Свайный фундамент — это возможность строить здания на грунтах, не позволяющих воспользоваться никаким другим типом опорной конструкции.
Особенностью свай является способность погружаться на необходимую глубину, достигать плотных слоев грунта и обеспечивать надежное основание для построек любой категории, вплоть до самых массивных, ответственных и специфических.
Возможности свайного фундамента весьма широки, что наглядно демонстрирует количество разновидностей и вариантов конструкции опор.
Существуют мощные и тяжелые образцы, работать с которыми можно только при помощи строительной техники.
Имеются и более легкие виды, доступные для самостоятельного монтажа, например — винтовые сваи.
Типы свайных фундаментов
Классификация свайных фундаментов включает в себя множество позиций.
Они различаются по следующим признакам:
- Способ действия (висячие и сваи-стойки).
- Тип ствола (монолитные и оболочечные)
- Материал (деревянные, металлические, железобетонные)
- Способ погружения (забивные, буронабивные или винтовые).
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
В частном домостроении наиболее распространены буронабивные и свайно-винтовые варианты, позволяющие работать в зоне плотной застройки без причинения ущерба окружающим зданиям.
Способы классификации и разновидности свайных фундаментов
Общее количество видов и подвидов свайных фундаментов составляет около 30 вариантов исполнения. Рассмотрим основные виды свайных фундаментов, которые используются для возведения частных домов и коттеджей. Подразделяются на виды по следующим критериям:
- Материал изготовления. Сваи изготавливают из металла, бетона, железобетона. Также бывают деревянные, которые чаще всего используются для возведения временных построек.
- Форма сечения: круглые, прямоугольные и квадратные. Сваи могут быть заостренными или утолщенными с нижнего конца, иметь ровное сечение.
- Размер (длина) зависит от расчетных данных, глубины залегания твердых пород, глубины промерзания грунта и других факторов. Средняя длина составляет от 2 до 6 метров.
Еще один способ подразделения на подвиды – по принципу их работы в грунте. Существует два вида: сваи-стойки и висячие конструкции.
Сваи-стойки чаще всего имеют острый конец, которым они при заглублении прорезают слабые грунты. Этот тип имеет гладкую поверхность, которая не создает дополнительного трения. Они заглубляются до твердых пород, которым и передают несущую нагрузку от расположенного на них строения.
Висячие сваи имеют неровные, шероховатые и с множеством выступов боковые грани. Такая конструкция позволяет создать хорошее сцепление с грунтом, ведь сваи держатся в нем за счет силы трения о боковые стенки. Данный вид применяют в случаях, когда прочные и твердые породы залегают слишком глубоко, а также, если нижние пласты не способны выдержать нагрузку от стоек.
Виды свай
Винтовые сваи имеют два основных вида:
- Сварные.
- Литые.
Отличие между ними состоит в конструкции наконечника. Это важный элемент, принимающий на себя основную нагрузку при погружении.
От качества наконечника зависит, как поведет себя свая при появлении контакта с техногенным или природным препятствием, не являющимся плотным грунтовым слоем. Сварные наконечники в этом отношении менее прочные, при встрече с обломками скальных пород часто деформируются и выходят из строя.
Литой наконечник намного прочнее и способен проходить препятствия, разрушая их и не теряя работоспособности сваи.
Кроме того, имеются различия по количеству лопастей.
Существуют винтовые сваи:
- Однолопастные.
- Многолопастные.
Однолопастные сваи имеют единственную спиралеобразную лопасть, обеспечивающую поступательное движение при вращении сваи вокруг вертикальной оси. Они предназначены для установки в относительно мягкий и однородный грунт, не имеющий плотных или скальных включений.
Несущая способность таких свай ниже, чем у многолопастных образцов, которые гораздо устойчивее и прочнее соединяются с грунтом. Наличие нескольких опорных узлов позволяет уменьшить диаметр ствола, что облегчает установку и обеспечивает целостность конструкции.
