Сваи-оболочки: виды, применение, погружение и наращивание

В отличие от обычных свай, используемых для создания свайных фундаментов, сваи-оболочкипредставляют собой полые стержни значительного диаметра. Такие конструкции нашли применение в строительстве крупных сооружений, например, для закладки многоэтажных домов.

Очень часто они используются на неустойчивых и слабых грунтах, поскольку имеют достаточную площадь соприкосновения своих стенок со слоями грунта.

Также сваи-оболочки применяются в таких местах, которые регулярно подвергаются колебательным процессам. В частности, из них создают опоры для мостов и автострад. Сваи полностью оправдывают свое назначение и в условиях воздействия на них влаги, а также в геологически опасных районах.

Определение и область применения

Сваи-оболочки представляют собой полую конструкцию с внушительным диаметром сечения – в зависимости от вида он может достигать 0,8-2 метра и более. Бывают деревянные, металлические и железобетонные. На конце сваи могут иметь специальное заострение. Материалом, из которого изготовляется конструкция, наиболее часто выступает железобетон.

Подобные сваи получили широкое распространение в строительстве промышленных и гидротехнических объектов, включая фундаменты крупных сооружений, мосты и даже надолбы. Часто применяются на особо слабых и неустойчивых грунтах, поскольку способны обеспечить прочность и устойчивость последующего сооружения из-за большой площади соприкосновения своих стенок с почвой.

Также свая-оболочка часто используются в зонах с повышенной сейсмической активностью. В частности, именно благодаря их прочностным характеристикам в условиях повышенной влажности и колебательных процессов, из них создают опорные конструкции для автострад и мостов.

Что лучше: винтовые сваи или бетонные (забивные, буронабивные, сваи-оболочки)?

Забивные ж/б сваи в большинстве случаев работают как висячие, то есть их несущая способность обеспечивается в первую очередь трением по боковой поверхности. Следовательно, при проектировании фундамента на их основе необходимо дополнительно выполнять расчеты на воздействие касательных сил морозного пучения.

Морозное пучение связано с наличием в порах грунта воды и ее замерзанием.

На степень пучинистости влияют разные факторы, в том числе уровень расположения грунтовых вод. Так если он расположен выше отметки глубины промерзания, то выпучивание фундаментной конструкции может достигнуть нескольких метров. Кроме того, грунт в разных частях участка может подниматься на разную высоту, что усугубляет негативное воздействие на основание.

В результате с течением времени фундамент неравномерно деформируется, что вызывает крены, образование трещин и т.д.

В связи с этим согласно обязательному приложению Ж «Расчет свайных фундаментов на воздействие сил морозного пучения» СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты»: «при строительстве зданий и сооружений на свайных фундаментах в сезоннопромерзающих или искусственно замороженных пучинистых грунтах необходимо учитывать касательные силы морозного пучения. Расчет оснований и свайных фундаментов по устойчивости и прочности на воздействие сил морозного пучения грунтов следует производить при эксплуатации неотапливаемых сооружений, мачт линий электропередачи и мобильной связи, трубопроводов и др.».

К неотапливаемым сооружениям относят все строения, которые не оказывают теплового воздействия на грунт. Так как большинство строений на свайных фундаментах имеют высокий ростверк, и их пол не соприкасается с грунтом, они не оказывают теплового воздействия на грунт под ними.

Таким образом, для свайных фундаментов с высоким ростверком (исключением являются фундаменты из широколопастных винтовых свай, при установке которых лопасть располагается за глубиной промерзания, что позволяет ей противостоять негативному воздействию касательных сил морозного пучения) нужно обязательно выполнять расчет по устойчивости, подтверждающий, что удерживающие силы (собственный вес, полезная нагрузка, силы сопротивления, удерживающие сваю от выпучивания из-за трения ее боковой поверхности о талый грунт, лежащий ниже расчетной глубины промерзания) превосходят «выпучивающие» (касательные силы морозного пучения).

В случае касательных сил грунт примерзает к боковым стенкам фундамента, поднимая их за счет сил бокового трения, образовавшихся при смерзании. Примерзнув к стенкам фундамента, вспучивающийся грунт поднимает и фундамент, разделяя его на части. Эти силы могут достигать 5-7 тс на квадратный метр боковой поверхности фундамента.

Формула расчета имеет вид:

Расчеты на действие сил морозного пучения в средне- и сильнопучинистых грунтах показывают, что для уравновешивания касательных сил морозного пучения для пригруженных сооружений нужна заделка в непучинистые грунты на глубину равную слою сезонного промерзания. Для непригруженных и легких сооружений – на глубину не менее 2 толщин сезоннопромерзающего слоя.

