Область применения свайных фундаментов и их составные элементы
Свайные фундаменты широко применяются как в мостостроении, так и в других областях строительства. Эффективность этих фундаментов обусловлена более полным использованием несущей способности грунтового основания и прочности элементов фундамента. Развитие строительной индустрии способствует совершенствованию технологии сооружения свайных фундаментов и существенному снижению экономических затрат.
На рис. 4.1 приведена общая схема свайного фундамента.
 Рис. 4.1 Общая схема свайного фундамента |
Согласно этой схеме свайный фундамент состоит их двух основных элементов: свай (свай-оболочек или свай-столбов) и плиты, объединяющей их в верхней части и называемой плитой ростверка. Высотное положение элементов свайного фундамента обозначается следующими отметками: 
— обрез плиты ростверка, 
— подошва плиты ростверка, 
— верх (голова) свай, 
— нижний конец свай. Свая может полностью располагаться в грунте. Глубина погружения сваи в грунт, считая от подошвы плиты ростверка обозначается 
. Плита ростверка может возвышаться над грунтом. В этом случае участок сваи над грунтом называется свободной длиной и обозначается 
.
Область применения свайных фундаментов может определяться грунтовыми условиями, технологическими возможностями, а также экономической целесообразностью. Применение свайного фундамента безусловно оправдано, если основание сложено в верхней своей части слабыми грунтами, а в нижней части более прочными породами. Тогда сваи пронизывают слабые слои грунта и передают нагрузку от сооружения на нижележащие малосжимаемые горизонты.
На местности, покрытой водой при значительной глубине водотока сооружение свайного фундамента может оказаться единственно возможным по технологическим причинам. Возведение массивного фундамента мелкого заложения в таких условиях сопряжено с большими трудностями, тогда как погружение свай с плавсредств и последующее устройство плиты ростверка технологически отработано.
Наконец, нередки случаи, когда имеется возможность устроить как фундамент мелкого заложения, так и свайный фундамент. Тогда разрабатываются проекты обоих вариантов фундаментов и выбор типа фундамента осуществляется по экономическим показателям.
Совершенствование конструкций и технологии сооружения свайных фундаментов является одной из основных задач в области транспортного строительства.
Типы свай
Применяемые в строительстве сваи различаются по нескольким признакам: по материалу, из которого они изготовлены, по своим размерам и форме, по способу устройства в грунте и другим [1]. Следует иметь в виду, что классификации свай претерпевают изменения по мере совершенствования их конструкций и технологии изготовления, появления новых типов свай. Рассмотрим существующие конструкции свай, применяемые в строительстве в настоящее время пользуясь несколькими классификационными признаками.
Предварительно, рассмотрим несколько определений. Сваей называется элемент — деревянный, бетонный, железобетонный или стальной, полый или сплошного сечения, погружаемый в грунт (в случае полого элемента с закрытым нижним концом) диаметром поперечного сечения не более 0,8 м.
Сваей-оболочкой называется полый железобетонный или стальной элемент, погружаемый в грунт с открытым нижним концом и выемкой грунта из внутренней полости диаметром 1 … 3 м.
Свая-столб — элемент, как правило, изготовляемый из железобетона на месте строительства в заранее пробуренной скважине диаметром более 0,8 м.
Данные определения отличаются некоторой условностью и не охватывают всего многообразия свайных конструкций. Здесь они приведены для первоначального знакомства со сваями. Итак, рассмотрим наиболее распространенные типы свай.
Прежде всего познакомимся со сваями, погружаемыми в грунт в готовом виде.
Деревянные сваи применяют обычно там, где лес является местным строительным материалом. Готовят их из леса хвойных пород, преимущественно из сосны и лиственницы со здоровой древесиной, диаметром от 18 до 40 см и длиной 4,5–8,5 м. Более длинные бревна дефицитны, и их изготавливают по специальному заказу. Рекомендуется лес зимней рубки с неограниченной влажностью.