В комплекте с литым наконечником они оптимальным образом подходят для работы на плотных грунтах, в зонах вечной мерзлоты или с большим количеством техногенных включений.
По типу защитного покрытия сваи делятся на оцинкованные и неоцинкованные. Последние практически ничем не защищены от воздействий грунтовой влаги, так как слой краски, который наносится для придания изделиям большей солидности, сходит при завинчивании.
Кроме того, все типы винтовых свай практически не защищены от электрохимической коррозии или воздействия блуждающих токов, что сложно заранее предусмотреть или определить.
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.
|
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.
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.
Винтовые сваи.
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.
Буроопускные системы представляют из себя установленные сваи в готовым виде в пробуренные заранее скважины. Зазор между сваей и стенками скважины заполняется цементным расвором (рис. 4.11).
Камуфлетные сваи
Для увеличения несущей способности полых забивных свай и буровых свай-столбов устраивают уширение их нижнего конца камуфлетированием с помощью заряда взрывчатого вещества [2]. Технологическая схема устройства камуфлетных свай показана на рис. 4.12.
После погружения в грунт железобетонной или стальной оболочки с закрытым или открытым (с выемкой грунта) нижним концом у нижнего конца оболочки помещают заряд с электродетонатором, соединенным проводами с подрывной машинкой на поверхности.
| Рис. 4.12 Камуфлетная свая: 1 — оболочка; 2 — заряд ВВ; 3 — электропровода; 4 — литая бетонная смесь; 5 — камуфлетное уширение; 6 — арматурный каркас |
Полость оболочки заполняют на некоторую высоту литым бетоном и подрывают заряд. Нижний конец оболочки силой взрыва разрушается, а грунт в этом месте уплотняется с образованием близкой к шарообразной полости (камуфлета), которая заполняется литым бетоном из полости оболочки. Затем оболочку заполняют бетонной смесью на полную высоту.
Массу заряда назначают в зависимости от требуемого диаметра камуфлетного уширения и уточняют на месте опытными взрывами. Диаметр уширения 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.
Камуфлетное уширение можно выполнить и для буронабивных свай, путем взрыва заряда на забое скважины с заливкой в ее полость литой бетонной смеси на расчетную высоту. После образования камуфлетного уширения иногда в скважину опускают железобетонную сваю (буроопускные сваи с камуфлетной пятой).
Типы свайных фундаментов.
Типы свайных фундаментов определяют в зависимости от ряда факторов. К таким факторам относятся: форма и размеры свайного поля, расположение плиты ростверка относительно поверхности грунта, характер взаимодействия составных элементов свайного фундамента с основанием [1].
Линейные надземные сооружения, такие, например, как стены, имеют один или несколько свайных рядов, объединенных поверху плитой достаточной протяженности, представляющие собой ленточный свайный фундамент. Отдельно стоящие свайные фундаменты имеют в своей основе куст свай и выполняются как правило под опоры мостов или колонны зданий и сооружений. Наконец, фундаментная плита больших размеров может опираться на единое свайное поле.
Свайные фундаменты с низким ростверком. К этому типу относятся свайные фундаменты с плитой ростверка, заглубленной в грунт — отметка подошвы плиты ростверка расположена ниже уровня планировки или отметки местного размыва (рис. 4.13). Такие фундаменты сооружают на суходолах, а также в руслах рек с тяжелым ледовым режимом или же при наличии зон интенсивного истирающего воздействия аллювия, перемещаемого быстрым течением реки. Работа свайных фундаментов с низким ростверком проходит в благоприятном режиме в том отношении, что сопротивление горизонтальным нагрузкам оказывают не только сваи, но и грунт, воздействуя на боковую поверхность плиты ростверка. Сооружение плиты ростверка в грунте сопряжено с дополнительными затратами на устройство котлована и его ограждение [2].