При нормативной глубине промерзания 1,5 м, минимальная глубина забивки свай составляет в средне- и сильнопучинистых грунтах:

• для пригруженных сооружений – 3 м;
• для непригруженных и легких – 5,5 м.

Так как забивные сваи малого сечения устанавливаются с помощью малогабаритных сваебойных установок, часто они оказываются заглублены в грунт не более чем на 3-4 м, что создает серьезную угрозу безопасности.

Еще один важный аспект – сечение забивных железобетонных свай. Хотя ГОСТ 19804-2012 указывает минимальное допустимое сечение 200х200 мм. Тем не менее, строительные компании часто предлагают сваи сечением 150х150 мм, которых даже нет в нормативных документах. Если же такие сваи выполнены из бетона, марка морозостойкости которого ниже F100, то срок эксплуатации таких конструкций не превысит 5-6 сезонов.

Подводя итог, можно сделать вывод, что забивные железобетонные сваи, при условии их соответствия строительным нормам и правилам, – хорошее, но довольно дорогое решение для фундамента.

В качестве альтернативы могут быть использованы винтовые сваи. Конечно, это решение также имеет определенные особенности, с которыми необходимо считаться (подробнее «Минусы свайно-винтового фундамента»), однако если участь слабые и сильные стороны такой конструкции как на этапе проектирования, так и на этапе строительства, возможно не только избежать проблем, но и добиться увеличения показателей эффективности, срока службы и т.п.

Достоинства и недостатки

Как и у любых строительных конструкций, у полых свай есть свои достоинства и свои недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы применения

• Высокое качество и эксплуатационные характеристики, способны выдерживать значительные негативные воздействия, не ставя под опасность целостность здания или иного сооружения.
• Большая несущая способность устройств.

Минусы установки

• Для работы с секциями свай, а также для их доставки, понадобятся достаточно мощные подъемные краны и иные транспортные строительные средства.
• Довольно высокая энергозатратность вибропогружательных устройств.

Виды и особенности применения полых свай

В зависимости от типа полые свайные конструкции могут быть открытыми и закрытыми. Рассмотрим каждый тип подробнее.

Сваи открытого типа

Стандартная конструкция оболочки
Подобные сваи обычно имеют внушительный диаметр (порядка 0,6 – 1,5 метра). В грунт они погружаются открытой частью вниз. Во избежание повреждений и разрушений сваи при столкновении с твердыми включениями среды, на ее нижнем торце монтируется стальной нож с приваренной к нему продольной арматурой. Таким образом, при погружении в среду свайная полость заполняется грунтом полностью или частично, в зависимости от своих свойств.

В случае особо сильных нагрузок на сваи, когда их стенки возможно не справятся с давлением грунта, то попавшую внутрь свайной конструкции почву удаляют и заливает полость бетоном. В жилищном и промышленном строительстве, грунт удаляется не до конца, а только в голове устройства и заливают освободившееся место бетоном.

Закрытые сваи-оболочки

Сваи закрытого типа работают, как и стандартные сплошные конструкции, снабжаясь при этом специальным стальным или железобетонным башмаком. Как правило, закрытые сваи большого диаметра разрушаются при погружении, поэтому их диаметр и не превышает 5-60 сантиметров

Сваи-оболочки различаются также и по материалу и способу изготовления, и бывают деревянными, стальными, железобетонными и винтовыми.

Деревянные сваи

Сваи подобного типа часто используются при сооружении фундаментов временных построек, включая также автомобильные мосты и подмости разных типов на местных дорогах. Для возведения капитальных зданий сваи из дерева используют в двух случаях: в отдаленных от больших транспортных путей лесистых районах и в условиях среды, агрессивной для изделий из стали и бетона.

Материал изготовления

Материалом, как правило, служит сосна, немного реже используют ель, лиственницу, кедр, дуб или пихту. В сборке применяется древесина, срубленная в холодное время года, как обладающая более высокими прочностными характеристиками.

Процесс изготовления

Сваи наращиваются путем применения отрезков стальных труб, специальных боковых накладок или железобетонных обойм. Перед изготовлением свай бревна очищаются от любых наростов, коры или сучьев. Если естественная коничность бревен не будет мешать процессу погружения конструкции в грунт, то ее сохраняют, если нет – бревна цилиндруют. Сваи-оболочки, которые длительное время находятся в условиях переменной влажности, дополнительно защищают от загнивания, используя пропитку креозотом или другими специальными растворами, или полимерное покрытие.

