Песчаные сваи впервые стали применяться для уплотнения грунтов еще в XIX в. Однако их применение носило опытный характер. Песчаные сваи устраивали только в основаниях под одноэтажные здания, а качество уплотнения грунтов песчаными сваями не было оценено объективно. По данным А. А. Эрлиха, песчаные сваи в СССР были применены впервые при строительстве здания холодильника в Днепропетровске, а в 1932-1933 гг. - для уплотнения основания лесохимического комбината. Эти сваи имели длину 5 м и диаметр 25 см. В 1932 г. С. А. Шашков составил временную инструкцию на производство работ по изготовлению песчаных свай.

Методы расчета песчаных свай были впервые предложены Г. Л. Медведевым и Ю. М. Абелевым. Однако несовершенство технологии устройства этих свай, а также недостаточно разработанные методы расчета затормозили их применение в СССР практически до 1951 г.

В 1950-1956 гг. в Прибалтике под руководством Ю. М. Абелева и Е. В. Светинского песчаные сваи были устроены в основаниях четырех жилых зданий, железнодорожной эстакады и нескольких промышленных объектов. Как показало технико-экономическое сравнение, уплотнение слабых глинистых грунтов песчаными сваями оказывается более выгодным методом по сравнению с уплотнением оснований жесткими железобетонными висячими сваями. Технико-экономические показатели упрочнения оснований песчаными и жесткими сваями приведены в табл. III.1, составленной Е. В. Светинским.

Сущность метода уплотнения грунтов песчаными сваями заключается в следующем. При забивке в грунт металлической трубы с закрытым концом или железобетонной сваи вокруг них возникает зона уплотненного грунта за счет его смещения из участка образования сваи в окружающую область. Как показали исследования, при забивке сваи диаметром 40-50 см, вокруг нее образуется зона уплотненного грунта на расстоянии до полутора метра от центра сваи.

По существу песчаная свая - это песчаная дрена, только с уплотненной зоной вокруг нее.

Принцип работы песчаной сваи отличается от принципа работы висячей железобетонной сваи, вокруг которой тоже возникает уплотненная зона. Разница состоит в том, что после приложения нагрузки к основанию практически вся она воспринимается железобетонными сваями, так как модуль деформации железобетонной сваи (200 000 кгс/см²) во много раз превышает модуль общей деформации уплотняемых грунтов (30-50 кгс/см²), и передается грунтам через нижние концы свай. Модуль деформации материала песчаной сваи (100-150 кгс/см²) ненамного отличается от модуля общей деформации окружающих песчаную сваю грунтов. Поэтому песчаная свая воспринимает нагрузку вместе с окружающим ее уплотненным грунтом. Иными словами, фундамент, расположенный на основании, уплотненном песчаными сваями, следует рассчитывать как фундамент на естественном основании, но в качестве модуля общей деформации основания принять модуль грунта после его уплотнения.

Чтобы ускорить консолидацию слабых водонасыщенных глинистых грунтов при помощи вертикальных дрен, необходимо, как было сказано выше, обжать грунты пригрузочной насыпью - отжать поровую воду. При устройстве песчаных свай пригрузочной насыпи не требуется. После забивки металлической трубы в грунт в уплотненной зоне возникают большие напряжения (на контакте напряжения достигают 8 кгс/см²). Они воспринимаются поровой водой, в ней возникает избыточное давление, под действием которого вода перемещается в песчаную сваю.

Следует отметить, что при забивке в водонасыщенные глинистые грунты железобетонной сваи в поровой воде вокруг нее также возникают большие давления. Однако в этом случае поровая вода может либо перемещаться по контактной поверхности со сваей, либо отжиматься в противоположном от сваи направлении. Очевидно, что при устройстве песчаных свай уплотнение водонасыщенных глинистых грунтов происходит значительно быстрее, чем при забивке свай железобетонных.

После устройства вертикальных песчаных свай модуль общей деформации грунта увеличивается. Так, после устройства песчаных свай для жилых зданий в Риге модуль деформации слабых водонасыщенных грунтов увеличился в 3-4 раза (см. рис. III.12). Как правило, модуль общей деформации грунтов после устройства песчаных свай равен модулю общей деформации грунтов, уплотненных в компрессионном приборе до пористости, равной пористости грунта (среднее значение) между сваями.

Производство работ по глубинному уплотнению слабых водонасыщенных глинистых грунтов песчаными сваями осуществляется следующим образом. На площадке, где предполагается устроить песчаные сваи, отсыпают песчаную подушку толщиной 0,5-0,7 м для беспрепятственного прохода механизмов, с помощью которых устраивают сваи (экскаватор или копер, самосвалы, перевозящие песок, погрузчик и т.п.).

Рис. III.12 Изменение сжимаемости грунтов основания после устройства песчаных свай
1 - уплотненный грунт; 2 - неуплотненный грунт

Песчаные сваи устраивают тем же практическим способом, что и вертикальные песчаные дрены. Разница заключается лишь в необходимости очень тщательного уплотнения песка в теле сваи.

В СССР наиболее часто песок в теле сваи уплотняют по методу «свая в сваю», т. е. после того, как песчаная свая будет устроена и труба с самораскрывающимся башмаком извлечена из грунта, створки башмака снова закрывают, надевают кольцо на низ башмака, и трубу снова погружают в тело уже устроенной сваи. Обычно считается удовлетворительным, если при повторном погружении трубы ее удается опустить до глубины, составляющей 0,8 длины песчаной сваи. Затем в трубу снова порциями засыпают песок и извлекают ее из грунта. Этот метод позволяет прекрасно уплотнять слабые водонасыщенные глинистые грунты, так как диаметр песчаных свай вместо 40-50 см получается фактически равным 60-70 см. Кроме того, этот способ дает гарантию непрерывности сваи по всей ее длине. Над песчаными сваями устраивают песчаную подушку толщиной 50 см (даже в том случае, если она не требуется для производства работ).

Обычно при забивке трубы с закрытым концом из соседней (уже изготовленной) песчаной сваи вода часто фонтанирует. Поэтому, чтобы частицы грунта не выносились с водой, для заполнения свай должен использоваться песок средне- или крупнозернистый, содержание пылеватых и глинистых частиц в песке не должно превышать 10%, а только глинистых частиц не более 3%.

Сваи устраивают от периметра к центру. При необходимости большого количества свай их устраивают рядами, т. е. первоначально нечетные ряды, а затем четные. В зимних условиях необходимы меры, исключающие смерзание песка в комья.