монтажного стыкования


Стыки секций оболочек
Рис. 1.10. Стыки секций оболочек:
а - фланцево-болтовой;  б - сваркой  патрубков   (обечаек);  в - сваркой  уголков  и  стержней продольной  арматуры;    г - сваркой    фланцев    и    стержней     предварительно    напряженной арматуры;
1 - бетон;  2 - спираль;  3 - стержень  продольной  арматуры;   4 - ребро;   5 - обечайка;  6 - болт;  7 - сварочный   шов;   5 - стальной   стержень;   9 - уголок;    10 - наконечник   стержня; 11 - стержень дополнительной арматуры

секций оболочек в процессе погружения этот тип стыковых соеди­нений не может быть рекомендован. Стыки на сварке стальных патрубков (рис. 1.10, б), уголков (рис. 1.10, в)или фланцев (рис. 1.10, г), заделанных в секции оболочек при их изготовлении, могут применяться как при укрупнительной сборке на строительной пло­щадке, так и при наращивании оболочек в процессе погружения. В этом случае стальные патрубки или фланцы приваривают к про­дольной арматуре при заготовке арматурного каркаса оболочки.

К недостаткам сварных стыков относится трудность закрепле­ния наголовника вибропогружателя на оболочке (приходится спе­циально приваривать временные болты, срезаемые по ходу погру­жения) и возможность появления при сварке температурных тре­щин в бетоне в зоне, примыкающей к стыку.

Фланцевый стык на болтах (рис. 1.10, а)является наиболее универсальным и удобным в работе при соединении секций между собой и оболочки с наголовником вибропогружателя. Фланцы мо­гут быть сварными или литыми. Для обеспечений точного распо­ложения относительно продольной оси оболочек фланцы привари­вают к продольной арматуре с применением специальных кондук­торов. Между собой фланцы соединяют на болтах, при этом во избежание отвертывания гайки приваривают к стержню болта.

К недостаткам фланцево-болтовых стыков следует отнести за­метную упругую их податливость от воздействия изгибающих мо­ментов, большой расход стали и сложность изготовления. В частно­сти, в ряде случаев трудно обеспечить точность изготовления тор-


Наконечники полых цилинд­рических свай

Рис.1.11 Наконечники полых цилинд­рических свай

новых поверхностей фланцев, особенно в условиях полигонов. Как показала практика, целе­сообразно изготавливать флан­цы централизованно в завод­ских условиях, где имеется воз­можность обеспечить заданную точность (в том числе за счет токарной обработки торцовых поверхностей). В этом случае будет обеспечено и надлежа­щее качество фланцев и стои­мость их будет невысока.

Анализ накопленного опы­та применения стыков различной конструкции при строительстве фундаментов из оболочек показал, что наилучшими типами стыков являются: для предварительной укрупнительной сборки на строительной площадке стык на сварке обечаек и выпусков арматуры с последующим омоноличиванием; для наращивания оболочек в процессе погружения - фланцевый на болтах.

Для облегчения погружения оболочек в грунт, а также для пре­дотвращения их разрушения при встрече с препятствиями или же при бурении скальных пород и устройстве уширений взрывчатыми веществами нижние концы оболочек рекомендуется снабжать нако­нечниками.
Для оболочек диаметром 0,4-0,6 м применяют наконечники за­крытой конструкции: без окантовки листовой сталью (рис. 1.11, а)- в обычных грунтах; с окантовкой сталью (рис. 1.11,6) - в галечных грунтах и при опирании на скальные породы; с цент­ральным отверстием (рис. 1.11, в)- в случаях применения подмы­ва. Стальной наконечник высотой 1,2-1,5 м из листовой стали толщиной 10-12 мм (рис. 1.11, г) применяют при устройстве камуфлетных уширений взрывчатыми веществами. При этом для предотвращения разрыва оболочек наконечник в верхней части уси­ливают специально приваренными бандажами (одним или двумя) из полосовой стали толщиной 14-16 мм.