Преимущества и недостатки

Преимуществом применения данных конструкций является их простое изготовление, сравнительно небольшая масса, в значительной степени упрощающая транспортировку и последующее погружение. Недостатками свай из дерева являются ограниченность длины, проблематичность погружения в плотную среды, возможность загнивания или порчи устройства насекомыми.

Стальные сваи

Свайные конструкции из стали используются преимущественно в тяжелых геологических условиях, когда погружение в грунт стандартных железобетонных свай-оболочек невозможно. Примеры подобной среды: плотные отложения гальки, валунов, заиленных предметов. Кроме того, подобные конструкции применяют для укрепления фундаментов крупных сооружений.

Плюсы и минусы использования

Преимущества использования, как и было сказано выше, в основном лежат в удобстве применения стальных свай в труднодоступной для остальных материалов среде.

Основным и очень существенным недостатком является подверженность стали коррозии под воздействием окружающих условий. Для борьбы с возможной коррозией применяются различные специальные покрытия, такие как битум, бетон, эпоксидная и каменноугольная смола, краска. Наносятся они по всей поверхности сваи или только в потенциально опасных местах. Кроме этого, стальные сваи-оболочки требуют специальной техники для транспортировки и установки, ввиду своего большого веса.

Железобетонные сваи

Железобетонные сваи-оболочки по праву считаются самыми распространенными и универсальными: они широко используются как в строительстве капитальных сооружений, так и конструкций разного типа, в том числе и мостов.

Изготовление железобетонных свай

Подобные конструкции собираются из отдельных звеньев, которые соединяются болтами, электросваркой или с применением специальных вкладышей. Затем, на заводе к заготовкам привариваются арматурные стержни, а посередине звена монтируют специальные установочные круги из стали. Готовый каркас впоследствии бетонируется центрифугированием или с использованием вибростола.

Преимущества и недостатки

Преимущества состоят в следующих пунктах:

1. Неподверженность гниению и повреждению конструкции насекомыми.
2. Могут быть использованы в любых грунтах: как в пресных, так и соленых
3. Высокая скорость и легкость монтажа.
4. Довольно доступная цена.

Недостатки применения железобетонных свай-оболочек в строительстве сооружений:

1. Проблематичность установки в непосредственной близости к другим зданиям.
2. Трудность углубления в грунт с большим количеством крупных камней.

Винтовые сваи-оболочки

Подобные конструкции – это особая, специфическая разновидность свай, которые принудительно погружают в грунт способом завинчивания. Винтовые сваи оболочки применяют в условиях сильно сжимаемых грунтов с подстилкой в виде плотной среды без твердых препятствий в виде заиленной древесины или крупных валунов. С применением подобных устройств возводятся эстакады, гидротехнические постройки, мосты, линии электропередач.

Прототипом целого ряда бетонных свай, изготовляемые в металлической оболочке, забитой в грунт, явилась свая О. Штерна. По форме вертикального сечения эта свая — коническая, состоит из оболочек и сердечника. Оболочка изготовляется из листовой стали толщиной 3 мм.

Сердечник — деревянный сплошной со сверлением по центру для пропуска металлического стержня диаметром 40 м. Стержень предназначен для извлечения сердечника после забивки свая-(рис. 16.15, а). Свая Маета (рис. 16.15, б) имеет усиленный наконечник.

Рис. 16.15. Сваи с забивной оболочкой, остающейся в грунте: а — свая Штерна; б — свая Маета

После удаления сердечника полость оболочки, оставшейся в грунте, заполняется бетоном.

Положительной стороной свай подобной конструкции является гарантия сплошности ствола сваи в сложных гидрогеологических условиях, а также изоля­ции бетона сваи от химически-агрессивных вод. Кроме того, наличие оболочки позволяет без ущерба для качества сваи допускать значительные перерывы между забивкой оболочки и заполнением ее бетоном.

Недостатками свай таких систем является значительный расход дефицитной пока листовой стали, а также понижение несущей способности свай вследствие незначительной величины трения гладкой поверхности металла по грунту.

Кроме того, из свай Штерна трудно извлекать сердечник из-за смятия оболочек и недостаточной жесткости их при забивке. Поэтому теперь сваи Штерна не применяют.

Смятие оболочки при извлечении сердечника удалось преодолеть при помощи разъемного сердечника в сваях Раймонда.

