Погружение свай. Способы облегчения работ с учетом местных грунтов

В основе методик, позволяющих быстрее выставить на местах сваи, лежит применение водной струи под давлением и эффект электроосмоса.

При подаче воды через систему трубок 38-62 мм диаметра, расположенных на теле сваи, происходит размытие и рыхление грунта. Это позволяет снизить степень сопротивления грунтовых слоев у нижней точки ввода сваи, а также трение по ее бокам. Две-четыре подмывные трубки, снабженные наконечниками, размещаются по бокам сваи, центральная трубка с одноструйным или многоструйным наконечником – на острие сваи. Также применяется боковой подмыв грунта, направленный исключительно на снижение трения вдоль периметра сваи – трубки размещаются на дистанции 300-400 мм над острием.

Подмыв происходит при закачке в трубки воды под давлением от 0,5 МПа и выше. Поскольку сильные струи воды достаточно эффективно нарушают сцепление в грунтовых слоях под свайной подошвой, а также (в меньшей степени) по бокам сваи, это может вызвать утрату ею несущих функций. Чтобы избежать подобной ситуации, последние метр-два свая погружается без использования подмыва – только путем забивки.

Задействовать подмыв в ходе установки свай запрещается при наличии возможной угрозы близкорасположенным строительным конструкциям и сооружениям, при проведении работ на просадочных грунтах.

Метод электроосмоса, позволяющий снизить трудоемкость операций в свайных работах, используется на водонасыщенных плотных грунтах, содержащих слои глины и моренные суглинки. К свае, ранее размещенной в грунте, подключается анод, а к вбиваемой (готовой к установке) свае по соседству – катод. При подаче электропитания влажность грунта по периметру положительно заряженной сваи падает, а вокруг заряженной отрицательно возрастает, тем самым облегчая задачу по ее погружению. Выставив сваю на месте подачу электротока прекращают, что способствует возвращению баланса грунтовых вод к исходному состоянию и наращиванию несущих способностей сваи, ранее бывшей катодом.

Применение электроосмоса в ходе установки свай из железобетона выполняется посредством закрепления на их теле полосовой стали, общая площадь покрытия которой должна составить порядка 20-25% от свайной поверхности. Металлические сваи, выставляемые путем завинчивания, в дополнительном оснащении стальными полосами не нуждаются.

Применяя методику электрического осмоса удается повысить скорость работ по установке свай за счет уменьшения сопротивления грунта как минимум на 25%.

Установка свай в мерзлый грунт

Работы по погружению свай в мерзлый грунт необходимо производить с выполнением дополнительных процедур, что увеличивает длительность их производства и повышает трудоемкость. Обойтись без этого можно, если выполнять ввод свай в грунт при помощи молотов и вибромолотов заведомо большей мощности при условии, что глубина промерзания не более 700 мм. Во всех прочих ситуациях приходится изменять характеристики мерзлого грунта на приближенные к летним.

Прежде всего, следует препятствовать промерзанию грунта, во время утепляя участки предстоящих свайных работ имеющимися под рукой материалами – соломой, опилками, опавшей листвой и т.п. Также проводится механическое разрушение слоев мерзлого грунта, выполняются лидирующие скважины и прорези вдоль будущей рядной установки свай, принимаются меры по оттаиванию участка работ. Следующее за этими операциями погружение свай производится в том же порядке, что и в ходе свайных работ летом.

Методы установки свай в вечномерзлые грунты сопровождаются характерными технологическими особенностями, вызванными специфическими свойствами таких грунтов – при обеспечении сохранности от разрушения, они обладают высокими несущими способностями. Важно обеспечить естественное состояние грунтов в зонах вечной мерзлоты, а в ситуациях, когда структурные характеристики грунта были нарушены во время работ по погружению свай – принять меры по их восстановлению.

Благодаря смерзанию внешнего периметра свай с вечномерзлым грунтом достигается их максимально возможная несущая способность. Помимо территорий вечной мерзлоты это качество мерзлой земли возможно с эффектом использовать в ходе монтажа свай на твердомерзлых грунтах, на 5-10 м глубине которых среднегодовые показатели температуры составляют: для супесей -0,6^оС; для глин -5^оС; для суглинков -1^оС.