В оболочках диаметром 1,2 м и более применяют, как правило, наконечники (ножи) открытой конструкции (рис. 1.12). При по­гружении таких оболочек в слабые и средней плотности грунты, а также толстостенных оболочек, опираемых на поверхность слабых скальных пород, рекомендуется применять ножи, показанные на рис. 1.12, а.

Оболочки, погружаемые в плотные и средней плотности грунты, включая и гравийно-галечные отложения, целесообразно снабжать ножами, показанными на рис. 1.12, б.

С целью предохранения нижней части оболочек от разрушения при бурении станком ударно-канатного действия скважин в скаль­ной породе (для заделки низа несущих столбов) следует приме­нять стальные ножи высотой 1,0-1,5 м (рис. 1.12, в).


 Наконечники-ножи оболочек
Рис. 1.12. Наконечники-ножи оболочек

При погружении оболочек с утолщенной стенкой в плотные и средней плотности грунты целесообразно применять наконечники клинового профиля (рис. 1.12, г).

При необходимости разбуривания станком ударно-канатного действия валунов, встречающихся в процессе заглубления оболо­чек в конгломераты и галечно-валунные отложения, рекомендуется применять нож в виде патрубка высотой 2-3 м из листовой стали толщиной 10-12 мм, усиленного ребрами жесткости с внутренней стороны и окантованного полосой из листа толщиной 14-16 мм с наружной стороны. Наконечники, как правило, приваривают не­посредственно к продольной арматуре нижних секций оболочек. Однако при необходимости их можно изготовлять отдельно и кре­пить (болтами или сваркой) к закладным частям секций обо­лочек.

Изготовление оболочек секциями небольшой длины значитель­но упрощает последующее транспортирование и погружение их в грунт при условии оформления стыковых соединений с допусками, предусмотренными действующими нормативными документами. Однако доброкачественному стыкованию не уделяется необходимое внимание. Проектировщики иногда назначают тип соединения без учета возможностей изготовления стыковых элементов с требуе­мыми допусками. В результате перекосов фланцев, значительных неровностей торцовых колец, а также отклонений в размещении отверстий для болтов приходится терять много времени на допол­нительное рассверливание отверстий, а также изготовление и уста­новку выравнивающих клиновых прокладок.

Поэтому необходимо принять за правило, что конструкцию сты­ка секций оболочек следует прежде всего назначать исходя из практических возможностей изготовления с отклонениями от проект­ных размеров в пределах нормируемых допусков. При наличии обоснованных сомнений в качестве изготовления стыковых элемен­тов следует применять более простую конструкцию соединения, а при невозможности изменения типа стыка   разработать  дополнительно технологические мероприятия, обеспечивающие изготовле­ние принятых к осуществлению элементов стыков с требуемой точ­ностью.

Описанные типы соединений секций оболочек не могут охватить большого разнообразия возможных решений. Здесь рассмотрены только стыки, которые применяются в настоящее время отече­ственными мостостроительными организациями. Из других возмож­ных решений наиболее перспективны стыки с применением эпок­сидных клеев.

Предварительные исследования показывают, что такие соеди­нения могут оказаться в ряде случаев значительно эффективнее применяемых стыков.

Наконечники и ножи, как правило, не делают для оболочек, ус­танавливаемых в предварительно пробуренные скважины. В ос­тальных случаях тип наконечника выбирают в зависимости от фи­зико-механических свойств грунтов, проходимых нижним концом оболочек, а также от способа погружения. Попытки отказа от при­менения наконечников с целью экономии металла приводили к повреждению оболочек, в результате чего получились значительные убытки и непроизводительная затрата времени на замену повреж­денных оболочек.

Из зарубежного опыта последних лет наибольший интерес пред­ставляет практика применения сборных железобетонных оболочек в США. Железобетонные сваи-оболочки общей длиной до 80 м, как правило, из предварительно напряженного железобетона с на­тяжением арматуры на бетон или на специальные упоры изготов­ляют централизованно на крупных полигонах. В частности, амери­канская фирма «Раймонд» изготавливает сваи из железобетонных секций, соединяемых пучками высокопрочной проволоки. Секции изготовляют на центрифуге.
Характеристика оболочек фирмы «Раймонд» приводится в табл.  1.5.


