Реферат: Способы устройства свайных фундаментов
Способы устройства свайных фундаментов
Для устройства свайных фундаментов применяют забивные, винтовые и набивные сваи.
Два первых типа свай изготовляют на заводах, а третий устраивают на месте из
монолитного железобетона или в сочетании со сборными элементами заводского
изготовления. В настоящее время на стройках массовое применение (более 90 %
от общего объема применяемых свай) получили главным образом забивные
железобетонные сваи квадратного сечения 0,2х0,2...0,4х0,4м длиной до 20 м
Используются также винтовые металлические сваи, воспринимающие в равной мере
как вдавливающие, так и выдергивающие нагрузки. Их применяют, в частности, для
заанкеривания трубопроводов, укладываемых в грунтах с подвижным поверхностным
слоем, в качестве инвентарных анкерных устройств для стендовых испытаний
конструкций на статические нагрузки и т.п. Набивные сваи в нашей стране
широкого распространения не получили. Во многих зарубежных странах свайные
фундаменты изготовляют преимущественно буронабивным способом.
Сваи заводского изготовления погружают в грунт приложением внешней
вертикальной или наклонной нагрузки (забивные сваи) или в сочетании ее с
парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости (винтовые сваи). Этими
силами преодолеваются силы сопротивления грунта погружению в него сваи. В
зависимости от структуры, гранулометрического состава, влажности, параметров
внутреннего и внешнего трения и других свойств грунты оказывают различные
сопротивления погружению свай. В наиболее податливые глинистые и супесчаные
грунты текучей и текучепластичной консистенции забивные сваи возможно
погружать вдавливанием. Чтобы противостоять большим реактивным силам
сопротивления грунта, применяемое оборудование должно обладать большой
массой. В противном случае оно будет отрываться от земли (подниматься над
ней), не производя полезной работы. Обычно вдавливающее оборудование
пригружают тяжелыми тракторами, которые наезжают на специальные откидные
рамы, связанные с направляющей мачтой. Из-за большой материалоемкости
вдавливающего оборудования и ограниченности грунтовыми условиями Ч
возможностью работать только в слабых грунтах, его низкой производительности
этот метод редко применяют в строительстве.
Для интенсификации процесса погружения забивных свай реализуются два основных
направления: создание технических средств, с помощью которых можно обеспечить
требуемые для погружения свай нагрузки при уменьшенной массе оборудования, и
средств, изменяющих силовое взаимодействие сваи с грунтом по разделяющим их
поверхностям и уменьшающим тем самым сопротивляемость грунта погружению сваи,
что в конечном счете приводит к снижению требуемых внешних нагрузок, а
следовательно, и к меньшей массе оборудования. В первом случае применяют
сваебойное оборудование Ч свайные молоты, которые передают свае ударную
нагрузку. Дополнительно к вдавливающей нагрузке, которая передается в виде
сил гравитации Ч собственных и взаимодействующих с ней рабочих органов, свае
передается часть кинетической энергии падающего на нее ударного рабочего
органа. Ударный метод погружения свай широко применяют в строительстве,
практически в любых грунтовых условиях, кроме скальных.
Второе направление реализовано в конструкциях вибропогружателей, которые
нагружают сваю периодически изменяемой по значению и направлению возмущающей
нагрузкой высокой частоты. Вследствие высоких мгновенных относительных
знакопеременных скоростей в пограничной со сваей зоне резко снижается
коэффициент внутреннего и внешнего трения грунта, который приобретает
свойства жидкости, чем снижается его сопротивляемость погружению сваи. В
результате вибрационного силового взаимодействия сваи с грунтом для ее
эффективного, соизмеримого по скорости с другими способами, погружения
достаточно небольшой гравитационной при-грузки. Этот метод весьма эффективен
при погружении свай в водонасыщенные песчаные грунты, а также другие грунты
пластичной консистенции. По сравнению с ударным способом в указанных
грунтах вибропогружением можно повысить производительность труда в 2,5...3
раза при снижении стоимости работ в 1,5...2 раза.
С уменьшением влажности грунтов для погружения свай с использованием
виброэффекта к ним требуется прикладывать большие статические или
динамические (ударные) вертикальные нагрузки. Способы погружения свай
сочетанием указанных нагрузок называют соответственно вибровдавливанием и
виброударным погружением. Каждую из составных частей нагрузок при погружении
свай вибровдавливанием (вибрационную и вдавливающую) передают на сваю
различными механизмами вибровдавливающего агрегата. Виброударную нагрузку
можно генерировать одним механизмом Ч вибромолотом.