| Рис. 4.13 Свайный фундамент с низким ростверком |
В свайных фундаментах с высоким ростверком плита расположена над поверхностью грунта — отметка подошвы плиты ростверка выше уровня планировки или отметки местного размыва (рис. 4.14).
| Рис. 4.14 Свайный фундамент с высоким ростверком |
Этот тип фундаментов получил большое распространение в мостостроении как экономичная и надежная конструкция. Они менее материалоемки по сравнению с массивными фундаментами или свайными фундаментами с низким ростверком, не требуют устройства котлована и, следовательно, позволяют применить более легкие ограждения в русле реки. Для восприятия горизонтальных нагрузок в свайных фундаментах с высоким ростверком применяют наклонные сваи. Здесь широкое применение находят сваи-оболочки и буровые столбы больших диаметров [1, 4].
В некоторых случаях в свайных фундаментах плита ростверка отсутствует как самостоятельный элемент. Ее функции выполняет опора в своей нижней части, непосредственно опирающаяся на сваи. Такие конструкции называются свайными опорами (рис. 4.15). Этот способ устройства фундаментной части целесообразно применять, когда требуемые размеры плиты ростверка в плане не превосходят поперечного сечения опоры в нижней части [4].
| Рис. 4.15 Свайная опора |
Большое распространение при строительстве путепроводов и пойменных участков мостовых переходов получили безростверковые опоры (эстакадного типа) [1, 4]. В этих опорах в качестве плиты ростверка выступает подферменная плита, объединяющая головы свай и передающая на них нагрузку от пролетных строений (рис. 4.16). При большой протяженности эстакадной части мостового перехода целесообразно использование сборного железобетона и применение поточной технологии строительства для устройства безростверковых опор. В этих условиях безростверковые опоры отличаются высокой экономической эффективностью.
| 4.16. Безростверковые опоры свайно-эстакадного моста |
В рассмотренных типах свайных фундаментов основным несущим элементом являются сваи. Именно через них нагрузка передается на основание. Плита ростверка обеспечивает совместную работу свай. В то же время, если плита заглублена в грунт и опирается на достаточно прочные породы, то по подошве плиты ростверка будут развиваться силы сопротивления вертикальным перемещениям, оказывая существенное воздействие на работу фундамента в целом. Если плита передает на грунт через свою подошву не менее 15% общей нагрузки, то такие конструкции называются комбинированными свайно-плитными фундаментами (рис. 4.17) [5, 6].
| Рис. 4.17 Свайно-плитный фундамент |
Когда же на сваи приходится менее 50% общей нагрузки, то фундамент называется комбинированным плитно-свайным. Обеспечение совместной работы свай и плиты ростверка, заглубленной в грунт позволяет полнее использовать резервы несущей способности свайного фундамента. Комбинированные свайно-плитные и и плитно-свайные конструкции используются в качестве фундаментной части для сооружений больших размеров и веса, как, например, высотные здания. В транспортном строительстве этот тип фундаментов может оказаться полезным при сооружении пилонов висячих и вантовых мостов больших пролетов.
4.4 Несущая способность свай
4.4.1 Понятие о несущей способности свай
При действии на сваю осевой вдавливающей нагрузки в грунте развиваются силы сопротивления перемещению сваи. По боковой поверхности действуют распределенные силы трения (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 .
Если свая опирается на сжимаемые грунты и имеет возможность перемещаться в осевом направлении, то силы сопротивления развиваются в равной степени — и по боковой поверхности и по торцу (рис.4.18, а,б). Такие сваи называются висячими сваями.
