СПОСОБ УСТРОЙСТВА ЗАБИВНОЙ СВАИ
METHOD OF PILE DRIVE DEVICE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении свайных фундаментов преимущественно в просадочных с I типом грунтовых условиях, насыпных, высокопористых глинистых, песчаных и др. слабых грунтах с пониженной несущей способностью в их природном или техногенном сложении.
Известны и широко применяются в различных грунтовых условиях свайные фундаменты из забивных призматических, реже круглых пирамидальных, ромбовидных и др. свай (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004; СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. М. 2011).
Основными недостатками их являются:
- невысокая несущая способность свай в слабых и др. грунтах и особенно при опирании их на грунты с высокой сжимаемостью;
- невозможность погружения свай в прочные и плотные - слабоуплотняющиеся грунты без лидерных скважин.
Известен также способ устройства фундаментов из забивных свай в пробуренных лидерных скважинах на глубину не менее чем на 1 м меньше глубины погружения сваи (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004). Лидерные скважины выполняются, как правило, в достаточно плотных и прочных грунтах, в которых не представляется возможным погрузить сваи на заданную глубину.
Существенным недостатком устройства свай в предварительно пробуренных (с выбуриванием грунтов) лидерных скважинах является весьма значительное (до 2-х раз) снижение несущей способности таких свай по их боковой поверхности.
Близкими к предлагаемому способу являются следующие известные способы устройства набивных свай:
а) Устройство набивных свай в пробитых скважинах, полученных с помощью пневмопробойника с последующим заполнением скважины жесткой бетонной смесью и повторным погружением в нее пневмопробойника с образованием сваи диаметром до 14-26 см (Казаков Ю.Н., Буланкин Н.Ф., Стоян Ю.Ф. Технология устройства набивных свай пневмопробойниками // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 1995, №1).
б) Устройство набивных свай в пробитых скважинах, полученных путем погружения в грунт сваебойными установками конической инвентарной трубы - пробивного сердечника диаметром поверху 0,4-0,6 м, понизу 0,05-0,15 м с помощью сваебойного оборудования (Крутов В.И., Сорочан Е.А., Ковалев В.А. Фундаменты мелкого заложения. АСВ. - 2009). В рыхлых глинистых грунтах скважины заполняются жесткой бетонной смесью с последующим погружением в нее инвентарной трубы-сердечника.
в) Устройство набивных свай в пробитых скважинах с уширенным основанием из втрамбованного жесткого грунтового материала, выполненных с помощью специального навесного оборудования на грузоподъемные механизмы или сваебойных установок (СТО 36554501-018-2009. Стандарт организации. Проектирование и устройство свайных фундаментов и уплотненных оснований из набивных свай в пробитых скважинах. НИЦ « Строительство». - 2010; Крутов В.И., Кагай В.К., Глухов B.C. Фундаменты из набивных свай в пробитых скважинах // Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2011, №2).
г) Устройство буроопускных железобетонных свай с камуфлетным уширением, выполняемых путем: бурения скважины на заданную глубину и, как правило, не менее чем на 1 м заглубления в подстилающий слой с повышенной прочностью и несущей способностью, устройство камуфлетного уширения под слоем литой бетонной смеси, опускание в скважину через уширение из бетонной смеси сборной железобетонной сваи с вдавливанием ее в подстилающий несущий слой, заполнение зазоров между сваей и стенками скважины грунтом, литой бетонной смесью или др. схватывающимся раствором (СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. Госстрой России. М. 2004).