Для завинчивания свай можно применять все перечисленные методы с тем, однако,
отличием, что реализующие их механизмы должны обладать возможностью передавать
свае пары сил в горизонтальной плоскости. В строительной практике применяют
кабестаны Ч устройства, осуществляющие статический способ передачи вращающих
сил. Вертикальная пригрузка сваи при этом способе ее погружения обязательна,
особенно на начальном этапе, когда лопасти сваи еще недостаточно защемлены
грунтом. Завинчиванием можно погружать сваи в щебенисто-галечные,
гравийно-песчаные. глинистые, а также мерзлые (песчаные и глинистые) грунты.
Перед устройством ростверков Ч конструкций, объединяющих сваи и служащих для
передачи нагрузки от надземной части здания на сваи и грунтовое основание,Ч
головы погруженных в грунт свай выравнивают на проектной отметке, срубая их
пневматическими молотками и газовой резкой или срезая специальными
устройствами, называемыми сваерезами.
Набивные сваи изготовляют на месте путем заполнения предварительно
пробуренной скважины бетонной смесью с уплотнением или без него. Скважины
образуют бурением (вращательным, ударным, вибротермомеханическим), пробивкой
штампами различной формы, иногда с раскаткой или сочетанием этих способов. В
плотных грунтах скважины разрабатывают без крепления стенок, а в обрушающихся
грунтах Ч с использованием обсадных труб, которые оставляют в скважине или
извлекают из нее по мере ее заполнения бетонной смесью. Уширения в скважинах
образуют режущими или уплотняющими уширителями рабочих органов или с помощью
камуфлетного взрыва, не вызывающего деформаций грунта за пределами означенной
зоны. В большинстве случаев эти уширения выполняются в едином технологическом
процессе с устройством тела сваи. Помимо описанного способа устройства
набивных свай, по содержанию которого эти сваи называют буронабивными,
известны также другие способы Ч вибронабивной, виброштампованный. Для
механизации работ по устройству набивных свай используют общестроительные
машины и оборудование (бурильные, бетоносмесительные, машины для
транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси и др.), а также
специальные машины, реализующие те же принципы, но приспособленные для
наиболее эффективного выполнения рассматриваемых работ. Более подробно эти
машины и оборудование рассматриваются в специальной литературе.
Машины и оборудование для погружения забивных свай
Копры и копровое оборудование. Сваи заводского изготовления погружают в
грунт с помощью копров, перемещающихся по свайному полю на собственном, обычно
рельсовом, ходу. Копры служат для подъема и установки свай перед погружением в
требуемой точке свайного поля и обеспечения их направления при погружении
вместе с погружателем.
Копер состоит из нижней рамы (рис.1 ) с ходовыми тележками 2,
поворотной платформы 6, опирающейся на нижнюю раму через
опорно-поворотное устройство, с расположенными на ней силовой установкой
(обычно электрической), механизмами (в том числе одной или двумя лебедками для
подъема и установки в рабочее положение сваи и погружателя), органами
управления, кабиной и противовесом, мачты 3 и механизмов 4 и 5
для изменения ориентации мачты относительно платформы. В зависимости от
принятой технологии работ копер комплектуют свайными молотами,
вибропогружателями или вибромолотами. Базовая часть копра Ч нижняя рама,
ходовые устройства, поворотная платформа с опорно-поворотным устройством, а
также грузоподъемные механизмы по своему устройству и принципу работы сходны с
аналогичными узлами самоходных кранов.
Рабочий процесс копра состоит из его передвижения к месту установки сваи, ее
строповки, подтягивания, установки на точку погружения по предварительно
выполненной разметке, выверке правильности ее положения, закрепления на свае
наголовника, предохраняющего ее от разрушения при ударном погружении,
установку на сваю погружателя, расстроповку сваи, ее погружение с последующей
выверкой направления, подъем погружателя и снятие с погруженной сваи
наголовника. Для передвижения копра используют собственное ходовое
оборудование. Если размеры и конфигурация свайного ппля таковы, что с
одной установки рельсового пути нельзя погрузить в грунт все сваи, то для
работы используют несколько копров, работающих каждый на своем рельсовом
пути, или перекладывают рельсовый путь после выполнения работ с прежней его
установки. После, перемещения копра его надежно стопорят стояночными
тормозами или другими устройствами.