| Несущая способность определяется суммой , где слагаемое обусловлено силами трения , а составляющая — лобовым сопротивлением . Для свай с уширенным нижним концом сопротивление по боковой поверхности не учитывается на нижнем участке ствола сваи (рис.4.18, б). Размеры этого участка определяются конусом с образующей, наклоненной к осевому направлению на угол и касающейся края уширения ( — средневзвешенное значение угла внутреннего трения грунтов в пределах высоты конуса). Если свая опирается на практически несжимаемые грунты, то несущая способность сваи определяется в основном расчетным сопротивлением : (рис.4.18, в). Силы трения могут включиться в работу на завершающем этапе, когда грунт под нижним концом исчерпает свою прочность. Однако этот этап работы сваи недопустим. К практически несжимаемым породам в данном случае относят скальные грунты, крупнообломочные грунты и глины твердой консистенции. Сваи, опирающиеся на эти грунты, называют сваями-стойками. Несущая способность сваи на вдавливание по грунту определяется как расчетными, так и полевыми методами. Способность сваи воспринимать выдергивающие нагрузки характеризуется несущей способностью сваи на выдергивание по грунту . 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).
Кроме осевой силы, свая может воспринимать поперечные и моментные нагрузки. Максимальные значения этих нагрузок устанавливаются в результате расчета сваи как стержня, расположенного в упругой среде. Критерием допустимости поперечных и моментных нагрузок являются ограничения величины перемещений головы сваи, а также условие прочности окружающего сваю грунта. Следует отметить, что в некоторых случаях несущая способность сваи на действие горизонтальной силы устанавливается опытным путем или с применением специальных теоретических решений. Для обеспечения работы сваи в грунте выполняется также оценка прочности сваи как конструкционного элемента. Несущая способность сваи по материалу на растяжение и сжатие определяется в соответствии с правилами расчета строительных конструкций. Кроме того, оценивается прочность наиболее нагруженного сечения сваи на совместное действие нормальной силы и изгибающего момента. 4.4.2 Расчетный метод определения несущей способности свай по грунту Для определения несущей способности висячей сваи на вдавливание по грунту составляют расчетную схему, разбивая основание в пределах глубины погружения сваи в грунт на расчетные слои (рис. 4.20). Несущую способность определяют как сумму ее составляющих и по формуле [6, 7]: (4.1) где gc — коэффициент условий работы сваи в грунте, принимаемый равным 0,8 для набивных, буровых свай, свай-оболочек, погружаемых с выемкой грунта, при опирании их на глинистые грунты со степенью влажности
Первое слагаемое в формуле (4.1) выражает составляющую несущей способности сваи за счет сопротивления грунта по ее подошве, второе — составляющую за счет суммарного сопротивления грунта трению вдоль боковой поверхности ствола. Суммирование выполняют по всем слоям грунта, которые свая прорезает. Значения расчетного сопротивления грунта R для забивных свай и свай-оболочек, погружаемых в грунт с закрытым нижним концом, при опирании их на песчаные и глинистые грунты принимают потаблице 4.1 [6, 7]. Для набивных свай, устраиваемых с помощью инвентарных труб, нижний конец которых закрыт теряемым башмаком или бетонной пробкой, и для виброштампованных свай значения Расчетное сопротивление грунта под нижним концом забивной сваи Таблица 4.1
Примечания: 1. В числителе приведены значения R для песчаных грунтов, в знаменателе — для глинистых. 2. Для плотных песков значения Для буронабивных свай с уширением или без уширения и оболочек, погружаемых с открытым нижним концом и с выемкой грунта из их полости при опирании на глинистые грунты, значения R принимают по таблице 4.2 [6, 7]. Глубину погружения конца сваи Расчетное сопротивление грунта под нижним концом буронабивной сваи Таблица 4.2 Примечание . В свайных фундаментах опор мостов знаечения Предыдущая10Следующая |
Какие лучше всего подходят для частного строительства
Выбор конкретной марки и размера стволов, прежде всего, производится исходя из типа и особенностей грунта.
После определения наиболее подходящей разновидности (одно-или многолопастные, длина, тип наконечника) производят выбор диаметра ствола. Расчет производится по несущей способности опоры.
Для частных домов обычно применяют стволы относительно малого диаметра:
- ВС-57.
