Тема 4. Методы и средства устройства свайных фундаментов

Сваи получили широкое применение при возведении свайных фунда­ментов под здания, сооружения и машины, а также при устройстве подпор­ных стен причальных сооружений, набережных, различных шпунтовых ограждений, при уплотнении оснований и т.д.

Экономичность свайных фундаментов позволяет в настоящее время применять их не только в слабых грунтах при значительных нагрузках, но и в грунтах плотных и средней плотности при сравнительно небольших на­грузках, имеющих место в массовом жилищном строительстве.

Свайный фундамент состоит из свай и ростверка. Ростверк объединяет головы свай и служит опорной плитой или балкой для возводи­мых промышленных и гражданских зданий и сооружений. Железобетонные ростверки выполняются сборными или монолитными.

По принципу работы в грунте сваи подразделяются на два основных типа: сваи-стойки (рисунок 2а), которые прорезают всю толщу слабых грун­тов и передают нагрузку на практически несжимаемые грунты, лежащие под нижним концом сваи; висячие сваи, не достигающие плотных грунтов и воспринимающие нагрузки на грунт боковой поверхностью и нижним кон­цом (рисунок 2б).

Рисунок 2- Схемы работы свай: а – сваи-стойки; б – висячие сваи; 1 – растительный грунт; 2 – водоносный песок; 3 – торф; 4 – слабый суглинок; 5 – скала; R – сопротивление грунта; F – сила трения между боковой поверхностью сваи и грунтом

С целью увеличения несущей способности висячих свай устраивают уширенную пяту.

По способу возведения сваи разделяются на две основные группы: за­бивные (название «забивная» условно принято по самому древнему способу погружения свай), погружаемые в грунт в готовом виде, и набивные, бето­нируемые в предварительно пройденной скважине.

Набивные бетонные и железобетонные сваи чаще всего применяются для фундаментов глубокого заложения в слабых грунтах и при передаче больших сосредоточенных нагрузок, а также при ведении работ вблизи су­ществующих зданий и сооружений, когда нежелательны динамические на­грузки, возникающие при забивке или вибропогружении свай.

Для уплотнения грунтов оснований применяют грунтовые (песчаные) набивные сваи.

При действии на свайный фундамент значительных горизонтальных сил все сваи или часть их устраиваются наклонными. Расположение свай в плане может быть:

-одиночное - под отдельно стоящие опоры;

-ленточное - для передачи распределенных по длине нагрузок (на­пример, от стен зданий) с расположением свай в один, два и более рядов;

-кустовое - под колонны и столбы с расположением свай в плане на участке квадратной, прямоугольной, круглой и другой формы;

- в виде свайного поля - с равномерным расположением свай под всем зданием или сооружением с большими распределёнными по всей площади нагрузками (дымовые трубы, доменные печи, силосы и др.).

Наибольшее применение в современном строительстве получили за­бивные сваи, изготовляемые из железобетона, дерева и стали.

Железобетонные сваи (ненапряженные и предварительно напряженные) классифицируются по форме поперечного сечения, длине, весу, конструкции нижнего конца. Наиболее распространенными являются сваи прямоугольные и квадратные со сплошным поперечным сечением, квадратные с круглой по­лостью и круглые полые сваи. Такие сваи изготовляются по установленному сортаменту. Сваи квадратные сплошного сечения имеют размер от 20x20 см до 40x40 см (с модулем 5 см). Длина их достигает 28 м.

В последние годы стали применять предварительно напряженные квадратные сваи сплошного сечения без поперечного армирования. Они имеют длину от 3 до 9 м и применяются в слабых или средней плотности грунтах.

По длине сваи могут быть целыми (до 12...20 м по сортаменту) и со­ставными, сращенными из отдельных звеньев. Применение составных свай обусловлено простотой изготовления и транспортирования коротких звень­ев, а также возможностью погружать сваи с помощью оборудования мень­шей грузоподъемности и высоты.

В современном строительстве применяются следующие способы по­гружения свай: -забивкой;

вибрированием (вибропогружением);

вдавливанием; -завинчиванием;

подмывом;

комбинированно (например, вибровдавливанием, забивкой или виб­рированием с подмывом и др.).

