Главная → Статьи

Свайные фундаменты

Фундаменты такого типа принято устраивать в местностях, где верхний слой грунта не сможет выдержать большую тяжесть. Есть, конечно, альтернатива — удалить верхние слои грунта до более плотных слоев, однако сделать это не всегда возможно, поскольку плотные слои грунта расположены довольно глубоко. Свайные фундаменты также устраивают при высоком уровне стояния грунтовых вод и на плывунах.

Свайные фундаменты представляют собой сваи, столбы с заостренным нижним концом, которые забивают или вворачивают в землю. Самыми устойчивыми являются винтовые сваи, которые вкручивают в землю с помощью специального малогабаритного оборудования. Эта технология очень удобна с точки зрения сохранения ландшафта вокруг строительного участка. Столбы, свободно проходя через слабые слои грунта, упираются в более твердые и передают им нагрузку от строения. Для создания жесткой конструкции верхняя часть столбов соединяется балками.

Для удобства сваи можно не вворачивать, а изготовить непосредственно в грунте. В этом случае бурят скважину, в нее вставляют арматурный каркас или полые трубы, после чего скважину заливают бетоном. Затем бетон обязательно уплотняют трамбовкой или вибрацией.

Примерный срок службы монолитных свайных фундаментов составляет не менее 150 лет. Однако для этого при их возведении следует соблюдать определенные технологические нормы.

—

Свайные фундаменты в упрощенной и примитивной форме — в виде свайной опоры — применяли в глубокой древности. Деревянный мост на свайных опорах, построенный через р. Тибр в Риме 2,5 тысячи лет назад, поражает своей простотой и законченностью конструктивной формы.

В дальнейшем в период строительства каменных мостов сваи применяли для устройства фундаментов. Но сваи имели небольшую длину, а несущая способность их не превышала 10—16 г. Дальнейшее совершенствование свайных фундаментов начинается, хотя и медленно, с середины XIX века. Этому способствовало появление паровых молотов и копров.

Первый паровой молот, изобретенный английским инженером Джемсом Несмитом в 1845 г., был применен в 1846 г. при строительстве моста в Англии [56]. У молота Несмита ударная часть имела вес 2 т, ход поршня составлял 0,41 м, энергия одного удара— 1820 кгм, число ударов — 70—80 в 1 мин. Этот паровой молот имел весьма совершенную конструктивную форму и служил прообразом последующих конструкций молотов. Так, например, молоты «Уоринтон» (1878 г.) и «Крем» (1875 г.) в США, «Лакур» и «Арциша» (1883 г.) в Европе сконструированы по принципу молота Несмита. В конце XIX в. в США появились молоты двойного действия. Наибольшее распространение получили молоты «Уоринтон» и «Кернан-Тери». В Европе молоты двойного действия начал выпускать ряд фирм. Некоторые фирмы с начала XX века начали выпускать молоты, приспособленные для работы под водой, что значительно расширило применение свай при глубокой воде. С увеличением мощности молотов и улучшением их конструкции совершенствовались и сваебойные копры. Развитию свайных работ способствовало применение подмыва для погружения свай (1852 г), железобетонных (1897 г.). и стальных (с начала XX века) свай.

Но свайные фундаменты, хотя их внедрение и шло быстрым, темпом, все же уступали ведущую роль опускным колодцам и кессонам.

Совершенствование техники сваебойных работ вызвало увеличение размеров свай. Если до середины XIX века длина свай редко превышала 20 м, то длина деревянных свай опор моста через р. Луару в Нанте, построенного в 1856 г., уже достигала 30 м, а на строительстве моста через залив Сан-Франциско в 1907 г. применяли деревянные сваи диаметром 40 см и длиной До 36 м.

Сваи диаметром 50 см и длиной до 40 м были применены при строительстве моста через р. Колумбия. В практике отечественного мостостроения также применяли деревянные сваи составного сечения длиной до 36 м.

С появлением железобетонных свай деревянные сваи начинают уступать им место. Железобетонные сваи, а также стальные трубчатые сваи с бетонным ядром начинают широко применяться с начала XX века.