Бревна для свай очищают от сучьев, наростов и коры. Естественную коничность бревен обычно сохраняют. Иногда бревна для свай цилиндруют.
Сваи погружают в грунт тонким концом, который заостряют на 3 или 4 грани (рис. 4.2, а, б). Более пологое заострение делают для забивки свай в более плотные грунты. Если в грунтах содержатся твердые включения (гравий, галька и пр.), острие сваи защищают стальным башмаком (рис. 4.2, б), который крепят гвоздями. Заострение выполняют строго по оси, иначе свая при погружении будет уходить в сторону.
Верхний конец (голову) сваи обрезают строго перпендикулярно к продольной оси и укрепляют от размочаливания при забивке стальным кольцом-бугелем из полосы толщиной 12–20 мм и шириной 50–100 мм (рис. 4.2, в).
Бревна в свае можно наращивать. Стык по длине сваи делают не более одного раза, строго в торец и фиксируют стальным штырем по оси бревен и полосовыми или уголковыми накладками длиной 2,5–3 диаметра сваи (рис. 4.2, г). Вместо накладок используют также стальные патрубки (рис. 4.2, д). После погружения свай стыки должны находиться на 2 м ниже уровня возможного размыва, а у смежных свай — быть в разных уровнях с разбежкой по высоте не менее 0,75 м.
Более длинные деревянные сваи (до 25 м) изготавливают пакетными из трех или четырех бревен (рис. 4.2, е) или клеенными водостойкими составами из досок или брусьев (рис. 4.2, ж).
 Рис. 4.2 Деревянные сваи (размеры в см) |
Стыковку бревен в пакетных сваях выполняют с разбежкой не менее 1,5 м. Нижний конец пакета бревен защищают общим стальным башмаком, а верхние концы бревен — общим бугелем.
Деревянные сваи дешевы, просты в изготовлении, имеют небольшой вес, что упрощает их транспортировку и погружение в грунт. Однако у них ограничена длина, а потому сравнительно невысокая несущая способность [2]. На изготовление же пакетных свай из бревен расходуется много металла, что сильно удорожает их. Кроме того, деревянные сваи подвержены гниению в условиях переменной влажности. Поэтому в постоянных сооружениях головы деревянных свай располагают ниже самого низкого уровня воды не менее чем на 0,5 м. В морской воде, где имеются вредители древесины (шашень и др.), деревянные сваи не применяют.
Забивные железобетонные сваи сплошного сечения
В мостостроении широко применяют типовые призматические железобетонные сваи квадратного сечения 30´30, 35´35 и 40´40 см с обычной или предварительно напряженной арматурой. Реже используются сваи прямоугольного сечения 25´30, 30´35 и 35´40 [2, 3].
В практике фундаментостроения применяют также трех-, шести- и восьмигранные призматические сваи сплошного сечения.
Мостовые сваи бывают нетрещиностойкие (с допустимым раскрытием трещин не более 0,2 мм), которые изготавливают из обычного железобетона с невысоким процентом армирования из условия прочности их при изгибе от собственного веса во время монтажа. Продольная (рабочая) арматура таких свай состоит из четырех стержней периодического профиля, размещенных в углах сечения сваи. Длина таких свай от 4 до 12 м. Предназначены они для фундаментов с низким ростверком с небольшими горизонтальными нагрузками.
Трещиностойкие мостовые сваи (с допустимым раскрытием трещин не более 0,1 мм) из обычного железобетона класса от В20 до В35 имеют более высокий процент армирования и длину от 4 до 18 м. При этом для более крупных свай применяют более высокий класс бетона и более высокий процент армирования. Рабочая арматура, расположенная в углах сечения таких свай, состоит из 1–3 стержней периодического профиля класса А-II диаметром от 20 до 28 мм (рис. 4.3).