Имеются практические рекомендации по применению способов по­гружения в различные грунты. Так, ударный метод пригоден при любых грунтах; вибропогружение эффективно при наличии рыхлых песчаных и супесчаных водонасыщенных грунтов; вибровдавливание рекомендуется при погружении в мягкопластичные, текучепластичные и текучие суглинки и глины; применение метода вдавливания ограничивается глинистыми грунтами текучей консистенции.

При выборе копра или другого сваебойного агрегата учитываются: его полезная высота, грузоподъемность, способность забивать наклонные сваи, изменять вылет и поворачивать башню, тип путей передвижения, потреб­ляемая мощность, способ монтажа, демонтажа и перебазирования, а также специфичные условия строительной площадки. Современные копры позво­ляют погружать сваи длиной не более 13...17 м. Грузоподъемность копра подбирается по суммарному весу сваи и погружающего механизма.

Для забивки свай используются молоты механические, паровоздушные одиночного и двойного действия и дизельные штанговые и трубчатые.

Тип молота выбирается в зависимости от веса забиваемой сваи и плот­ности грунта.

Сваи забивают в определенной последовательности (рисунок 3). После­довательно-рядовая схема забивки применяется в несвязных грунтах; в гли­нах и суглинках такая схема забивки может привести к неравномерным осадкам сооружения. Концентрическая от краев к центру забивка характер­на сильным уплотнением в центральной зоне, поэтому применять такую схему следует в слабых, водонасыщенных грунтах. Концентрическая за­бивка от центра к краям возможна в слабосжимаемых грунтах, иначе сваи в процессе

Рисунок 3. Схема очередности погружения свай: а – последовательно-рядовая;

б и в – концентрические; г - секционная

забивки будут отклоняться из-за неравномерного уплотнения грунта со стороны забитых свай и свободной внешней части. При секционной схеме забивки, применяемой в связных грунтах, сначала членят свай­ное поле на секции, забивая сваи в граничных рядах, а затем ведут последо­вательно-рядовую забивку в пределах секции.

Погружение свай в лидерные скважины является наиболее распро­страненным способом при большой глубине промерзания грунта, находя­щегося в пластично-мерзлом состоянии. Обычно диаметр лидерной сква­жины принимается несколько меньше наибольшего размера сечения сваи. Сваю в лидерную скважину погружают забивкой или вибрацией. Возможность применения вибрационного метода объясняется тем, что грунт, при­легающий к свае (толщиной до 1 см), под действием вибрационных колеба­ний сваи нагревается и оттаивает, образуя своего рода смазку, облегчаю­щую внедрение сваи в грунт. Погруженная вибрацией свая вмерзает через 3...20 суток в зависимости от времени года. Свая, погруженная забивкой, вмерзает быстрее - через 1 ...2 суток.

Устройство набивных свай. Различают набивные сваи бетонные и железобетонные, с уширенной пятой и без уширения (рисунок 4). Процесс уст­ройства набивной сваи в общем случае состоит из операций по бурению скважины (или погружению металлической трубы), устройству уширения, установке арматурного каркаса, укладке с уплотнением бетонной смеси и вспомогательных операций.

По способу производства работ набивные сваи можно разделить на три основные группы: бетонируемые под защитой извлекаемой металлической оболочки; бетонируемые в остающейся в грунте оболочке; бетонируемые без защиты оболочки.

Для защиты голов свай от разрушения при забивке молотами и равно­мерного распределения силы удара на площади сваи применяются литые металлические наголовники, которые снабжаются сменными прокладками-амортизаторами из древесины или пластмассовых пластин.

Забивка свай молотамибез каких-либо дополнительных мер допуска­ется при небольшой глубине промерзания грунта (менее 30 см).

Рисунок 4 - Набивные сваи:

а – бетонная; б – железобетонная с разбуренным уширением; в – железобетонная с камуфлетным уширением; г – комбинированная камуфлетная; д – в железобетонной оболочке; 1 – бетонный ствол; 2 – выпуски арматуры; 3 – арматурный каркас; 4 – бетонное уширение; 5 – оголовок сваи; 7 – уплотненный взрывом грунт; 8 – оболочка; 9 – бетонное заполнение оболочки

Погружение свай с помощью пробойникавозможно при глубине про­мерзания не более 50 см, когда появляется опасность разрушения сваи и значительного отклонения ее. Пробойник погружают на всю глубину мерз­лого грунта и затем извлекают. Сваю устанавливают в образовавшуюся лунку и забивают до проектной отметки.