- ВС-76.
- ВС-89.
- ВС-108.
Большие диаметры требуют значительных усилий при погружении, поэтому для частного домостроения практически не используются.
Свайный фундамент — преимущества и недостатки
К достоинствам таких оснований относят следующие аспекты:
- Возможность возведения здания на сложных участках, когда другие типы фундаментов применить нет возможности.
- Относительно малая трудоемкость и высокая скорость монтажа.
- Минимизация расходов на строительство, так как фундамент из свай считается одним из самых дешевых вариантов.
- Отсутствие земляных работ позволяет сохранить естественный ландшафт на участке строительства.
Из недостатков этого типа фундамента отмечают следующие факторы:
- Необходимость расчетов, так как сваи имеют ограничение по несущей способности.
- Отсутствие подвального помещения.
- Такой тип основания подходит для возведения относительно легких сооружений.
- Необходимость выполнения обвязки свай, а также их качественной гидроизоляции.
- Сложность обустройства полов первого этажа: требуется применение эффективных материалов для теплоизоляции, чтобы исключить промерзание.
Важно! Проведение инженерно-геологических изысканий и расчет свайного фундамента должны производить специалисты в этой области. Даже незначительные просчеты приводят к просадкам свай, что вызывает деформацию и даже разрушение возведенных строений.
Для каких грунтов они подходят?
Погружение винтовых свай производится на достаточную глубину, чтобы исключить воздействие вертикальных нагрузок морозного пучения. Остаются лишь боковые воздействия, которые, ввиду малой площади контакта, не способны оказывать решающего воздействия на опоры.
Поэтому при определении пригодности грунта принято рассматривать только механические качества.
Наиболее подходящими видами являются следующие типы грунта (по убыванию степени пригодности):
- Песчаные.
- Супеси.
- Суглинки.
- Глинистые.
Абсолютно неподходящими грунтами являются скальные и скально-обломочные виды. Кроме того, противопоказаны биогенные типы — торфяники, или рыхлые просадочные грунты.
С осторожностью надо относиться к сильно обводненным участкам, подверженным сильным сезонным колебаниям уровня грунтовых вод.
При строительстве на подобных участках надо производить пробное бурение и увеличивать глубину погружения до максимума.
Общая схема установки свайно-винтового фундамента
Пошаговая инструкция по установке свай своими руками состоит из следующих этапов:
- Подготовительные работы. Разметка участка, проверка параллельности линий и соответствия прямым углам.
- Погружение угловых стволов.
- Установка промежуточных опор.
- Обрезка стволов. Поверхность опор должна образовать ровную горизонтальную плоскость.
- Бетонирование внутренних полостей свай для усиления прочности.
- Монтаж оголовков. Они устанавливаются на верхний торец, привариваются и служат точками крепления ростверка. Все места, расположенные рядом со сваркой или участки с поврежденным защитным покрытием сразу же подкрашиваются.
ВАЖНО!
При разметке следует исходить из осей стен, а не из границ периметра дома. Стены должны стоять на оголовках, а не свисать с них.
Как рассчитать количество материала?
Расчет количества опор производится по двум направлениям:
- По линиям наибольшей нагрузки.
- По несущей способности сваи.
Первый этап состоит в подсчете количества свай по всем линиям расположения наружных и внутренних несущих стен. Расстояние между ними не должно превышать 2-3 м (чем тяжелее дом, тем ближе друг к другу надо установить опоры).
Второй этап состоит в проверке полученного числа опор. Общий вес дома вместе с расчетными дополнительными нагрузками (вес снега, мебели и бытовой техники, перекрытий, людей и т.д.) надо разделить на величину допустимой нагрузки на одну сваю.
Если полученное число меньше, чем то, что найдено на первом этапе, то расчет правильный. Если второй этап показывает большее значение, надо увеличить количество свай по линиям нагрузки.