Сваи Янссена имеют надежную конструкцию железобетонного заостре­ния, позволяющего проходить плотные глины с включением гравия. Оболочку сваи из 2 мм стали сваривают автогеном с металлической обоймой заострения и иногда выполняют лишь на участке, где имеются грунтовые воды.

Сваи Пирлесса. В этой свае оболочка состоит из железобе­тонных колец, нижние из которых опирается на полое заострение лито­го металлического башмака (рис. 16. 16).

Рис. 16.16. Свая Пирлесса: 1 — полая металлическая труба; 2 — бетонные кольца; 3 — муфта

Сердечником служит толстостен­ная стальная труба 1, опирающаяся на муфту 3, с диаметром большим, чем у трубы, благодаря чему извлечение сердечника происходит без тре­ния с оболочкой. Кольца оболочки бетонируются.

Сваи Гау изготовляют путем забивки в грунт стальной толстостен­ной трубы без башмака и удаления из нее грунта при помощи струи во­ды. Такой метод изготовления свай применяют в США. Для получения

свай длиной до 46 м используют трубы диаметром 25-30 см со стенками толщи­ной 5-15 мм. Грунт удаляется сжатым воздухом или совместным применением воздуха и воды.

В сваях Гау был впервые применен механический вращающийся уширитель пяты, принцип действия которого показан на рис. 16.17. Грунт разрабатываемый уширителем, извлекался на поверхность также при помощи воды. Идея образования уширенной пяты меха­ническим способом свай Гау перешла в современные виды буронабивных свай.

Рис. 16.17. Свая Гау и механический уширитель основания

Сваи Раймонда, предложенные в Польше в 1901 г., применяют в зарубежной практике до сих пор.

Свая Раймонда (рис. 16.18) имеет коническую форму, состоит из металлической тонколистовой оболочки (1,0-1,5 мм), усиленной приваренной спиральной обмоткой из 6-7 ммпроволоки 1, надева­ется на специальный пустотелый сердечник заводского изготовле­ния, точно пригнанной по размеру оболочки; наружная стальная оболочка сердечни­ка 2 разрезана на три части. Внутри сердечника вдоль все­го его корпуса помещается конической формы стержень 3, снабженный клинообразными приливами и кулачками, рас­пирающими оболочку сердеч­ника при ударе молота по стержню. Благодаря этому уст­ройству металлический кожух вместе с сердечником забива­ются в грунт, как свая.

Рис. 16.18. Свая Раймонда: а — схема изготовления; б — стальной раздвижной сердечник; в — схема изготовления сваи

Когда свая забита, стержень сердечника поднимается вверх, раз­резанные части сердечника сдвигаются (см. ІІ-ІІ на рис. 16.18, б), и он легко извлекается. Внутреннее пространство забитой в грунт оболочки заполняют бетоном после тщательного осмотра (при по­мощи опущенной внутрь электрической лампы).

На рис. 16.18, а показана технологическая последовательность операций по изготовлению сваи: І — оболочка и сердечник приготовлены для забивки; ІІ — сердечник вставлен в оболочку; ІІІ — сердечник с оболочкой забит в грунт на требуемую глубину; IV — сердечник вынимается из оболочки; V- оболочка заполнена бетоном (в данном частном случае в бетон верхней части сваи втоплена стальная арматура). Применяемые в США стандартные сваи Раймонда из волнистого тонкого листа, усиленного спиралью, имеют длину до 12 м, диаметр башмака 20 см с конусностью 3,3 см на 1 м. В отличие от стандартных, сваи Раймонда длиной до 27 м выполняют из ступенчатых секций длиной по 2,5 м.

Сваи «Монотюб» применяют в США, Канаде и некоторых других стра­нах. Оболочку ее готовят из волнистой листовой стали толщиной от 3 до 8 мми снизу закрывают стальным башмаком диаметром 20 см. Конусность стандарт­ных типов не превышает 3,3 см на 1 м при длине сваи до 7,5 м. Верхняя часть более длинных свай имеет незначительную конусность — 0,25 см/м. Обычная дли­на свай составляет 7-18 м, максимальная — до 40 м. При погружении стальную оболочку забивают в грунт без сердечника и затем заполняют бетоном.

Свая Макартура с оболочкой, в отличие от описанных выше, име­ет сменную оболочку. В грунт забивают толстостенную трубу вместе со вставленным в нее сердечником. После извлечения сердечника в обсадку опускают цилиндрическую, тонкостенную оболочку, заполняют ее бетоном, а трубу извлека­ют. Уширяют пяту трамбованием бетона в обсадной трубе до опускания в нее оболочки. Длина таких свай достигает 25 м.