До устройства ростверка срезают головы свай под проектную отметку с помощью отбойных молотков, специальных установок для раздавливания или срезки свай, взрывом или другими способами.

Монолитные ростверки в виде плит или лент бетонируют в инвентар­ной разборно-переставной опалубке.

Тема 5 Технология возведения конструкций из монолитного бетона и железобетона. Опалубочные и арматурные работы. Методы и средства бетонирования конструкций и выдерживания бетона. Контроль качества.

Монолитные конструкции выполняют непосредственно на стройке путем укладки в опалубку арматуры и бетонной смеси. Опалубкой называют специально собранные формы, деревянные или металлические, в которых изготовляют бетонные и железобетонные конструкции для придания им предусмотренных проектом размеров и очертаний.

Комплекс железобетонных работ складывается из следующих процес­сов: заготовки и установки опалубки и поддерживающих ее лесов; изготов­ления арматуры и се укладки в опалубку; приготовления и транспортирова­ния бетонной смеси, укладки ее в опалубку и ухода за бетоном; снятия опа­лубки и лесов под ней.

Опалубочные работы. Стоимость опалубки достигает 20...30% от об­шей стоимости железобетонных работ. В целях снижения затрат на опалубку необходимо добиваться возможно большей ее оборачиваемости. Это достигается применением инвентарной опалубки. Опалубку изготовляют по специальным опалубочным чертежам или по альбомам типовой опалубки. Многократное использование опалубки возможно только в том случае, ко­гда конструкция опалубки допускает ее сборку и разборку с наименьшими повреждениями.

Опалубку ленточных фундаментов устраивают из щитов, сбитых на планках; для удержания щитов в вертикальном положении ставят распорки, подкладки, схватки и подкосы, упирающиеся в колья, забиваемые в грунт. Между щитами устанавливают временные распорки, удаляемые в процессе бетонирования.

Опалубку фундаментов под колонны устраивают из щитов, закрепляе­мых при помощи стяжек и распорок.

Опалубку колонн, поддерживающих перекрытие, устраивают в виде короба, собираемого из щитов. Короб охватывают деревянными или металличе­скими хомутами, воспринимающими боковое давление уложенной бетонной смеси. Опалубка балки или прогона состоит из двух боковых щитов и днища. Боковые щиты удерживают в вертикальном положении в верхней части кру­жалами опалубки плиты, а внизу - прижимными досками, прибиваемыми к оголовникам стоек. При значительной высоте боковые щиты скрепляют прово­лочными стяжками с постановкой временных распорок между щитами.

Опалубка плиты (рисунок) состоит из сплошного настила палубы из щитов, укладываемых на ребровые доски или кружала, которые опирают концами на подкружальные доски, прикрепленные к сшивным планкам бо­ковых щитов опалубки балок.

Поддерживающие леса под опалубку ребристого перекрытия состоят из стоек, устанавливаемых под днище короба опалубки балок и прогонов. Для выверки уровня опалубки и облегчения распалубки стойки ставят на парные клинья или винтовые домкраты. Стойки рекомендуется применять инвентарные раздвижные деревянные или деревометаллические. Устойчи­вость стоек достигается раскреплением их горизонтальными и диагональ­ными досками - расшивками в продольном и поперечном направлениях.

Опалубка стен (рисунок 2) состо­ит из щитов 1, поддерживаемых реб­рами 2 и продольными досками 3. Боковое давление бетонной смеси воспринимается проволочными стяж­ками или стяжными болтами 4. Про­ектную толщину стен обеспечивают установкой временных распорок 5. постепенно удаляемых в процессе бетонирования.

Рисунок 1 Опалубка перекрытия:

1 – ригель; 2 – щиты настила; 3 – стойки; перекрытие

Для бетонирования монолитных сооружений большой протяженности в горизонтальном направлении (например, коллекторов, тоннелей) приме­няют катучую опалубку, конструкция которой позволяет передвигать се на последующие участки бетонирования без разборки. При возведении соору­жений цилиндрической формы значительной высоты (элеваторов, водона­порных башен и пр.) применяют скользящую опалубку, которую по мере бетонирования поднимают специальными домкратами.

Рисунок 2 Опалубка стены

Вместо обычных дощатых щитов для опалубки могут применяться шиты из водостойкой фанеры, древесностружечных и стеклопластиковых плит, дающих экономию в расходе леса до 75% и снижение трудоемкости работ до 50%.

