Устройство свайных фундаментов на сваях-оболочках

С 1950 г. в отечественном мостостроении начали применять фундаменты глубокого заложения из сборных железобетонных оболочек. Опыт строительства фундаментов этого типа подтвердил их высокую эффективность по сравнению с массивными конструкциями опускных колодцев и кессонов.

В зависимости от местных гидрогеологических условий характерными типами конструктивных решений фундаментов из свай-оболочек являются:

· фундаменты из свай-оболочек диаметром 0,4…0,6 м, погружаемые, как правило, с закрытым нижним концом;

· фундаменты из оболочек диаметром 1,2 – 3 м, погружаемые в нескальные грунты (с устройством при необходимости уширений) с открытым нижним концом;

· столбчатые фундаменты из оболочек диаметром 1,2 – 3 м, заделываемые в скальное основание.

Фундаменты на сваях оболочках могут быть двух типов:

· с низким ростверком – на реках с тяжёлым ледовым режимом, а также на поймах рек или в русле при глубине воды до 5 м;

· с высоким ростверком – на реках со средним или слабым ледовым режимом при глубине воды более 5 м.

Отличительной особенностью фундаментов этого типа является применение в качестве основного конструктивного элемента сборной железобетонной оболочки, представляющей тонкостенный пустотелый цилиндр с обычной или предварительно напряжённой продольной и спиральной поперечной арматурой.

Цилиндрическое очертание сечения оболочки имеет следующие достоинства:

· относительно большая жёсткость сечения;

· возможность осуществления центрального подмыва, а при больших диаметрах – извлечения грунта из полости в процессе погружения;

· возможность преодоления препятствий в процессе погружения, а также заделки нижних концов оболочек в скальный грунт при помощи различных способов бурения.

В отечественной и зарубежной практике применялись сборные железобетонные оболочки различной конструкции с большим многообразием стыковых соединений их звеньев между собой. Устройство монтажных стыков оболочек обеспечивает возможность их предварительного укрупнения на стройплощадке или наращивания в процессе погружения в грунт.

Для удобства транспортирования оболочек от места изготовления на объект строительства, их изготавливают секциями длиной от 6 до 12 м в заводских или полигонных условиях. Оболочки диаметром до 1.6 м изготавливаются на заводах методом центрифугирования. Оболочки диаметром более 1.6 м изготавливают в вертикальном положении в виброформах высотой до 8 м.

Рис. Стальная виброформа для бетонирования оболочек 1 – приёмный конус; 2 – внутренняя опалубка, 3 – наружная опалубка, 4 – вибратор, 5 – продольный стык наружной опалубки, 6 – фундамент, 7 – продольный стык внутренней опалубки.

Для облегчения погружения оболочек в грунт, а также для предотвращения их разрушения при встрече с препятствиями нижние концы оболочек снабжают специальными наконечниками. Для оболочек диаметром 0,4…0,6 м применяют наконечники закрытой конструкции:

· Без окантовки листовой сталью – в обычных грунтах (см. рис. 1а);

· С окантовкой листовой сталью – в галечных грунтах и при опирании на скальные породы (см. рис. 1б);

· С центральным отверстием – в случаях применения подмыва (см. рис. 1в);

· С металлическим наконечником высотой 1,2…1,5 м из листовой стали толщиной 10-12 мм – при устройстве камуфлетных уширений с применением взрывчатых веществ. Для предотвращения разрыва оболочки при взрыве наконечник в верхней части усиливают приваренными бандажами из полосовой стали толщиной 14-16 мм (см. рис. 1г).

В оболочках диаметром 1 м и более применяют ножи открытой конструкции:

· С металлическим наконечником – в слабые и средней плотности грунты (см. рис. 2а);

· С окантовкой металлическим листом – в плотные и средней плотности грунты (см. рис. 2б);

· С металлическим наконечником высотой 1,2…1,5 м из листовой стали толщиной 10-12 мм – при бурении скважин в скальной породе (см. рис. 2в).

Рис. 1. Наконечники оболочек с закрытым нижним концом	Рис. 2. Наконечники оболочек с открытым нижним концом

Для погружения оболочек на заданную проектом глубину необходимо специальное оборудование:

· Вибропогружатели соответствующей мощности;

· Направляющие устройства для погружения оболочек;

· Оборудование для извлечения грунта из оболочек

Оболочки диаметром до 0,6 м погружаются с помощью свайных молотов, оболочки большего диаметра - с помощью низкочастотных вибропогружателей. Мощность вибропогружателя подбирают исходя из массы собранной оболочки, физико-механических свойств грунта, глубины погружения. До конца 80-х годов прошлого века применялись электрические вибропогружатели. В настоящее время находят широкое применение гидромоторные вибропогружатели.