В острие сваи рабочую арматуру сводят в пучок вокруг фиксирующего штыря, а голову сваи усиливают сварными сетками. Шаг поперечной спиральной арматуры у концов сваи, где возникают наибольшие напряжения при забивке, принят меньше, чем по длине ее средней части. Для строповки свай предусмотрены строповочные петли, расположенные в местах по длине сваи из расчета равенства изгибающих моментов от ее собственного веса в точках строповки и в пролете.
 Рис. 4.3 Мостовая призматическая железобетонная свая: а — опалубочный чертеж; б — типы армирования свай; в — армирование острия сваи |
Типовые предварительно напряженные сваи сплошного квадратного сечения для фундаментов транспортных сооружений имеют длину от 8 до 20 м. Изготавливают их из бетона класса В35 и армируют либо стержневой арматурой периодического профиля класса А-IV диаметром 12–20 мм, либо высокопрочной проволокой периодического профиля класса Вр‑II диаметром 5 мм. Для высоких ростверков фундаментов мостов используют предварительно напряженные сваи со стержневой арматурой.
Мостовые сваи для обычных климатических условий имеют защитный слой бетона толщиной 30 мм, а в северном исполнении — 50 мм.
В действующих каталогах свай каждому их типоразмеру присвоена своя марка. Например, марке СМ12-35Т4 соответствует свая мостовая (СМ) длиной 12 м сечением 35´35 см, трещиностойкая (Т) с 4-м типом армирования; марке СН-12-35 соответствует свая предварительно напряженная (СН) длиной 12 м сечением 35´35 см.
Основным недостатком сплошных забивных свай является их большая масса, что затрудняет их транспортировку и требует использования тяжелого кранового и сваебойного оборудования. В меньшей степени эти недостатки присущи полым сваям, которые чаще всего делают цилиндрической формы.
Сваи из сборных железобетонных оболочек
Полые железобетонные сваи кольцевого сечения собирают из отдельных секций с наружным диаметром 0,4; 0,6; 1,2; 1,6; 3,0 м, длиной от 4 до 12 м при диаметре от 0,4 до 1,6 м и длиной 6 м при диаметре 3,0 м [1, 3]. Толщина стенок оболочек при диаметре 0,4–0,6 м составляет 8–10 см, а при диаметре 1,2–3,0 — 12 см. В мостостроении применялись также оболочки с толщиной стенок 15–20 см (толстостенные оболочки).
Сваи из оболочек малого диаметра можно смонтировать на полную длину до их погружения. При большом диаметре секции оболочек наращивают по мере их погружения, благодаря чему общая длина свай может достигать 50 м и более. После погружения в грунт полости оболочек заполняют бетоном (иногда армированным), песком или оставляют полыми.
Секции оболочек изготавливают из обычного или предварительно напряженного железобетона из бетона класса В35. Для заполнения полости оболочек используют бетон классов В20 и В25. Продольную арматуру располагают в тонкостенных оболочках посередине толщины стенок в один ряд равномерно по сечению. В толстостенных оболочках принята двухрядная по толщине стенок расстановка продольной арматуры. В оболочках из обычного железобетона используют арматуру периодического профиля класса А-II с диаметром стержней 16–25 мм, а в предварительно напряженных — класса А-IV. Поперечную спиральную арматуру выполняют из проволоки диаметром не менее 6 мм с шагом 10 см, а на концевых участках каждой секции — 5 см. Типовые оболочки из обычного железобетона при одном и том же диаметре могут иметь разный процент армирования: m = 2; 2,5 и 3 % — при диаметре оболочки 0,4 и 0,6 м и m = 1,5; 2,0; 3,0 и 5,0 % — при больших диаметрах. На рис.4.4показан один из типов армирования оболочки диаметром 0,6 м. Типовые оболочки из предварительно напряженного железобетона имеют один и тот же процент армирования (m = 3 %).