Для выполнения всех грузоподъемных операций используют одну двухбарабанную или
две однобарабанные лебедки раздельно для подъема сваи и погружателя. Для
правильной установки сваи и ее фиксирования в требуемом начальном положении
мачту оборудуют упорами, иногда за хватами в ее нижней части. Для
наводки сваи на требуемую точку свайного поля требуется две степени свободы
мачты. Обычно это достигается поворотом платформы и изменением вылета мачты.
Еще одна степень свободы нужна для корректировки направления последующего
движения сваи в процессе се погружения.
Рис. 5.2. Копровое оборудование на базе гусеничного трактора класса 100 кН
В представленной на рис. 5.1 парал-лелограммной схеме подвески мачты к
поворотной платформе вылет мачты изменяется гидроцилиндрами 5, а ее наклон Ч
гидроцилиндром 4. Копры, у которых мачты обладают описанными выше тремя
степенями свободы, называют универсальными. При отсутствии одной какой-либо из
этих степеней свободы копёр называют полууниверсальным, а при наличии только
поворотного в плане движения Ч простым. Рабочий цикл простых копров по
сравнению с универсальными и полууниверсаль-
ными более продолжителен за счет увеличения затрат времени на вспомогательные
операции, которые в среднем составляют более половины продолжительности всего
рабочего цикла. В строительстве применяют также копры на гусеничном ходу,
изготовленные на базе одноковшовых экскаваторов.
Для работы в особых условиях отдельные узлы копров могут быть существенно
изменены. Так, для работы в котлованах большой протяженности применяют
специальные мостовые копры в виде стальной фермы, передвигающейся на тележках
по рельсам, уложенным на противоположных бровках котлована. Поворотная
платформа в этом случае заменяется перемещающейся вдоль мостовой фермы
тележкой.
В промышленном и гражданском строительстве широко применяют копровое
оборудование, навешиваемое на различные базовые машины (тракторы,
автомобильные краны, одноковшовые экскаваторы). Отечественная промышленность
выпускает копровое оборудование для работы со сваями длиной 3...12 м.
Копровое оборудование на базе тракторов класса 100 кН автономно по
энергообеспечению, маневренно на строительной площадке, надежно в
эксплуатации. Его недостатком являются большие затраты времени на маневровые
движения трактора при установке сваи в заданную точку свайного поля. Мачту
располагают сбоку (боковая навеска) (рис. 5.2), сзади или спереди трактора
(фронтальная навеска). По сравнению с фронтальной боковая навеска улучшает
обзорность рабочей площадки, позволяет повысить производительность
оборудования, исключив в некоторых случаях, особенно при линейном однорядном
расположении свай, непроизводительные маневровые движения машины при
переходах к новому рабочему месту.
Навесное оборудование на базе автомобильных кранов применяют при малых
рассредоточенных объемах свайных работ и необходимости быстрого
перебазирования (пробные сваи при инженерно-геологических исследованиях,
строительство линий электропередач, трубопроводов большой протяженности и
др.).
Машины и оборудование для бескопрового погружения свай. Анализ работы
копров и копрового оборудования показывает,
Рис. 5.3. Последовательность операций бескопрового погружения пирамидальных свай
что последние поддерживают сваю только в начальный период ее погружения,
примерно на '/4 ее длины. На дальнейший процесс это оборудование уже не
оказывает влияния. Разработаны и испытаны способы бескопрового погружения свай.
В случае пирамидальных, суживающихся книзу свай, сначала бурильной машиной
(ямобуром) / отрывают лидерную скважину (рис. 5.3, а) глубиной, равной '/4
длины погружаемой сваи. Далее специальный наголовник 4, подвешенный к
крюку крана 2, закрепляют на погружателе 3, вместе с ним
подводят к голове сваи и закрепляют на ней конический хвостовик наголовника
5 (рис. 5.3, б). Краном поднимают сваю с погружате-лем и устанавливают ее в
лидерную скважину (рис. 5.3, в). Поддерживая в таком положении погружатель,
производят погружение сваи на заданную глубину (рис. 5.3, г), после чего
наголовник отсоединяют
от сваи и перемещают на новое рабочее место.
Порядок выполнения работ бескопрового погружения призматических свай с
использованием сваеустановщика /, оборудованного захватным устройством, и крана
2 представлен на рис. 5.4. После заглубления сваи 5 на '/4 ее длины она
освобождается от сваеустановщика, который перемещается к другой свае. Как и
прежде, до конца погружения сваи погружатель 3 поддерживается краном
через наголовник 4.