Основных способов ввода свай в твердомерзлые грунты два – подготовка лидерских скважин, диаметр которых больше максимальной ширины сваи в поперечном сечении, а также предварительное оттаивание грунта.

Последовательность действий при выполнении монтажа свай по методу «лидерской скважины» такова:

• пробуривается скважина необходимого диаметра;
• скважина заполняется песчано-глинистой смесью до уровня, обеспечивающего перекрытие зазора между боками сваи и стенками скважины после установки первой;
• введение сваи с выжиманием смеси песка и глины;
• подъем из скважины обсадной трубы.

В высокотемпературные пластично-мерзлые грунты сваи устанавливаются путем забивки или бурозабивки. Способы свайного погружения, применяемые на мерзлых земельных участках, для высокотемпературных грунтов неэффективны из-за слишком длительного вмерзания сваи. При этом забивать сваи с достаточным результатом удается лишь в не содержащие включений пластинчато-мерзлые песчаные грунты и пылеватые суглинки, причем только в кратковременный период их естественного оттаивания летом. Зимой такие грунты промерзают ниже -5^оС, приобретая твердомерзлые характеристики. В этой связи бурозабивной метод оказывается более эффективным.

Работы по установке свай в соответствии с бурозабивной технологией выполняются в два этапа – прежде пробуривается лидирующая скважина диаметров на 10-30 мм меньше сечения сваи, затем в нее заводится свая, для погружения которой используется дизель-молот или вибромолот. В процессе монтажа сваи грунт в скважине частично оттаивает из-за возникновения тепловой энергии вследствие механического воздействия молота, отводится от углов к центральной части ее стен и частично выходит из скважины наружу. А поскольку тонкий слой грунта вокруг погружаемой сваи немного прогревается и оттаивает, то это ускоряет ее вмерзание в скважину. Благодаря лидирующим скважинам обеспечивается точность позиционирования сваи, ее вывод на глубину в соответствии с проектом и достигается ее сохранность в случае выхода на острые валуны, сокрытые в толще грунта.

Погружение свай в предварительно оттаянный мерзлый грунт выполняется в оттаявший участок, почвенные слои в составе которого достигли разжиженного состояния. Работы по оттаиванию выполняются с применением паровой иглы, нижний конец которой имеет перфорацию. Воздействуя на мерзлый грунт паром, находящимся под давлением в 0,4-0,8 МПа, обеспечивается его разжижение, после чего в этот участок на проектную глубину устанавливается свая.

Если толща грунта содержит небольшой объем льда, то на создание паром разжиженной полости уйдет порядка 1-3 часов, в случае большого количества льда понадобится больше времени – около 6-8 часов. Погружение иглы отпаривателя производится со скоростью, определяемой в зависимости от диаметра сваи – протаянная полость должна превышать его двух-трехкратно. После размещения в грунте свая вмерзает в него и заделывается в вечномерзлый грунт, благодаря чему приобретает высокие несущие свойства.

Порядок установки свай

Положение свай на участке работ (свайном поле) и характеристики техники, с помощью которой их предстоит выставлять – это определяющие моменты в выборе порядка погружения свай. Также принимаются во внимание дальнейшие работы по формированию ростверка.

Самой популярной является установка свай прямыми рядами, расположенными отдельно или кустовым построением. Применяя спиральную систему закладки свай – концентрические ряды от краев к центральной части свайного поля – получится сократить дальность путей для сваепогружающей техники. При этом есть один нюанс: если расстояние между центральными осями соседних свай (по вертикали) окажется меньше, чем пять их диаметров – велика вероятность чрезмерного уплотнения грунтовых слоев в центре свайного поля, что серьезно осложнит проведение работ на нем. Если предварительные расчеты показывают, что погружаемые сваи будут расположены слишком близко друг к другу, то следует начать их установку по спирали от центральной части свайного поля.