При возведении массивных железобетонных сооружений типа под­порных стенок, шлюзов опалубка может быть выполнена из заранее приго­товленных железобетонных или армоцементных плит, имеющих с тыльной стороны выпущенные стержни арматуры для крепления плит к каркасу ар­матуры стен. Плиты, являясь опалубкой, одновременно будут служить об­лицовкой поверхности стен возводимых сооружений.

При строительстве однотипных сооружений может применяться ме­таллическая опалубка в виде щитов из листовой стали с окантовкой их уголками или из штампованных листов. Металлическая опалубка обеспечи­вает наибольшую ее оборачиваемость и обычно применяется на заводах железобетонных конструкций.

Опалубка может быть из жестких древесноволокнистых плит с остав­лением их в составе конструкции, что улучшает звуко- и теплоизоляцион­ные качества конструкций. Применяя специальную опалубку из водостой­кой фанеры или фибры и подбирая составы цветной фактуры, можно полу­чать так называемый «лицевой бетон», придающий красивый вид элемен­там конструкций и фасадам зданий.

Арматурные работы состоят из следующих процессов:

а) заготовки арматуры, т.е. из арматурной стали изготовления отдель­ных стержней по форме и размерам, указанным в чертеже;

б) сборки арматурных сеток и каркасов путем сварки или вязки их из заготовленных стержней;

в) установки арматуры в опалубку с приданием ей проектного положения. Заготовку арматуры и изготовление арматурных каркасов производят

в централизованном порядке в арматурных мастерских строительных орга­низаций или в арматурных цехах заводов по изготовлению сборных желе­зобетонных конструкций. Для изготовления арматуры применяют маркиро­ванную сталь периодического (или круглого) профиля диаметром от 3 до 40 мм.

Процесс заготовки арматуры из стержней состоит из следующих опе­раций: очистки и правки стержней, сварки их для увеличения длины, резки и гнутья стержней. При заготовке арматуры из проволоки процесс состоит из разматывания и выпрямления ее, резки и гнутья стержней.

Резку и гнутье стержней производят на специальных станках. Сварку производят на одноэлектродных машинах, а при больших объемах арма­турных работ на заводах железобетонных конструкций применяют автома­тические многоэлектродные машины, которые изготавливают пространст­венные каркасы колонн и балок и плоские сварные сетки с заданными раз­мерами по длине, ширине и величине ячейки сеток.

Готовые каркасы колонн и балок укладывают в соответствующие ко­роба опалубки, а сварные сетки - на опалубку перекрытий и в опалубку стен. Укладку сварных сеток и каркасов производят с соединением их меж­ду собой дуговой сваркой рабочих стержней или путем перепуска каркасов и сеток внахлестку на длину, равную 30...50 диаметрам стержней (в зависи­мости от применяемых марок стали и бетона). Подъем и установку на место тяжелых арматурных каркасов и сеток производят при помощи кранов, а весом до 100 кг - вручную.

В случае поступления на строительство арматуры в виде отдельных стержней вязку их в каркасы и сетки производят на рабочем месте. Места пере­сечения стержней перевязывают вязальной проволокой диаметром 0,8... 1 мм.

Бетонную смесь, как правило, приготавливают на специальных заво­дах. При небольших объемах работ бетонную смесь приготовляют на при­объектных бетонорастворосмесительных установках

До начала укладки бетонной смеси проверяют правильность устройст­ва опалубки, надежность ее крепления и правильность укладки арматуры с составлением соответствующих актов. Опалубку перед укладкой арматуры очищают от щепы, мусора, а перед укладкой бетонной смеси промывают напорной струей воды.

Укладку бетонной смеси надо производить способом, исключающим возможность ее расслоения. При свободном падении с большой высоты бетонная смесь расслаивается, поэтому высота ее падения при укладке в опалубку не должна превышать 5 м при бетонировании колонн (сечением не менее 0,4x0,4) и 3 м для других конструкций. Спуск бетонной смеси с высоты, превышающей указанные, производят по наклонным лоткам.

Технологическая схема бетонирования колонн представлена на Рисунок 3.