Характеристика оболочек фирмы «Раймонд»

Арматура каждой секции состоит из спирали и небольшого ко­личества продольных стержней диаметром 6 мм, образующих каркас, который обеспечивает прочность   секций   при транспортиро­вании.

Для предварительно напряженной арматуры в стенках секций делают продольные отверстия. С этой целью при изготовлении сек­ций внутри каркаса закладывают резиновые трубки. Число отвер­стий устанавливается проектом. Количество пучков арматуры за­висит от размера, назначения сваи и колеблется от 8 до 16 шт. Пучки обычно состоят из 12 проволок.

Бетон для изготовления секций применяют плотный, высокого качества, водонепроницаемый прочностью от 350 до 700 кгс/см2. В построенных фундаментах мостов применены оболочки, за­полненные бетоном, при общей длине до 80 м. Для фундаментов моста через оз. Маракайбо (Венесуэла) использованы оболочки диаметром 1,35 м и длиной до 57,5 м, заглубленные в грунт на 36 м с предельной нагрузкой 2000 тс при расчетной до 750 тс. Оболочки диаметром 1,35 м и длиной от 60 до 70 м под нагрузку до 600 тс применены для фундаментов моста у Абиджана (Берег Слоновой Кости). В фундаментах моста через р. Неву использованы оболоч­ки диаметром 2 м длиной 32 м с уширенной пятой диаметром 3,5 м под расчетную нагрузку 1670 тс. Для фундаментов моста через р. Обь применены оболочки диаметром 1,6 м длиной до 38 м, опи­рающиеся на скальную породу.   Нагрузка   на оболочку - 1600-1800 тс.

Фундаменты из железобетонных свай и оболочек   сооружают, как правило, в местах наличия поверхностных и грунтовых вод, которые в ряде случаев могут быть агрессивными по отношению к бетону. Агрессивность воды является следствием повышенного со­держания солей хлоридов, сульфатов, бикарбонатов натрия, каль­ция и магния. Признаки и нормы агрессивности воды или среды определяют, пользуясь указаниями СНиП П-28-73 «Защита строи­тельных конструкций от коррозии». Степень агрессивности грунто­вых и поверхностных вод различна и не всегда опасна для обычных бетонов.   Постоянной   сульфатной   агрессивностью   обладает   мор­ская вода. Она представляет  опасность для  бетона   на  обычном портландцементе. Для конструкций, применяемых  в такой  среде, бетон приготовляют с использованием сульфатостойкого портланд­цемента.

Установлено, что разрушение бетона в агрессивной среде уско­ряется, если растягивающие напряжения в бетоне превышают 0,3 предела прочности на растяжение. Поэтому при использовании предварительно напряженных свай, особенно полых, следует обес­печить такое натяжение арматуры, при котором не могли бы обра­зоваться микротрещины от растяжения бетона в поперечном на­правлении свай.

Разрушение свай наблюдается в более резкой степени в пес­ках, поскольку в них облегчено движение агрессивных грунтовых вод, а следовательно, выщелачивание из бетона цемента.

Агрессивные химические вещества могут проникать в грунт из отходов промышленных  предприятий  с  водой, профильтрованной через штабеля угля или шлаковые отвалы, попадать в грунтовую воду вследствие растворения сульфатов натрия и магния, содер­жащихся в грунте, и при вымывании органических кислот из гнию­щих растительных остатков или, наконец, в результате утечки воды из канализации.

Сульфатные соли содержатся в незначительном количестве во многих глинах и грунтовых водах. При этом вероятность повреж­дения бетона свай может быть как небольшая, так и очень высо­кая. Заранее изготовленные сваи на портландцементе хорошо про­тивостоят низкой и умеренной концентрации сульфата кальция (гипса).

Чтобы предотвратить разрушающее воздействие агрессивной среды на погруженные сваи, их готовят с применением сульфато­стойкого цемента. Если этого оказывается недостаточно, сваи про­питывают в  горячем  петролатуме.

Достаточно эффективной мерой защиты является покрытие свай эпоксидной смолой.