Когда расчетная дистанция между позициями свай является достаточно большой, порядок их установки определяют характеристики сваепогружающего оборудования. К примеру, мачты некоторых моделей башенных копров выставляются на выдвижные опоры, выводимые на подвижные платформы и способные перемещаться на расстоянии в один метр. Применение таких установок позволяет вести двухрядную забивку свай с одной позиции. В ходе фундаментных работ при возведении многоэтажных жилых зданий используются краны специальной конструкции, позволяющей навешивать копровое оборудование, монтировать под подъем молота и свай двухбарабанную лебедку. При помощи таких кранов можно погружать восьмиметровые сваи, перемещая кран по рельсам, предварительно размещенным вдоль бровки котлована почти на нулевой отметке.

Создание свайных фундаментов для протяженных построек промышленного и жилого назначения особенно удобно выполнять, пользуясь сваебойным оборудованием мостового типа. Это перемещаемый мост, по которому в свою очередь движется платформа тележки с закрепленным на ней копром. 8-12 метровые сваи забиваются при этом дизель-молотом. Поскольку мачта копра способна опускаться ниже, чем основание его рабочей площадки, то мостовая сваебойная установка позволяет вбивать сваи в точках, находящихся ниже мостовой рамы. Одновременно сваебойная мостовая установка выполняет задачу координатора при разбивке свайного поля, что упрощает позиционирование свай на местах. Расположение свай вблизи рабочей зоны сваебойного моста позволяет свести к минимуму длительность процессов по доставке свай к копру и в итоге существенно наращивает производительность всего комплекса работ.

Металлические и деревянные шпунтовые ограждения выставляются с предварительной установкой свай-маяков с закрепленными на них двумя-тремя ярусами схваток – они исполнят роль направляющих при погружении шпунта.

Зимние работы по установке свай, в ходе которых для оттаивания грунта применяются электронагреватели стержневого типа, свайное поле делится на три рабочих сектора (захватки): в первом проводится бурение скважин-лидеров; во втором заранее подготовленные скважины покрываются утеплителем и проводится их оттаивание; в третьем секторе ведутся работу по погружению свай в подготовленные и оттаянные скважины. Промежуток времени между оттаиванием скважины и введением в нее сваи должен быть не дольше, чем протяженность одной рабочей смены. Порядок установки свай с разбивкой территории на секторы-захватки соблюдается также в ситуации, когда к построению ростверков приступают прежде, чем будут полностью заведены в грунт под строящийся объект все свайные конструкции.

Как выбрать метод размещения свай и тип оборудования под эту задачу

Одна или несколько технологий установки свай из описанных выше избираются на основании следующих «местных» критериев: физико-механических характеристик грунта; используемый тип свай; объем работ по погружению свай; глубина, на которую следует вывести сваи; производительность сваепогружающего оборудования, которым располагает исполнитель.

Расчет объема свайных работ производится в соответствии с количеством свай или общей протяженности утопленных в грунт свайных частей, в случае шпунтованных свай – их суммарной длиной в зависимости от дистанции заглубления. Исходя из полученных данных определяются возможности сваепогружающих установок за единицу времени (можно за час, но чаще – за одну смену).

Средние нормативы для проекта приводятся в документации ЕНиР – оттуда берутся данные по производительности различного сваепогружающего оборудования за единицу времени, так же описаны составы рабочих команд. Но, принимая во внимание значительное число определяющих факторов на местности, существует потребность выяснить обобщенную зависимость для конкретной ситуации – установить реальный темп размещения свай в грунте. С этой целью необходимо выполнить пробную установку сваи в границах свайного поля, используя основное оборудование. Пробные сваи размещаются как минимум в пяти различных секторах рабочего участка, по результатам их погружения определяется средняя длительность введения сваи в грунт по времени и производительность оборудования.

Выбор конкретного типа установки для погружения свай связан, по большей части, с предстоящим объемом работ. Дело в том, что копры с металлическими башнями, сваебойные мостовые установки и еще некоторые типы сваепогружающего оборудования нуждаются в подготовке рельсовых путей, трудозатраты на размещение которых оправдываются лишь большим числом свай для погружения. Наконец, предварительная подготовка к работе мобильного оборудования займет меньше времени и сил, чем выставление копра.