Процесс укладки состоит в разравнивании ее в опалубке слоями 15...30 см и тщательном ее уплотнении. Уплотняют смесь, как правило, вибраторами с большим числом колебаний (от 3 до 12,5 тыс. в минуту). Под влиянием большого числа колебаний даже малоподвижные смеси приобре­тают подвижность и уплотняются, выделяя при этом пузырьки воздуха и частично воду. Уплотнение бетонной смеси происходит в течение 20...60 сек, в зависимости от ее подвижности. Излишняя продолжительность вибрации может привести к расслоению бетонной смеси.

Снятие опалубки допускается только по достижении бетоном прочности, установленной проектом или техническими условиями. Преждевременная рас­палубка может вызвать повреждения или даже обрушение конструкции.

При низких температурах, близких к нулю, твердение бетона замедля­ется, а при его замерзании прекращается. После повышения температуры воздуха оттаивания бетона твердение, его возобновляется, однако конечная прочность будет ниже прочности бетона, укладываемого в летних условиях, и тем ниже, чем раньше произошло его замерзание.

7

Рисунок 3 Технологическая схема бетонирования колонн:

А – до 5 м; б – более 5 м; 1 – опалубка; 2 – хомут; 3 – бадья поворотная; 4 – вибратор глубинный; 5 – приемная воронка; 6 – звеньевой хобот; 7 – навесной вибратор

Многократное замора­живание бетона в раннем возрасте еще больше снижает его прочность. К моменту замерзания прочность бетона должна быть не менее 50% проект-ной прочности. Основным требованием при бетонировании в зимних усло­виях является создание такого температурно-влажностного режима твердения бетона, при котором бетон до его замерзания приобретал бы требуемую прочность.

Существуют различные способы предохранения бетона от замерзания и поддержания положительной температуры при его твердении. Основными из них являются: способ термоса, паропрогрев и электропрогрев. При всех указанных способах приготовление бетонной смеси производят с предварительным подогревом заполнителей и воды для получения готовой бетонной смеси температурой от +25 до +45 °С, что способствует предо­хранению бетона от быстрого замерзания.

При способе термоса положительная температура бетона, уложенного в утепленную опалубку, обеспечивается не только за счет тепла, введенного в бетон подогревом его заполнителей и воды, но также за счет тепла, выде­ляемого цементом в процессе его схватывания и твердения. Зная общее ко­личество тепла (которое заключается в бетонной смеси и выделяется в про­цессе твердения бетона) и количество тепла, которое будет уходить через утепленную опалубку, определяют срок остывания бетона до 0 °С. Способ термоса рекомендуется при бетонировании массивных конструкций. Он наиболее эффективен при применении глиноземистого цемента, выделяю­щего при твердении наибольшее количество тепла.

При способе электропрогрева через свежеуложенный бетон, который во влажном состоянии является проводником, пропускают переменный ток пониженного (50...110 В) напряжения, в результате чего происходит нагре­вание бетона, и в течение 1,5...2 суток он приобретает прочность, достаточ­ную для распалубки. Для электропрогрева применяют металлические стержневые или пластинчатые электроды. Стержневые электроды из арма­турной стали погружают в уложенный бетон, причем они не должны со­прикасаться с арматурой. Пластинчатые электроды в виде полос из листо­вой стали прикрепляют к внутренней стороне деревянной опалубки или щитам, укладываемым поверх бетона. Стержневые и пластинчатые электроды соединяют электропроводами в группы, которые включают в сеть переменного тока.

Нагревание и охлаждение бетона при паро- и электропрогреве произ­водят постепенно. Повышение и понижение температуры в бетоне не должны превышать 5...8 °С в 1 ч. Средний расход условного топлива на 1 м³ бетона составляет: при способе термоса - 30 кг, при электропрогреве 40...50 кг, при паровой рубашке 70...90 кг.

Более совершенным способом, который начали применять, является прогрев бетона инфракрасными лучами с покрытием прогреваемых элемен­тов полиамидной пленкой для предохранения бетона от высыхания в пери­од его твердения. Температуру прогрева поддерживают на уровне 70 °С.

Для ускорения твердения бетона и понижения температуры его замер­зания применяют химические добавки: хлористый кальций (СаС₂) или со­ляную кислоту (НС1), добавляя их в воду при приготовлении бетонной смеси. Количество добавок хлористого кальция не должно превышать 3% от веса цемента для неармированного бетона и 2% - для армированного: норма добавки соляной кислоты в 1,5 раза ниже.