Для бетонируемых в агрессивной среде свай необходимо поль­зоваться сульфатостойкими цементами. Если же в грунте содер­жатся сульфаты магния и натрия, буровые сваи применять не ре­комендуется.

Неблагоприятное воздействие оказывает избыточная при затворении бетонной смеси вода, которая, замерзая в бетоне, приводит к появлению трещин в защитном слое. Проникающая сквозь тре­щины вода в условиях свободного доступа кислорода вызывает коррозию арматуры. А так как объем ржавчины в 12 раз больше первоначального объема стали, то от ее воздействия разрушается защитный слой бетона, увеличивая площадь арматуры, подвержен­ной коррозии. В высокопористом бетоне признаки разрушения за­щитного слоя в зоне периодического увлажнения свай появляются через 10-15 лет. При плотном бетоне таких признаков не наблюдается спустя 30-40 лет и более.

Введение в бетонную смесь воздухововлекающих добавок спо­собствует повышению морозостойкости бетона.

Мероприятия по защите железобетонных и бетонных элементов фундаментов от воздействия агрессивной среды проектируют, ру­ководствуясь указаниями СНиП П-28-73 «Защита строительных конструкций от коррозии», а также «Рекомендациями по приме­нению полимерных покрытий для защиты от коррозии железобе­тонных конструкций в транспортном строительстве», изданными ЦНИИСом Минтрансстроя в 1970 г.

 

Винтовые сваи. Особенности применения винтовых свай

 

 

Винтовые сваи являются специфической разновидностью свай, принудительно погружаемых в грунт. В отличие от обычных свай, которые заглубляют в грунт поступательным перемещением, вин­товые сваи погружают способом завинчивания. Характерной осо­бенностью таких свай, отличающейся от всех других типов с уши­ренной пятой, является использование винтовой лопасти для по­гружения свай в период постройки фундамента, а в условиях его эксплуатации - для передачи на грунт расчетных нагрузок.



Винтовые сваи
Рис. 1.13. Винтовые сваи:
а - стальная; б - железобетонная;
1 - упоры для передачи крутящего мо­мента; 2 - стальной ствол; 3 - стыковые накладки; 4 - винтовая лопасть; 5 - нако­нечник; 6 - башмак; 7 - выпуски армату­ры; 8 - железобетонный ствол; 9 - отрезок стальной трубы; 10 - чугунная (или свар­ная) часть башмака; 11 - цементный рас­твор: 12 - бетон

Винтовые сваи применяют, как правило, в местах залегания значительной толщи слабых (сильносжимаемых) грунтов (10-15 м и более), подстилаемых пластом плотных (малосжимаемых) грунтов без твердых включений в виде валунов, заиленных деревь­ев и т. п.

В отличие от свай, погружаемых забивкой или вибрированием, заглубление винтовых свай производится без сотрясения и выемки грунта, что позволяет использовать их при необходимости устрой­ства фундаментов вблизи существующих сооружений.

Наличие значительной по размерам мощной лопасти обеспечи­вает возможность использования винтовых свай для передачи на  грунт больших нагрузок сжатия и растяжения.

С применением винтовых свай построены мосты, эстакады, гидротехнические сооружения. В настоящее время в нашей стране винтовые сваи используют для фундаментов и анкеров строящих­ся линий электропередач.

Применяют стальные, железобетонные и комбинированные сваи. Независимо от вида материала сваи (рис. 1.13) состоят из ствола и башмака с винтовой лопастью. Стволы изготовляют из стальных труб или железобетонных оболочек диаметром до 1,2 м, заполняе­мых бетонной смесью после погружения в грунт. Диаметр лопа­сти- до 3 м. В построенных фундаментах применяли башмаки чу­гунные, стальные и железобетонные. Наиболее распространены стальные башмаки со сварными сплошными или полыми лопастями.

Лопасти сплошного сечения диаметром до 1,5 м состоят из не­скольких ступенчато наваренных листов разных размеров. При диаметре более 1,5 м применяли полые лопасти треугольного сече­ния, состоящего из двух листов, объединенных диафрагмами, по­лости между которыми заполняли бетоном.