Можно поступить проще и воспользоваться онлайн-калькулятором, который весь расчет выполнит самостоятельно. Надо лишь подставить в нужные поля свои параметры и получить ответ.
Как правильно разметить места установки?
Для выполнения этой операции понадобится план первого этажа дома. Сначала отмечаются угловые точки, места примыкания несущих стен внутренние и наружные. Затем остальное количество свай равномерно распределяется по всем линиям.
Если имеются большие промежутки, предусматривают промежуточные опоры для поддержки балок перекрытия.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
Расстояние более 6 метров между опорами считается недопустимым.
Как определить глубину погружения?
Определение глубины погружения опор можно делать только на основании анализа грунта и его состава. Кроме того, важным фактором является глубина промерзания грунта, выше которой сваи заглублять не рекомендуется, особенно, для ответственных (жилых) строений.
Для вспомогательных построек и сооружений (беседки, заборы, сараи и т.д.), возводимых на подходящих грунтах, минимальная глубина погружения принимается 1,5 м.
Для жилых построек рекомендуемая глубина погружения должна быть равна высоте дома. На практике она часто бывает меньше, что в первую очередь обусловлено неграмотностью или желанием сократить время строителей.
При погружении необходимо знать предельную величину сопротивления грунта и не превышать допустимых пределов, установленных заводом-изготовителем. В противном случае есть риск свернуть технологическое отверстие до момента достижения нужной глубины, что означает вывод сваи из строя и необходимость ее замены.
Погружение свай в почву
Существует два способа погружения свай:
- Ручное погружение.
- Механический способ.
Ручной монтаж допускается только для относительно тонких свай и при строительстве неответственных вспомогательных сооружений. Для жилых домов необходимо использовать строительную технику. Прежде всего, это обусловлено невозможностью качественно завинтить сваю диаметром 108 мм вручную.
Слишком велик процент отказа свай, а реверс недопустим из-за потери должной прочности соединения. Кроме того, допустимый перекос ствола по вертикали составляет всего 2°, что обеспечить вручную невозможно.
Механический способ позволяет обеспечить качественное погружение с соблюдением вертикали и заданной величины усилия. Для жилых построек допустим только механический способ, хотя рекламные объявления всячески утверждают о возможности в любых ситуациях действовать с помощью мускульной силы.
Это создает возможность для различных нарушений, когда неопытные строители начинают действовать самостоятельно и в результате получают неустойчивый и подвижный фундамент. На практике обычно используется мини-экскаватор с установленным навесным сваезаворачивателем.
Он способен погружать стволы диаметром до 159 мм на глубину до 12 м, чего в большинстве случаев вполне достаточно при частном строительстве.
Как выровнять по горизонтали
Погруженные винтовые сваи необходимо выровнять по горизонтали. Для этого устанавливается лазерный строительный уровень (нужна модель, способная обрисовать горизонтальную плоскость) на нужной высоте от поверхности почвы.
По имеющейся отметке производится подрезка всех стволов. Если какие-либо из них оказываются слишком короткими, производят предварительное наращивание.
К подрезанной части ствола (отрезается участок с технологическим отверстием) приваривается дополнительная труба, увеличивающая недостающую длину, после чего производится подрезка на общем уровне.
Все сварные швы и открывшиеся при подрезке участки металла необходимо сразу же подкрасить защитной полимерной краской. Надо выбирать непроницаемые для влаги виды или использовать битумную мастику.
Заливка бетоном
Внутренние полости свай заполняются бетоном. Это позволяет значительно усилить механическую жесткость трубы, снизить опасность коррозии внутри ствола.
Бетонирование увеличивает несущую способность ствола на треть, позволяя получить некий запас прочности фундамента, необходимый для устойчивости к возникновению непредвиденных ситуаций. Для заливки используются плотные марки бетона — М200 и выше. Заливку производят на уровень несколько меньший высоты подрезки.