Вначале применяли железобетонные сваи сплошного сечения, прямоугольной или восьмиугольной формы.

Железобетонные сваи большого сечения и длины в большом количестве были применены на строительстве моста через бухту в Сан-Франциско в 1927—1929 гг. Мост имеет длину 13,2 км и состоит из большого числа малых пролетных строений пролетами 9 и 10,5 м. Каждая опора состоит из четырех железобётонных’ свай сечением от 38 X 38 до 48 X 62,4 см. Длина свай — от 13,5 до 31,5 м. Мост построен за 15 месяцев.

Автодорожный мост через р. Джемс в США имеет длину 9,25 км и состоит из 447 пролетов по 13,2 м. Сечение железобетонных свай от 43,2 X 43,2 до 57,6 X 57,6 см. Длина свай от 10,5 до 34,5 м. Мост построен за 13 месяцев.

Железобетонные сваи большого сечения применены на строительстве моста в Новом Уэльсе в Австралии. Железобетонные сваи опор этого моста сечением 50 X 50 см и длиной от 35 до 38 м были погружены молотом весом 8 г под водой. Часть сваи имела сечение 55 X 55 с* и длину 32 м. Вес сваи доходил до 24 т. Тело опоры было выведено при помощи съемных кессонов. На строительстве моста через канал на Адриатическом побережье были забиты железобетонные сваи сечением 60 X 60 см, длиной 47 ж и весом 30 т.

В дальнейшем сваи сплошного сечения, имеющие большой вес, что затрудняет их перевозку и забивку, заменяли полыми сваями.

Полые сваи вначале изготовляли квадратного, а позднее — трубчатого сечения. Полые сваи квадратного сечения 61 X 61 см с толщиной стенки 14 см и длиной 20,4 м применили в 1911 г. на строительстве пристани в Лонг-Бранч в Нью-Джерси. В дальнейшем эти сваи не получили распространения.

Полые железобетонные сваи иногда применяли в сочетании с деревянными. Деревянные сваи забивали так, чтобы их головы возвышались выше дна реки. На них надевали железобетонные полые сваи, а внутреннюю полость заполняли бетонной смесью. Таких примеров очень много.

Наравне с железобетонными широко применяли стальные сваи. Формы поперечного сечения стальных свай очень разнообразны. Наиболее широко применяли сваи Н-образного сечения. Стальные сваи нашли широкое распространение в США, где применяются и в настоящее время. При строительстве одного моста Н-образные сваи длиной до 60 м были погружены в мягкопластичные глины, подстилаемые песками. Сваи были погружены молотом «Вулкан-8000».

Двутавровые сваи большой длины применили в подходной эстакаде моста через р. Потомак в США. Каждая опора состояла из пяти свай с насадкой и дополнительного ригеля на уровне горизонта воды. Длина свай — от 28 до 65 м. Вес наиболее длинных свай доходил до 12 г. На строительство 59 опор истрачено 3400 свай общей длиной 14 200 пог. м и весом 1824 г. Не менее интересны речные опоры (всего 20 шт.) этого моста. Каждая опора состояла из двух или четырех оболочек, объединенных железобетонными диафрагмами. Оболочки внизу имели колоколообразную форму (диаметром от 8,51 до 9,73 м). В основании оболочек забиты стальные двутавровые сваи длиной до 59 м. Верхняя часть свай длиной 3,1—5,2 м заделана в тело оболочки. Общая длина свай, забитых на этом мосту, достигает 59,2 км.

Стальные трубчатые сваи иногда применяли в сочетании с деревянными или железобетонными. При постройке опор моста вблизи Южно-Бугского лимана стальные трубчатые сваи диаметром 83 и 93 см применяли в сочетании с деревянными сваями. Деревянные сваи были забиты после погружения стальных труб.

Помимо деревянных, железобетонных и стальных свай, применяли также буровые сваи. Буровые (набивные) сваи имеют много разновидностей. Особенно их много в зарубежной патентной литературе. Большинство из них в настоящее время имеет только исторический интерес.