Интенсивность погружения сваи-оболочки на последнем залоге должна быть не менее 5 см/мин. Если эти требования не могут быть выполнены, необходимо применять опережающую разработку грунта ниже их ножа или более мощный погружатель. Опережающую разработку песчаных грунтов следует выполнять на 1 - 2 м ниже ножа оболочки при условии наличия в ее полости избыточного давления воды, превышающего на 4 - 5 м уровень поверхностных или подземных вод.

Для обеспечения проектного положения оболочки применяют направляющие устройства, которые особенно необходимы в начальный момент погружения, когда вибрируемая система неустойчива. Для направления оболочек при погружении используют направляющие каркасы и кондукторы (при большом числе оболочек), специальные направляющие стрелы, подвешиваемые к кранам (при небольшом числе оболочек).

Каркасы обычно собирают из инвентарных стальных конструкций, используя их одновременно в качестве:

· Распорного крепления ограждения котлованов,

· Направляющих для забивки шпунта.

· Рабочих площадок для производства работ по погружению свай

Для погружения оболочек на водотоках, а также при погружении наклонных оболочек применяют многоярусные каркасы из нескольких решетчатых плоскостей с ячейками для пропуска свай-оболочек. Эти плоскости объединяют системой вертикальных и диагональных связей в неизменяемую пространственную конструкцию. Расстояние между плоскостями назначают около 3 м. Одноярусные каркасы устраивают на суходолах, а также при погружении с островков при глубине воды до 2 м.

Рис. Направляющий каркас 1 – элементы каркаса, 2 – направляющие деревянные брусья, 3 – оболочка,

При погружении оболочек применяют следующие способы разработки грунта:

· Песчаные, гравелистые грунты и раздробленные скальные породы – эрлифтами или гидроэлеваторами;

· Глинистые и полускальные грунты – грейферами

Для рыхления плотных грунтов применяется буровое оборудование вращательного действия. Скальные грунты в основании оболочек, а также вечномерзлые грунты разрабатываются оборудованием ударно-канатного бурения. При пробуривании скальных грунтов также находят применение агрегаты с рабочим оборудованием в виде реактивно-турбинных буров, погружных электрических буров.

Для снижения лобового сопротивления валунно-галечникового грунта при сохранении естественной его несущей способности оптимальным также является использование турбобура. В качестве бурового инструмента этих агрегатов используются шарошечные долота различной конструкции. После каждого забуривания скважины на глубину 1,5…2 м оболочку незамедлительно погружают.

Если мощность вибропогружателя недостаточна, то силы трения между грунтом и поверхностью оболочки можно уменьшить рыхлением грунта напорной водой (подмывом). Воду подают по подмывным трубам, располагаемым равномерно по внешнему периметру оболочки. Подмыв рекомендуется в песчаных и слабосвязных супесчаных грунтах, когда амплитуда колебания оболочек станет менее 5 мм. В глинистых грунтах подмыв малоэффективен. Подмывные трубы устанавливают из расчёта – одна труба на 1 м периметра оболочки. При погружении наклонных оболочек две из подмывных труб обязательно устанавливают по бокам оболочки, а одну по верхней наклонной образующей. Низ подмывных труб не доводят до ножа оболочки на 0,5…1,5 м во избежание наплыва грунта внутрь в процессе вибропогружения.

При погружении оболочек диаметром более 2 м в песчаных грунтах часто наружного подмыва оказывается недостаточно. В этом случае применяют дополнительный подмыв изнутри оболочки.

Часто поверхность скальной породы оказывается негоризонтальной и неровной, поэтому оболочки опираются на неё одной стороной ножа, а с противоположной стороны между ножом и скальным грунтом образуется зазор. При мелкодисперсных слабосвязных грунтах через этот зазор и трещины в скале может постоянно выносить грунт заполняя скважину. Чтобы этого избежать, в оболочку перед бурением породы опускают тампонажную бетонную смесь, которая проникает в щель, схватывается и препятствует выносу грунта. После затвердения бетона продолжают бурение.

Устройство бетонной пробки также практикуют для выравнивания забоя при разработке валунно-галечниковых отложений вращательным бурением. Вследствие низких температур грунта (+2…+3 ⁰С) и низкой экзотермии тампонажного бетона небольшого объёма уложенный бетон медленно набирает прочность, что значительно замедляет темп погружения оболочки.

В дисперсных грунтах для увеличения несущей способности оболочек часто устраивают уширения оснований при помощи буровых установок или камуфлетированием.