 Рис. 4.4 Секция железобетонной оболочки: 1 — обечайка; 2 — продольная арматура; 3 — спиральная арматура; 4 — коротыши из арматуры |
Секции оболочек диаметром 0,4–1,6 м изготавливают на центрифугах, а диаметром 3,0 м — в вертикальных виброформах. В сваях их соединяют между собой фланцево-болтовым стыком (рис. 4.5, а) или сварным (рис. 4.5, б). Оболочки из предварительно напряженного железобетона и оболочки диаметром 3,0 м соединяются только на фланцево-болтовых стыках.
Для предохранения от коррозии стыки омоноличивают бетоном на быстротвердеющем цементе, а стыки, располагаемые в грунте, заливают горячим битумом.
Оболочки диаметром 0,4 и 0,6 м обычно погружают с закрытым нижним концом, для чего используют специальные наконечники, присоединяемые к концу нижней секции сваи (рис. 4.6, а). В этом случае взаимодействие оболочки с грунтом в процессе погружения ничем не отличается от свай сплошного сечения.
Оболочки более крупного диаметра погружают с открытым нижним концом, для чего в нижней их части устраивают кольцевой стальной нож(рис. 4.6, б). Для уменьшения сопротивления такой оболочки погружению одновременно с погружением производят выемку грунта у ножа через полость оболочки. При этом грунт вокруг нее не испытывает существенного дополнительного уплотнения, которое совершается при забивке свай с закрытым нижним концом, что сказывается на их несущей способности. В связи с этим несущие элементы свайных фундаментов из оболочек диаметром до 0,6 м называют сваями, а большего диаметра — сваями-оболочками.
 Рис. 4.5 Стыки секций железобетонных оболочек: а — фланцево-болтовой; б — сварной |
 Рис. 4.6 Нижний конец железобетонных оболочек: а — глухой наконечник, б — кольцевой нож |
Стальные и сталебетонные сваи
Стальные сваи делают из прокатных профилей (двутавров, швеллеров, уголков) или же из сварных или цельнотянутых труб [2]. Для увеличения жесткости стальных свай прокатные профили соединяют с помощью сварки или заклепок в пакеты коробчатого, таврового или крестообразного сечения. Такие сваи можно погружать в грунты, содержащие твердые включения, и пробивать ими тонкие прослойки полускальных грунтов или разрушенные слои скальных.
По затратам металла и сложности изготовления более предпочтительны сваи из стальных труб. Их звенья стыкуют на стеллажах на полную длину, а при длине свай более 25 м — наращивают звеньями в процессе погружения. Стыки делают сварными с накладками (рис. 4.7, а), а нижние концы — глухими (с закрытым наконечником из тех же труб,рис. 4.7, б) или открытыми. Стальные оболочки диаметром более 1 м погружают только с открытым нижним концом с удалением из них грунта. Полость оболочки заполняют бетоном класса В20 или В25 (сталебетонные сваи). Длина таких свай может достигать 50 м.
 Рис. 4.7 Элементы конструкции оболочки сталебетонной сваи: а — сварной стык секций; б — глухой стальной наконечник |
Недостатком стальных свай является большой расход металла и подверженность коррозии. Скорость коррозии стали под водой составляет 0,014–0,05 мм/год, а в зоне переменной влажности может достигать 0,4–0,5 мм/год. Для защиты свай от коррозии их поверхность покрывают асфальтовыми красками или каменно-угольной смолой.
Винтовая свая (рис. 4.8) состоит из стального или железобетонного ствола и стального или чугунного башмака, снабженного винтовыми лопастями.
Винтовой башмак сваи делают литым или сварным. Винтовая лопасть имеет длину 1,25–1,5 оборота и диаметр, равный 3–4,5 диаметра ствола сваи. Шаг лопасти при диаметре ствола d £ 60 см назначают равным (0,6–0,8)d, а при большем диаметре — (0,35–0,4)d.