В отечественном мостостроении применяли буровые сваи, предложенные русским инженером Страуссом (1839 г.) и усовершенствованные инж. Платоновым (1930 г.). По этому методу обсадная труба погружается до проектной глубины с извлечением грунта из внутренней полости; затем укладывается бетонная смесь слоем 1,5—2 м и прессуется давлением сжатого воздуха. Обсадная труба извлекается, и по мере извлечения трубы укладываются новые порции бетонной смеси.

В СССР сваи типа Страусса диаметром до 60,5 см, длиной до 20 м, с несущей способностью до 100 г применены при сооружении нескольких мостов.

С внедрением высоких свайных ростверков свайные фундаменты начинают вытеснять кессоны и опускные колодцы.

Высокие свайные ростверки в портовых сооружениях начали применять раньше, чем в мостостроении. В портовых сооружениях их устраивали еще в XIX веке, но без научно обоснованных расчетов.

Первые высокие ростверки построены в России в 19.13 г. Н. М. Герсевановым при строительстве опор углеперегружате-ля в Петербурге (рис. 8). Для перегрузки угля с пароходов в железнодорожные вагоны были сооружены восемь металлических мостов пролетами по 26,5 м. Речная опора опирается на 16 железобетонных свай сечением 32 X 32 см и длиной по 17,5 м.

Глубина воды у опоры достигает 8,5 м. Часть свай забита с наклоном. Эти опоры благополучно существовали более 40 лет, выдержав постоянные навалы судов. Семь опор из восьми были реконструированы только в 1955 г. Герсеванов дал классический метод расчета высоких свайных ростверков; он же предсказал перспективность свайных фундаментов на высоких ростверках для замены опускных колодцев и кессонов.

Другим замечательным примером применения высоких свайных ростверков являются опоры моста (рис. 2) длиной 655 м у г. Стокгольма. До строительства этого моста существовал наплавной мост. Ширина пролива 750 м, глубина воды 18—20 м. Плотные грунты в виде галечника находятся в среднем на глубине 35—40 м, а местами на глубине 60 м от среднего уровня воды. Над галечником залегают текучепластичные и мяг-копластичные глины. Проекты постоянного моста составлялись неоднократно, начиная с 1915 г., но тяжелые условия перехода препятствовали их осуществлению. Был принят проект, составленный немецкой фирмой в 1920 г. В результате удачного размещения опор наибольшая глубина забивки свай не превышала 25 м. Строительство моста было начато весной 1922 г. и закончено зимой 1923 г. Схема высокого ростверка выбрана без расчета путем испытания моделей, выполненных в ‘/«о натуральной величины. Под пролетные строения пролетом 49,5 м назначено по 10 свай, из них восемь наклоном 8 : 1, а под пролетные строения пролетом 140 м — 20 свай. Сваи — железобетонные трубчатые диаметром 93 см с толщиной стенки 8,5 см. Длина свай доходила до 45 м.

Удачная схема высокого свайного ростверка опор моста у Каппельна, построенного в 1925—1926 гг., показана на рис. 10. Мост совмещенный, имеет длину 163 м. Русло реки сложено из плывуна мощностью от 6 до 11 м, а ниже, на глубине 12—16 м, залегают плотная глина и мергель. Концы свай доведены до плотных грунтов. Глубина воды — до 11 м. Под каждой опорой забиты по 28 железобетонных свай сечением 40X40 см и длиной от 16 до 20 м. Часть свай забита с наклоном 4:1. Опоры защищены от размыва каменной наброской. Большая глубина воды и наличие плывунов затрудняли погружение свай. Несмотря на это, ростверк имеет большую жесткость, что достигнуто благодаря рациональному размещению вертикальных и наклонных свай.

Фундаменты на высоких свайных ростверках широко применяли в СССР в годы второй мировой войны, особенно в послевоенные годы. Около 80% мостов в этот период восстановлены на свайных ростверках.