Свайные молоты. Как уже отмечалось, свайные молоты применяют для
погруже-. ния свай в грунт ударом. Свайный молот включает в себя как
обязательные части ударник, (падающую или ударную часть) и наковальню, или
шабот (неподвижную часть, жестко соединенную с головой сваи). Кроме того, в
состав свайного молота вхо-
Рис. 5.4. Последовательность операций бескопрового погружения призматических
свай:
аЧустановка сваи, бЧмонтаж наголовника с погружателем. в Ч погружение сваи
Рис. 5.3. Последовательность операций бескопрового погружения пирамидальных свай
что последние поддерживают сваю только в начальный период ее погружения,
примерно на '/4 ее длины. На дальнейший процесс это оборудование уже не
оказывает влияния. Разработаны и испытаны способы бескопрового погружения свай.
В случае пирамидальных, суживающихся книзу свай, сначала бурильной машиной
(ямобуром) / отрывают лидерную скважину (рис. 5.3, а) глубиной, равной '/4
длины погружаемой сваи. Далее специальный наголовник 4, подвешенный к
крюку крана 2, закрепляют на погружателе 3, вместе с ним
подводят к голове сваи и закрепляют на ней конический хвостовик наголовника
5 (рис. 5.3, б). Краном поднимают сваю с погружате-лем и устанавливают ее в
лидерную скважину (рис. 5.3, в). Поддерживая в таком положении погружатель,
производят погружение сваи на заданную глубину (рис. 5.3, г), после чего
наголовник отсоединяют
от сваи и перемещают на новое рабочее место.
Порядок выполнения работ бескопрового погружения призматических свай с
использованием сваеустановщика /, оборудованного захватным устройством, и крана
2 представлен на рис. 5.4. После заглубления сваи 5 на '/4 ее длины она
освобождается от сваеустановщика, который перемещается к другой свае. Как и
прежде, до конца погружения сваи погружатель 3 поддерживается краном
через наголовник 4.
Свайные молоты. Как уже отмечалось, свайные молоты применяют для
погруже-. ния свай в грунт ударом. Свайный молот включает в себя как
обязательные части ударник, (падающую или ударную часть) и наковальню, или
шабот (неподвижную часть, жестко соединенную с головой сваи). Кроме того, в
состав свайного молота вхо-
Рис. 5.4. Последовательность операций бескопрового погружения призматических
свай:
аЧустановка сваи, бЧмонтаж наголовника с погружателем. в Ч погружение сваи
Рис. 5.5. Принцип работы паровоздушных молотов одиночного (о, б) и двойного
(в, г) действия
дят устройства для привода (подъема) ударной части и ее направления. Различают
механические, паровоздушные, ди-/зельные и гидравлические свайные молоты. ^
Механический молот является простейшим механизмом, представляющим собой
металлическую отливку массой до 5 Mr, сбрасываемую на погружаемую сваю. Отливку
поднимают вдоль мачты копр^. канатом подъемной лебедки, откуда ее сбрасывают на
сваю, отсоединяя от каната специальным расцепляющим устройством или отключением
барабана лебедки от трансмиссии. Из-за низкой производительности (4...12 ударов
в 1 мин) механические молоты применяют в основном при незначительных объемах
свайных работ. \f Паровоздушный молот представляет собой пару
цилиндрЧпоршень. В молотах одиночного действия (рис. 5.5, а) поршень 3
через шток 2 соединяется с наголовником / сваи, а ударной частью
является цилиндр 4, направляемый поршнем. Под действием сжатого воздуха
или пара, подаваемого в поршневую полость цилиндра от компрессорного или
паросилового оборудования, цилиндр поднимается вверх, а после перекрытия
впускного трубопровода и соединения поршневой полости с атмосферой (рис. 5.5,
б) цилиндр падает, ударяя по наголовнику сваи. Управляют впуском и выпуском
сжатого воздуха (пара) вручную, полуавтоматически и автоматически. Молоты с
автоматическим управлением работают с частотой ударов 40...50 мин '.
В молотах двойного действия (рис. 5.5, в) ударной частью является соединенный с
поршнем боек 5, движущийся внутри направляющего цилиндра. Сжатый воздух (пар)
подают поочередно в нижнюю штоковую и верхнюю Ч поршневую (рис. 5.5, г)
полости паровоздушного цилиндра, обеспечивая тем самым подъем поршня с бойком и
принудительное его падение на ударную плиту Ч наковальню 6 с частотой 3
с '. По сравнению с молотами одиночного действия описанные молоты более
производительны при меньшем отношении массы ударной части к общей массе, не
превышающем '/4, в то время как у молотов одиночного действия это отношение
равно в среднем ^/з.