Основными недостатками приведенных выше технических решений являются соответственно:
- для набивных свай в пробитых скважинах с помощью пневмопробойника - ограниченная область их применения из-за сравнительно небольших диаметров до 0,14 и в некоторых случаях до 0,26 м и глубиной их устройства до 2-6 м, а также невозможность выполнения таких свай в грунтах с наличием прослойков или даже линз с повышенной плотностью и прочностью и тем более в толще плотных грунтов;
2
- для набивных свай в пробитых скважинах, полученных путем погружения в грунт конической инвентарной трубы - пробивного сердечника: неполное использование несущей способности грунтов под торцом сваи из-за малой его площади, не превышающей 0,002-0,018 м; необходимость использования двух видов бетонной смеси, а именно жесткой бетонной на крупном заполнителе для вдавливания ее в боковую поверхность скважины при возможном повторном погружении пробивного сердечника и литой на мелком заполнителе при бетонировании ствола сваи; затруднение и часто невозможность повторного погружения пробивного сердечника в скважину, заполненную жесткой бетонной смесью при наличии прослойков и линз достаточно прочных и плотных, в том числе маловлажных глинистых грунтов; низкая несущая способность таких свай в глинистых грунтах с повышенной влажностью, а также плотных и маловлажных грунтах в связи с отсутствием возможности вдавливания жесткой бетонной смеси в стенки скважины;
- для набивных свай в пробитых скважинах с уширенным основанием из втрамбованного жесткого грунтового материала из-за отсутствия специального навесного оборудования на грузоподъемные и транспортные механизмы и необходимости его кустарного изготовления;
- для буроопускных железобетонных свай - практически полное исключение в передаче нагрузки на грунт основания по боковой поверхности сваи и по всей ее длине на вертикальные и горизонтальные нагрузки, вследствие чего эти сваи целесообразно применять только при прорезке заторфованных и др. грунтов с наличием в них слоев торфов, а также самоуплотняющихся от собственного веса просадочных (II типа) и неслежавшихся насыпных грунтов.
Кроме того, общим недостатком всех приведенных выше способов является значительный (до 0,2-0,5 месяца) перерыв в производстве работ нулевого цикла, необходимый для набора прочности бетона набивных свай до требуемых значений, вследствие чего существенно увеличиваются сроки строительства.
Известен также способ устройства сваи по SU 1170044 от 30.07.85, включающий выполнение многослойной из расположенных коаксиально на расстоянии друг от друга бетонных слоев и размещенных между ними прослоек сыпучего материала (например, грунта, песка или другого аналогичного материала). По этому техническому решению свая возводится следующим образом. На спланированной строительной площадке с помощью круглого или квадратного полого штампа, погружаемого в грунт методом вибропродавливания, статического вдавливания или забивки на заданную глубину, образуют скважину с одновременным созданием уплотненной зоны. После погружения штампа его извлекают, а образованную зону заполняют бетонной смесью на всю глубину. В случае устройства таких свай в обводненных грунтах полый штамп используют в качестве обсадной трубы, через которую производят заполнение скважины материалом снизу вверх. После заполнения скважины до устья производят обратное погружение штампа в скважину на первоначальную глубину. За один или несколько проходов штампа в грунтовом массиве формуют замкнутую оболочку из бетонного слоя и образуют уплотненную зону. Для создания грунтовой или песчаной уплотненной прослойки образующуюся в бетоне полость с размерами, равными размерам штампа, заполняют грунтом, песком или другим аналогичным материалом по принципу, описанному выше, и формуют также за один или несколько проходов штампа прослойку сыпучего материала, под воздействием которой бетонный слой вытесняется в грунтовый массив с одновременным его уплотнением, некоторым уменьшением толщины стенки и увеличением объема уплотненного грунта. Таким образом, в грунтовом массиве формируется оболочка, выполненная многослойной из расположенных коаксиально на расстоянии друг от друга бетонных слоев и размещенных между ними прослоек сыпучего материала. Заключительный этап устройства сваи состоит в заполнении сыпучим материалом на 1/2-2/3 ее глубины, заполнении остальной части бетонной смесью, в которую погружают железобетонный ствол до заданной отметки и после схватывания бетона образуется свая с повышенной несущей способностью. Причем железобетонный ствол установлен в верхней части внутреннего бетонного слоя оболочки и отделен от нижней его части поперечной бетонной диафрагмой и слоем сыпучего материала.