Успешному применению высоких свайных ростверков способствовали разработка (в 1949 г.) практического пособия по расчету высоких свайных ростверков и составленные ЦНИИС и Лентрансмостпроектом Технические указания по расчету и проектированию высоких свайных ростверков (1954—1957 гг.). В разработку теории расчета высоких свайных ростверков большой вклад внесли советские ученые Б. А. Урецкий, Г. С. Шпиро, А. А. Царьков и др.

Для успешного внедрения свайных фундаментов большое значение имело уточнение несущей способности забивных свай по грунту и нахождение методов ее увеличения.

Метод увеличения несущей способности свай путем устройства камуфлетного уширения в СССР предложен А. А. Лугой и внедрен в практику в 1941 г. Устройство камуфлетных уширений позволяет при небольшой затрате средств увеличить несущую способность свай в 1,5—2 раза. К настоящему времени на камуфлетных сваях построено более 50 мостов, зданий и портовых сооружений.

К свайным фундаментам относятся также фундаменты на буровых и винтовых сваях.

С 1894 г. начали применять вращательное роторное бурение со сплошным разбуриванием забоя, с двигателем, установленным на поверхности, и выдачей разбуренной породы путем промывки глинистым раствором. Однако в мостостроении буровые сваи, устраиваемые при помощи подобных буровых агрегатов, начинают-находить применение только с недавнего времени. Этому способствует внедрение метода бетонирования ствола буровой сваи под глинистым раствором, предложенного советскими учеными в 1950 г. Буровые сваи с уширенным основанием диаметром до 3 м, разработанные и внедренные проф. Е. Л. Хлебниковым и инж. Тер-Микаэляном, отличаются большой несущей способностью — 1000 т и более.

Винтовые сваи применили еще в 1838 г. в Англии. Первые винтовые сваи имели деревянный ствол с чугунным наконечником; их завинчивали при помощи мускульной силы людей или животных. В дальнейшем деревянный ствол заменяют стальным. В России винтовые сваи впервые были применены в 90-х годах прошлого столетия при строительстве мостов на дороге Самтре-диа — Поти. Сваи изготовляли из металлической трубы диаметром 20 см при диаметре лопасти 100 см с шагом 15 см. Опоры этих мостов служат и в настоящее время. Несколько мостов, построенных на винтовых сваях в Сибири в начале XX столетия, также существовали до недавнего времени. В Китае винтовые сваи применили при строительстве мостов на дороге Пекин — Нанкин также в начале XX столетия. Сваи имели диаметр ствола 35 см и чугунную лопасть диаметром 120 см. Опоры на винтовых сваях моста через р. Хуанхэ эксплуатируются до настоящего времени. В дальнейшем находят применение сваи диаметром ствола более 100 см при диаметре лопасти более 200 см. Примером успешного применения винтовых свай может служить строительство восьми мостов в Индии. Каждая опора моста сооружена на двух винтовых сваях с диаметром ствола 90 см и диаметром лопасти 172 см. Сваи завинчивали с открытым нижним концом, применяя внутренний инвентарный ключ, при помощи которого крутящий момент с кабестана передавали на лопасть. Опоры двух мостов под 75 пролетными строениями были сооружены за 8 месяцев.

В СССР винтовые сваи начинали применять с 1944 г., но после 1955 г. они вытеснены другими видами свай.

Винтовые сваи с большой несущей способностью диаметром 102 см и диаметром лопасти 2,2 м использованы в 1949—1950 гг. на строительстве большого моста. В разработку и внедрение их большой вклад внесли инженеры И. О. Цюрупа, И. М. Чистяков и др. Усилиями советских мостостроителей созданы мощные механизмы для завинчивания свай — кабестаны с крутящим моментом до 150 т. С 1948 по 1955 г. винтовые сваи успешно применены взамен кессонных фундаментов или опускных колодцев.

Недостаток буровых и винтовых свай, несмотря на их относительно высокую несущую способность, — это ограниченная область их применения по грунтовым условиям. Винтовые сваи, кроме того, требуют большого расхода стали на устройство наконечника. Однако винтовые сваи незаменимы, когда нельзя применять ударные снаряды или виброударные машины: например, вблизи зданий или сооружений, для которых динамическое воздействие недопустимо.

Ваш отзыв