В первые часы бетон в скважине просядет на несколько сантиметров, поэтому после заполнения до верха ствола насыпают сухую песчано-цементную смесь. Она впитает выдавленные при просадке частицы воды и образует пробку, запечатывающую ствол перед монтажом оголовка.
Принципы расчёта и проектирования
Свайно-винтовая технология возведения фундаментов основана на принципе прохождения точечной опоры сквозь слабые слои почвы к плотным несущим пластам.
Нагрузка от дома, таким образом, передаётся прямо на несущее грунтовое основание, чем обеспечивается надёжное и прочное положение строения.
Глубину залегания несущих пластов грунта определяют путём опытного бурения и отбором образцов почвы, с последующим их испытанием. Также этот параметр берут из вертикальной съёмки с привязкой к месту строительства, которая есть в каждом отделении архитектуры местного исполкома.
Путём сбора нагрузок (вес всех конструкций строения, мебели, оборудования различного назначения, максимального количества людей и прочего, снеговая нагрузка) и делением их на общую площадь винтовых свай определяют удельное давление на почву. Оно должно быть меньше сопротивления несущего слоя грунта. Этим соотношением корректируют количество винтовых свай на плане СВФ.
Оперируя числом свай, видом опорного слоя грунта и заводскими данными несущей способности стандартных винтовых свай, определяют тип и марку ВС.
Универсальность и быстрая установка СВФ привлекает многих застройщиков возводить фундаменты не только в местах, где располагаются пучинистые почвы, но и на вполне прочных несущих основаниях. Единственным исключением являются каменистые грунты, которые своими твёрдыми включениями могут повредить и полностью разрушить лопасти винтовых свай.
Существуют нормативы отбора типоразмеров свай для строительства различных объектов. Основным показателем является диаметр ствола опоры, который напрямую взаимосвязан с величиной её несущей способности. Для ручной установки свай применяются опоры диаметром от 57 до 133 мм.
| Диаметр сваи, мм | Нагрузка, кг | Вид почвы | Строение |
| 57 | 800 | Переувлажнённый грунт | Лёгкие постройки каркасного типа |
| 89 | 1400 | Болотистые и торфяники | Дачные домики, гаражи |
| 108 | 3500 | Все кроме каменистых | Бревенчатые дома (срубы) |
Длину сваи рассчитывают исходя из того, что нижний её конец должен погрузиться в несущий слой грунта минимум на 300 мм. К этому добавляют высоту наземной части опоры. Проектом строительства закладывается величина просвета между землёй и обвязкой ВС (ростверком).
Минимальный технологический зазор допустим высотой 150 мм. Сюда следует добавить расстояние до технологических отверстий + 100 мм. В общей сумме это будет оптимальная длина сваи.
Практический опыт показывает целесообразность ручной установки винтовых опор при их длине до 1,8 м. При большем размере монтаж СВФ возможен только с помощью спецтехники.
Как составить чертеж свайного поля?
После всех расчётов приступают к формированию чертежа расположения ВС на плане строительного участка.
При расстановке опор на приусадебном участке руководствуются следующими правилами:
- Сваи должны быть установлены во всех углах плана фундаментного основания.
- Опоры для монолитной плиты под оборудование (печь, котёл и пр.) будут в углах и по периметру через каждые 1,5 м.
- По осям расположения несущих стен центры свай помещают с промежутком от 1,5 до 2 м., в зависимости от материала ростверка (обвязки). Например, для бруса — 1,5 м, а для швеллера достаточно будет устанавливать опоры каждые 2 – 2,5 м.
Пример исполнительной схемы и план свайно-винтового фундамента:
Обвязка ростверком
Ростверк — это пояс обвязки, соединяющий отдельные опоры в единую систему. Он нужен для принятия веса стен или прочих элементов конструкции дома, равномерного распределения нагрузки по всему свайному полю.