 Рис. 4.8 Винтовая свая: 1 — стальная оболочка; 2 — башмак с винтовой лопастью |
Погружают винтовые сваи путем их завинчивания специальными механизмами-кабестанами. Погружение возможно в вертикальном и наклонном положениях в несвязные и связные грунты, в том числе с включением валунов размером менее шага винтовой лопасти. В практике строительства применялись винтовые сваи с диаметром лопасти 3,0 м длиной до 50 м. Винтовая лопасть увеличивает опорную площадь нижнего конца сваи, что существенно увеличивает ее несущую способность. Кроме того, винтовые сваи за счет той же лопасти способны воспринимать значительные выдергивающие нагрузки, а потому их можно использовать как анкерные.
Набивные и буровые сваи
Этот тип свай изготавливается непосредственно на месте строительства [1, 2, 3]. Для сооружения сваи в грунте предварительно устраивается скважина методом бурения или пробивки.
Пробивка скважина выполняется без выемки грунта из ее полости и, следовательно имеет место уплотнение грунта в прискважинной зоне. Скважина заполняется бетонной смесью порциями с уплотнением и вдавливанием ее в грунт. В результате образуется рифленая поверхность, обеспечивающая повышенное сцепление сваи с грунтом (рис. 4.9, а). Такие сваи называются набивными. К этому типу относятся сваи Франки, частотрамбованные сваи, сваи Симплекса, Стерна и др. (рис. 4.9, б).
Рис. 4.9 Набивная свая : а-частотрамбованная, б-свая Франки Бурение скважин в устойчивых грунтах может осуществляться без крепления стенок скважин. При наличии воды или возможности обрушения стенок скважин выполняется их крепление с помощью глинистого раствора или обсадных труб. После устройства скважины устанавливается арматурный каркас и бетонируется тело сваи. Обсадные трубы как правило извлекаются из грунта. Бетонная смесь может укладываться с уплотнением. Такие сваи называются буронабивными (рис. 4.10). Диаметр буронабивных свай может составлять 0,8 … 2,5 м. Длина буронабивных свай достигает десятков метров. В уровне нижнего конца буронабивных свай при необходимости делается уширение. Диаметр уширения 2,5 … 3,5 м. Буронабивные сваи с уширенной пятой обладают повышенной несущей способностью. Уширение целесообразно применять, когда буровая свая опирается на прочные породы.
|
Рис. 4.10 Буронабивная свая
4.11 Буроопускная свая
Рис. 4.12 Камуфлетная свая: 1 — оболочка; 2 — заряд ВВ; 3 — электропровода; 4 — литая бетонная смесь; 5 — камуфлетное уширение; 6 — арматурный каркас
контролируют замерами уровней бетона в скважине до взрыва ( 
) и после него ( 
). Необходимо, чтобы после взрыва в полости оболочки остался столб бетона высотой не менее 2 м. Для предохранения ствола железобетонной оболочки от разрушения при взрыве к ее нижнему концу присоединяют стальной патрон, на дне которого и размещают заряд. Взрывом разрушается нижняя часть патрона, а стенки оболочки остаются целыми.
Рис. 4.13 Свайный фундамент с низким ростверком
Рис. 4.14 Свайный фундамент с высоким ростверком
Рис. 4.15 Свайная опора
4.16. Безростверковые опоры свайно-эстакадного моста
Рис. 4.17 Свайно-плитный фундамент
(расчетное сопротивление грунта по боковой поверхности сваи), а по торцу сваи — нормальное давление 
(расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи). Суммарная величина максимальных сил сопротивления называется несущей способностью сваи на вдавливание по грунту 
.
, где слагаемое 
обусловлено силами трения 
— лобовым сопротивлением 
и касающейся края уширения ( 
— средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов в пределах высоты конуса).
(рис.4.18, в). Силы трения 
. Для свай без уширения эта величина определяется только силами трения по боковой поверхности 
(рис. 4.19, а). Наличие в нижнем конце сваи уширения создает дополнительное сопротивление выдергиванию сваи за счет нормальных к верхней плоскости уширения сил 
(рис.4.19, б).
Рис. 4.19. К несущей способности на выдергивание
(4.1)