Описанный способ возведения сваи характеризуется следующими основными недостатками:
- сваю выполняют как в процессе формования уплотненных зон, так и в процессе погружения железобетонного ствола с использованием литого бетона, для чего, как отмечалось выше при устройстве набивных свай, требуется достаточно длительный период времени для набора бетоном необходимой прочности перед ее нагрузкой;
- формование уплотненных зон выполняют шаблоном с плоским дном, что, как известно, связано преимущественно с продавливанием заполняемого в скважину материала и достаточно эффективно только для формования уплотненной зоны под дном шаблона, и практически не влияет на увеличение их по боковой поверхности сваи (SU 1652431 от 30.05.91), т.е. тем самым приводит к снижению общей несущей способности сваи и, кроме того, к возможному разрыву сплошности бетонных слоев по боковой поверхности из-за неравномерности набора прочности в них бетона;
- устройство сваи связано с комбинацией двух видов свай: набивной (опускной) с использованием литого бетона и сборной железобетонной, что приводит к существенному увеличению не только сроков ее возведения, но и трудоемкости, а также приводит к резкому ограничению области применения по грунтам основания;
- в предлагаемом способе устройства сваи не указаны геометрические параметры как по глубине, так и по диаметру пробиваемой скважины, что также влияет на ее несущую способность;
- не указаны конструкция, время создания (установки) и роль поперечной бетонной диафрагмы;
- так как железобетонный ствол погружают (а не забивают) на заключительном этапе образования сваи в литую бетонную смесь, то эта конструкция сваи является частным случаем опускной сваи, но не забивной.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является способ возведения свайного фундамента из забивной сваи на просадочных грунтах, по которому проходят скважины на всю глубину просадочного грунта с заглублением в подстилающий непросадочный грунт, заполняют скважины дренирующим материалом (песком), затем осуществляют обваловывание территории по периметру сооружения, покрывают обвалованную площадь слоем дренирующего материала (песка) и осуществляют замачивание путем заливки воды на обвалованную территорию и выдерживания в течение 15-30 дней, после чего погружают сваи в скважины (SU 885446, 30.11.1981).
По способу возведения свайного фундамента по SU 885446 необходимо отметить следующее:
а) Рассматриваемый способ устройства фундамента распространяется только на просадочные грунты с II типом грунтовых условий, в которых возможна просадка грунта от его собственного веса, а предложенный способ распространяется только на просадочные грунты с I типом по просадочности, т.е. при отсутствии просадки от собственного веса.
б) Для известного способа не указано, как именно проходят скважины. В соответствии с ранее действующими (Руководство по производству и приемке работ при устройстве оснований и фундаментов. НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М. Стройиздат. 1977; Крутов В.И., Галицкий В.Г. и др. Уплотнение просадочных фунтов. М. Стройиздат, 1974) и сохранившимися до настоящего времени требованиями (Пособие по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83). НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. М. Стройиздат, 1986) дренажные скважины должны выполняться путем бурения с выборкой грунта без создания вокруг и под ними уплотненных зон. В случаях выполнения скважин путем пробивки их и создания вокруг них уплотненных зон весьма существенно снижается фильтрационная способность дренажных скважин, они будут выполнять роль армирующих элементов и сдерживать интенсивность уплотнения грунтов, поэтому способ оказывается неэффективным.
s
o
o
p
p
r
в) Для того чтобы обеспечить создание вокруг и особенно под сваей уплотненных зон, при которых достигается повышение несущей способности сваи, необходимо снижение влажности грунтов от полного водонасыщения ω до значения, близкого к оптимальной влажности ω, обычно равной ω=ω (ω - влажность на границе пластичности). Такое снижение влажности, как правило, происходит в течение 10-20 сут после прекращения замачивания. Только спустя это время следует погружать забивную сваю в дренажную скважину. Если же погружать сваю сразу же после прекращения замачивания, когда грунт находится в состоянии практически полного водонасыщения (степень влажности S≥0,8-0,9), то погружение сваи будет происходить практически без уплотнения околосвайного грунта и главным образом за счет выпора грунта в стороны с весьма существенным подъемом его поверхности вокруг скважины и частичным разуплотнением грунта вокруг и под сваей.
Таким образом, от момента выполнения дренажной скважины до погружения в нее забивной сваи по SU 885446 требуется около 2-3-х месяцев. По предложенному способу это время может быть сокращено до нескольких (0,5-2-х) часов.
г) Выполнение дренажных скважин с заглублением их в непросадочный подстилающий несущий слой по SU 885446 неизбежно приводит к снижению прочностных и деформационных характеристик этих грунтов (особенно при их глинистом составе) и тем самым к снижению несущей способности забиваемой в последующем сваи, а также увеличению ее длины.
д) В SU 885446 не указываются пределы изменения диаметра дренажных скважин, которые могут в большей степени, чем их глубина, определять эффективность повышения несущей способности забивной сваи.