Существуют разные способы монтажа ростверка, обусловленные материалом изготовления:
Деревянный
Используется деревянный брус минимальной толщиной 150 : 150 мм. Как вариант, можно применить пачки из досок толщиной 50 мм и шириной 200 мм, соединенные в единый пакет размером 150 : 200 мм. Используется качественный сухой пиломатериал 1 или 2 сорта.
Поверхность дерева покрывается антисептическим и антипиреновым составом (в настоящее время существует пропитка, выполняющая обе функции). Соединение брусьев производится вполдерева и только над оголовком сваи.
Стыки, расположенные в пролете, не допускаются. Между металлом и деревом во всех местах прокладывают двойной слой рубероида (гидроизоляция). Установка выполняется так, чтобы свая располагалась точно по продольной оси бруса.
Металлический
Используются различные виды металлопроката:
- Швеллер.
- Двутавр.
- Труба прямоугольного сечения.
При использовании швеллера не нужны оголовки, хотя для трубы или двутавра их присутствие обязательно. Для швеллера используются специальные закладные детали, установленные в трубу при заливке бетона.
Появляется возможность обойтись без гидроизоляции между оголовками и обвязкой, но между металлом и стеной она применяется в любом случае. Соединение деталей производится сварным способом с обязательным усилением болтами.
При повышенной прочности металлического ростверка, возникает большой металлический элемент конструкции, который требует обслуживания — периодической покраски защитными составами.
Железобетонный
Это самый трудоемкий и долгий вариант создания ростверка, но и самый прочный и надежный, не подверженный коррозии или гниению. Для его создания необходимо изготовить опалубку, установленную поверх оголовков.
Внутрь помещают арматурный каркас, после чего приступают к заливке бетона.
Опалубка изнутри устилается слоем рубероида или полиэтилена для исключения утечек влаги. Иногда ростверк заливают ниже уровня оголовков, приваривая арматурный каркас непосредственно к стволам. Чаще всего такое производится при достаточной высоте на уровнем грунта.
В таких случаях подрезку по горизонтали выполняют после затвердения бетона (28 дней), а заполнение стволов производят после подрезки.
Заливка наземной части свайного фундамента
Если позволяет грунт, а участок застройки относительно ровный, часто ростверк делают непосредственно по грунту. Чтобы выполнить такую операцию, оголовок не должен возвышаться над уровнем грунта более чем на 100 мм. После того, как все опоры установлены, приступают к подготовке и заливке ленточного фундамента по сваям. Делается это по следующей технологии:
- По периметру фундамента снимается верхняя часть грунта, чтобы получилась небольшая траншея.
- Следующий шаг – сооружение съемной или несъемной опалубки. Наиболее подходящий материал – строганные доски, которые сбиваются поперечинами на нужную высоту.
- Траншея засыпается песчано-гравийной смесью до уровня оголовок свай. Подушка увлажняется и утрамбовывается, чтобы не было проседаний.
- В опалубку устанавливается арматурный каркас.
- Заливается бетонная смесь на уровень, чтобы каркас из арматуры был полностью погружен в бетон.
Совет! Если работы по бетонированию производятся в жаркую погоду, заполненную бетоном опалубку накрывают полиэтиленовой пленкой, а сам бетон рекомендуется увлажнять через каждые 12 часов.
Как сделать фальш-цоколь
Фальш-цоколь предназначен для защиты пространства свайного поля под домом от проникновения животных или птиц, заметания снегом в зимнее время, от ветра и влаги. Для создания такого цоколя используются различные материалы.
Самый бюджетный и эстетически привлекательный вариант — полоса по внешнему периметру из профнастила. Она крепится верхней частью к специальной деревянной доске, установленной по периметру ростверка.
Нижнюю часть крепят к деревянному брусу, уложенному на подставки из кирпича, шлакоблока и т.п. для отсечки контакта с грунтом.
По нижней кромке устраивают бетонный отлив, а по верхней границе надо смонтировать отлив для вывода дождевой воды.