Конструкцию башмака применяют в зависимости от вида грунтов несущего пласта. Для слабых грунтов применяют лопасти диаметром, в 3-4 раза превышающим диаметр ствола, и шагом 0,15-0,2 диаметра лопасти. Для плотных и средней плотности грунтов шаг винта назначают равным 0,2-0,4 диаметра лопасти, а диаметр лопасти в 2-3 раза больше диаметра ствола, стремясь к тому, чтобы несущая способность сваи по материалу примерно соответствовала несущей способности по грунту.

Чем меньше шаг винтовой лопасти, тем лучше и плавнее за­глубляется свая, особенно в плотные грунты. Однако для свай, погружаемых в галечные отложения, шаг лопасти увеличивают, чтобы отдельные небольшие валуны могли пройти между витками лопасти. Но увеличение шага лопасти связано с повышением со­противления завинчиванию сваи, а следовательно, и мощности по­гружающего оборудования.

Толщину лопасти в корне (на контакте с цилиндрической частью башмака) принимают 0,4-0,5 ее шага.

Лопасть начинается ножевой частью, которая на протяжении 0,25 витка увеличивается до полного диаметра; полная длина ло­пасти составляет 1,25-1,5 витка. Применение излишне длинных лопастей большого диаметра, например более 1,5-2 витков, неце­лесообразно, поскольку увеличивается сопротивление завинчива­нию без повышения несущей способности по грунту. Более длин­ные лопасти применяют, если их диаметр не превышает удвоен­ного диаметра ствола.

Башмак, как правило, имеет наконечник-острие. При необхо­димости заглубления лопасти в плотные грунты применяют откры­тые башмаки без наконечника.

Для облегчения завинчивания свай иногда применяют подмыв грунта через трубки, проходящие сквозь башмак.

В период с 1952 по 1958 г. с применением винтовых свай по­строили несколько мостов и других сооружений.

Для фундаментов моста через Днестр использовали сваи со стальным ство­лом диаметром 1,02 м, стенкой толщиной 12 м и диаметром лопасти 2,2 м. Длина свай - до 36 м. 10 свай из 15 в фундаменте имеют наклон 4:1, остальные вертикальные. При статической нагрузке на сваю 1085 тс осадка равнялась 33,4 мм, при остаточной после разгрузки - 14 мм. Расчетная нагрузка 420 тс. Погружен­ные сваи заполнили бетоном марки 250.

Опоры элеваторного пирса на море построены с применением свай со стволом диаметром 1,02 м и лопастью 2,2 м. Длина свай - до 39,6 м. Нагрузка на сваю 570 тс. Лопасти заглубили в пески на 30-31 м от дна. Сваи заполнены бетоном.

Для фундаментов одного из построенных мостов применили сваи, состоящие   -из полой железобетонной оболочки диаметром 1,16 м и стальной сварной лопасти диаметром 2,5 м. Под пролетные строения длиной 42 м фундаменты промежуточ­ных опор сделаны из двух свай, устоев - из трех.

Вследствие того что железобетон плохо воспринимает скручи­вающие усилия, сваи с железобетонным стволом завинчивают с использованием наружного инвентарного ключа, изготовленного из стальной трубы, который, изолируя ствол от соприкасания с грунтом, исключает возможность скручивания сваи.

Во Франции железобетонные винтовые сваи со сплошным же­лезобетонным стволом диаметром 0,3 м и винтовой лопастью диа­метром 0,48 м, состоящей из 5-6 витков, используют для фунда­ментов зданий и сооружений на суходолах. Длина свай- 10-12 м. Нагрузка на сваи до 50 тс.

Кроме заранее изготовленных, во Франции применяют винто­вые сваи такого же размера, но бетонируемые в грунте. Для этого в грунт завинчивают полый с винтовой лопастью и открытым кон­цом цилиндр. Удаляют грунт. Внутрь цилиндра устанавливают гильзу с арматурным каркасом. По мере вывинчивания цилиндра совместно с гильзой укладывают литую бетонную смесь, которая формует в грунте сваю с винтовой поверхностью.