Таким образом, изложенное выше показывает, что способ по SU 885446 может быть принят за прототип предложенного способа, если принять условно, что дренажные скважины выполняют путем бурения с выборкой из них грунта.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является устранение приведенных выше недостатков наиболее близкого способа.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного способа, заключается в повышении несущей способности сваи в просадочных с I типом грунтовых условий, насыпных, высокопористых глинистых, песчаных и др. слабых грунтах с пониженной несущей способностью в их природном или техногенном сложении за счет создания увеличенных зон уплотненного грунта вокруг сваи, а также в сокращении времени на устройство свай за счет исключения необходимости замачивания грунтового материала.
Указанный технический результат в способе устройства забивной сваи, по которому выполняют скважину, заполняют ее грунтовым материалом без уплотнения и забивают в нее сваю, достигается тем, что скважину выполняют пробивкой с образованием по боковой поверхности и по дну скважины уплотненной зоны грунта, а сваю забивают с формированием дополнительной зоны уплотненного грунтового материала вокруг сваи.
Кроме того, для повышения несущей способности сваи вокруг и ниже торца сваи после пробивки скважины создают уширенное основание путем засыпки в скважину грунтового материала по всей глубине скважины или только в нижней ее части на высоте не менее двух диаметров скважины с последующим его втрамбовыванием и созданием уширенного основания, после чего осуществляют заполнение скважины грунтовым материалом без уплотнения.
Кроме того, для обеспечения погружения сваи на необходимую глубину, увеличения толщины уплотненной зоны вокруг сваи используют сваю с заострением ее нижнего конца под углом 30-60°.
В неустойчивых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтах пробивку скважины выполняют с обсадной трубой с внутренним пробивным сердечником или с бетонной пробкой из жесткого бетона, в качестве грунтового материала для засыпки скважины после создания уширенного основания используют песчаный грунт либо сыпучий грунтовый материал, засыпку которого осуществляют одновременно с извлечением обсадной трубы из скважины с приложением к ней в необходимых случаях вибрации.
Кроме того, в слабых грунтах для повышения несущей способности, в том числе на моментные и горизонтальные нагрузки, после забивки сваи в верхней части скважины выполняют уширение из втрамбованного жесткого грунтового материала.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена пробивка сваи; на фиг. 2 - создание уширенного основания путем втрамбовывания в дно скважины отдельными порциями жесткого грунтового материала; на фиг. 3 - засыпка скважины местным глинистым, песчаным грунтом или жестким грунтовым материалом; на фиг. 4 - засыпка скважины с уширенным основанием местным грунтом или жестким фунтовым материалом; на фиг. 5 - погружение забивной сваи в засыпанную скважину; на фиг. 6 - погружение в засыпанную скважину с уширенным основанием забивной сваи; на фиг. 7 - разрез А-А по фиг. 1; на фиг.8 - разрез Б-Б по фиг. 2; на фиг.9 - разрез В-В по фиг. 3; на фиг. 10 -разрез Г-Г по фиг. 4; на фиг. 11 - разрез Д-Д по фиг. 5; на фиг. 12 - разрез Е-Е по фиг. 6.
Принятые обозначения:
1 - пробитая скважина;
2 - уплотненная зона грунта по боковой поверхности и по дну скважины;
3 - уширенное основание из жесткого грунтового материала под скважиной;
4 - уплотненная зона под и вокруг уширенного основания;
5 - засыпанный в скважину грунтовый материал;
6 - забивная свая;
7 - дополнительные зоны из уплотненного грунта или жесткого грунтового материала вокруг сваи;
8 - увеличение уплотненной зоны после погружения забивной сваи.
Способ устройства забивной сваи осуществляется следующим образом.
Скважину 1 выполняют путем пробивки ее свободно падающей трамбовкой либо погружением в грунт инвентарной трубы - пробивного сердечника на заданную глубину. При этом по боковой поверхности и по дну сваи 6 формируется зона 2 уплотненного грунта. После этого при необходимости повышения несущей способности сваи по ее подошве путем создания уширенного основания 3 в скважину 1 отдельными порциями отсыпают жесткий грунтовый материал толщиной слоя до 2d (d - диаметр скважины в нижней части) с последующим втрамбовыванием - вдавливанием его в дно скважины 1. Вокруг уширенного основания образуется зона 4 уплотненного грунта. Затем, как при сформированном уширенном основании, так и без него скважину 1 засыпают местным грунтом или для повышения несущей способности по боковой поверхности сваи скважину засыпают жестким грунтовым материалом без уплотнения и затем в скважину 1 забивают (погружают) готовую сваю 6 с заглублением ее в уширенное основание 3 (или при его отсутствии в подстилающий несущий слой) на (0,5-1)d согласно нормативным требованиям. При этом формируются дополнительные зоны 7 уплотненного грунтового материала вокруг сваи 6, а также происходит увеличение 8 уплотненной зоны 2 грунта вокруг скважины 1. Образование дополнительных и увеличенных зон уплотненного грунта позволяют повысить несущую способность сваи.