Свая Вестерн, также как и сваи Макартура, имеет инвентарную обсад­ную трубу, но забивают ее без сердечника. Цилиндрическую оболочку длиной до 33 м опускают на бетонный башмак диаметром 43 см и заполняют бетоном.

Уши­ренная пята образуется так же, как в свае Макартура.

Сваи Макартура и Вестерн применяют в некоторых странах Западной Евро­пы и в Америке.

Погружение свай в грунт

В процессе утопления свай-оболочек применяются специфические вибрационные устройства. Свайные конструкции погружается в грунт на необходимую глубину из-за создаваемой этой техникой вибрации. Вибрация помогает разрыхлить грунт и погрузить сваю на необходимую глубину. Существует два способа погружения оболочки в грунт:

• С выемкой грунта. Перед проведением работ по введению сваи в землю необходимо вынуть лишний грунт из земли при помощи специальной бурильной установки.
• Без выемки грунта. Данный метод не требует проведения никаких дополнительных земляных работ.

Видео небольшой установки для забивания свай

Какие бывают сваи-оболочки?

Основная масса свай-оболочек изготавливается из бетона и армируется арматурным каркасом. Такие сваи-оболочки железобетонныемогут наращиваться до длины 48 м. Они могут иметь конусообразные наконечники, либо же обходиться без них. Высокая надежность железобетона позволяет эксплуатировать данные изделия очень длительное время.

В отличие от них, металлические сваи-оболочкиявляются, по своей сути, трубами различного сечения. Чуть реже используются другие формы профилей, создаваемые путем сварочных работ.

Погружение свай-оболочек

Для погружения свай-оболочек в грунт используется специальная вибрационная техника. За счет создаваемой вибрации изделия постепенно утапливаются в почву на заданную глубину. Вибрация способствует разрыхлению грунта, что дает возможность свае продвигаться вглубь земли.

Существует различие в методах погружения оболочки. Погружение может производиться с выемкой грунта или без него. В первом случае требуется наличие бурильной установки. Во втором случае вообще не производится никаких земляных работ.

Действия на строительной площадке

Основные этапы работ по заглублению свайных конструкций выглядят так:

1. Подготовительный этап: очистка участка, его разметка.
2. Транспортировка свай на место работ. Для перевозки и подвоза стержней используют специальную технику в виде кранов, большегрузных платформ, тягачей, разгрузочных устройств.
3. Установка техники, с помощью которой будет выполняться погружение свай в почву, монтаж направляющего агрегата.
4. Посредством вибрации с определенной амплитудой колебаний, производится погружение. Важно: каждая свая должна быть вмонтирована строго на свое место согласно подготовленной разметке.
5. Сваи-оболочки погружаются на необходимую глубину.

Важный момент: так как заглубление стержней в почву производится посредством вибрации, в обязательном порядке производится документальное согласование работ с соответствующими органами.

Наращивание свайных конструкций

Иногда для достижения требуемой длины сваи, ее необходимо нарастить, так как цельное, стандартное изделие, имеет длину всего около 12 метров. Рассмотрим два метода наращивания:

1. Наращивание происходит по мере заглубления на определенный отрезок грунта одной из частей. После наращивания одного куска сваи, таким же образом заглубляется и второй. Процесс повторяется до получения желаемого результата. Части изделия соединяются между собой фланцевым способом – на концах соседних конструкций монтируются специальные металлические приспособления – фланцы, имеющие отверстия для соединения болтами. Данный вид крепления считается довольно надежным, и, что не маловажно, быстрым. Он обеспечивает идеальную точность соответствия свайных осей.
2. Второй способ – это наращивание железобетонного изделия до начала углубления. По расчетной требуемой глубине изготавливается монолитная конструкция, части которой соединяются между собой сварным швом. Из-за того, что работа требует особой точности, выполняют ее на специально установленных стендах. Места стыковки сварочных швов в обязательном порядке надежно изолируют путем промазывания их полимерной мастикой или битумом.

Следует отметить, что данный способ менее дорогостоящий и материалозатратный.

Итак, в данной статье мы подробно разобрали, что такое сваи-оболочки, для чего они нужны и где применяются, какие виды бывают, особенности их использования, а также узнали нюансы погружения и наращивания изделий.

Источник: furnilux.ru