Кроме отмеченного выше, для повышения несущей способности сваи в частных случаях осуществляют следующее.
Сваю 6 в случае устройства ее без уширенного основания погружают в засыпанную скважину 1 на глубину не более h-(0,8-1,2)d и не менее h-(1,2-l,5)d от острия сваи 6 (h - глубина скважины 1), либо до отказа, согласно нормативным требованиям, при которой в основании ее достигается максимально возможная толщина уплотненной зоны 2 отсыпанного в скважину 1 грунта основания.
В целях обеспечения повышенной несущей способности сваи 6 по ее боковой поверхности на вертикальные и, особенно, на горизонтальные нагрузки применяют сваи 6 с заострением ее нижнего конца под углом 30-60°, при котором при забивке сваи 6 в наибольшей мере происходит выпор грунта в стороны с образованием максимальной толщины уплотненной зоны 2 вокруг сваи 6.
В неустойчивых водонасыщенных песчаных и глинистых грунтах пробивку скважины 1 выполняют с обсадной трубой с бетонной пробкой из жесткого бетона на крупном заполнителе или с внутренним сердечником, а засыпку скважины 1 после устройства уширенного основания 3 выполняют песчаным грунтом либо сыпучим жестким грунтовым материалом одновременно с извлечением обсадной трубы из скважины с приложением к ней в необходимых случаях вибрации.
Для повышения несущей способности забивной сваи, в том числе на моментные и горизонтальные нагрузки в слабых грунтах, после забивки сваи в верхней части скважины выполняют уширение (на чертежах не показано) путем втрамбовывания жесткого грунтового материала шаблоном-трамбовкой с продольным отверстием, например сваебойным оборудованием на заданную или возможную в данных грунтовых условиях глубину (Крутов В.И. Эффективные методы устройства фундаментов на уплотненных слабых грунтах // ОФМГ. - 1990, №5).
Предложенный способ обладает следующими наиболее существенными преимуществами и отличительными признаками:
- скважины под сваи выполняют не бурением, а пробивкой, благодаря чему вокруг и под скважиной образуются уплотненные зоны грунтов толщиной до (1,2-2)d с повышенными прочностными и деформационными характеристиками грунтов;
- пробивку скважины выполняют как свободно сбрасываемой трамбовкой с помощью специально изготавливаемого навесного оборудования на грузоподъемные и транспортные машины, так и, главным образом, с использованием широко применяемого сваебойного оборудования, с помощью которого в последующем выполняют погружение сваи;
- устройство свай, наряду с традиционными, без и с уширенным основанием, выполняемым путем втрамбовывания в дно пробитой скважины жесткого грунтового материала, за счет которого несущая способность сваи повышается до 1,5-2-х раз;
- в целях повышения несущей способности свай в необходимых случаях предусматривают засыпку пробитых скважин не только местным, хорошо уплотняющимся песчаным, глинистым грунтом, но и жестким грунтовым материалом (щебень, гравий и т.п.);
- для повышения несущей способности сваи, в том числе на моментные и горизонтальные нагрузки, после забивки сваи в верхней ее части выполняют уширение из втрамбованного жесткого грунтового материала.
Необходимо также отметить, что отмеченные выше наиболее существенные признаки и преимущества предлагаемого технического решения позволяют не только существенно (в целом до 1,5-2-х раз) снизить материальные затраты и время на устройство свайных фундаментов по сравнению с применением рассмотренных выше известных технических решений, но и, что весьма важно, обеспечивают широкую область применения как по грунтовым условиям, так и по нагрузкам на фундаменты, а кроме того, имеется возможность устройства различных видов свай на нагрузки на них, изменяющиеся до 5-10 раз одним и тем же оборудованием в пределах одного здания и сооружения с практически полным использованием несущей способности грунтов основания и прочностных значений материалов фундаментов.