Паровоздушные молоты используют для забивки вертикальных и наклонных свай на
суше, а также под водой. Основным недостатком является зависимость от
компрессорных или паросиловых установок.
Гидравлический молот работает по схеме паровоздушного молота двойного
действия с тем отличием, что вместо воздуха или пара в рабочий цилиндр
подается жидкость, для чего сваебойный агрегат с гидравлическим молотом
оборудуют насосной установкой. Для придания ударной части ускорения в момент
удара к насосу подсоединяют гидравлический аккумулятор, который подзаряжается
во время обратного хода поршня. Распределение подачи рабочей жидкости в
различные периоды работы молота осуществляется автоматически. Гидравлические
молоты развивают энергию удара от 3,5 до 120 кДж при частоте ударов 50...170
мин '. Масса ударной части составляет 210...7500 кг.
Наибольшее распространение в строительстве получили дизельные молоты,
работающие независимо от внешних источни-
Рис. 5.6. Дизельные молоты
ков энергии в режиме двухтактного дизеля. Различают дизель-молоты" с
направляющими штангами Ч штанговые и с направляющим цилиндром Ч трубчатые.
У штанговых д и зель-мо л о-т о в (рис. 5.6, а) две направляющие штанги 4
объединены в нижней части основанием 2, отлитым заодно с поршнем 12.
Основание поршневого блока опирается на сферическую пяту / и наголовник /5. По
штангам перемещается цилиндр 10, служащий одновременно ударной частью
молота. В верхней части штанги объединены траверсой 7 захвата (лкошки),
свободно перемещающейся по ним и подвешенной к канату 8 лебедки копра.
Для запуска молота лкошку опускают до зацепления подпружиненным крюком 6
пальца 5 ударной части, после чего ударную часть 10 поднимают, а затем
рывком нажатием на рычаг 9 через присоединенный к нему канат расцепляют
лкошку с ударной частью.
Последняя падает вниз, нанося удар по основанию 2 и сжимая воздух в
закрытой поршнем 12 полости цилиндра. Одновременно выступающий на
ударной части штырь // нажимает на рычаг топливного насоса 14, которым
по центральному каналу 13 в поршне топливо с некоторым опережением
конца хода подается в цилиндр, распыляясь форсункой 3 и смешиваясь с
нагретым вследствие сжатия до высокой температуры воздухом. В последней фазе
движения ударной части вниз вследствие дополнительного сжатия
топливно-воздушной смеси происходит ее самовоспламенение. Расширяющиеся при
сгорании топлива газы отбрасывают ударную часть вверх, откуда она снова падает,
повторяя процесс. Молот выключают прекращением подачи топлива.
Ударной частью трубчатого дизель-молота (рис. 5.6, б) служит поршень 22,
перемещающийся в направляю-
щем цилиндре 21. Удары поршня воспринимаются шаботом /7, герметично
посаженным в нижнюю часть рабочей секции цилиндра. Молот центруют на свае
штырем 16. Для пуска молота его поршень лкошкой 20,
подвешенной к канату 8, поднимают в верхнее положение, откуда его
сбрасывают. При движении вниз поршень отжимает рычаг 23, которым
включается насос 14, впрыскивающий из бака 19 в цилиндр порцию
топлива. Последняя, смешиваясь с воздухом, стекает в сферическую выемку в
шаботе /7. При дальнейшем падении поршень перекрывает канал 18,
сообщающий цилиндр с атмосферой, и сжимает воздух в замкнутом уменьшающемся
объеме. От удара поршня о шабот находящаяся в сферическом углублении последнего
топливо-воздушная смесь разбрызгивается и воспламеняется. Расширяющиеся при
сгорании смеси газы подбрасывают поршень вверх, откуда он снова падает, сжимая
воздух, удаляя отработавшие газы через канал 18 в атмосферу и повторяя
процесс. Останавливают молот прекращением подачи топлива.
Для отвода теплоты при работе трубчатого дизель-молота его топливный цилиндр
выполняют с ребристой внешней поверхностью (воздушное охлаждение) или с
дополнительно примыкающими к нему секциями, соединенными в нижней части
кольцевым баком, заполненным водой (водяное охлаждение). При нагреве вода
циркулирует по вертикальным трубам, равномерно охлаждая цилиндр. Трубчатые
дизель-молоты с воздушной системой охлаждения работают без перегрева при
температуре окружающего воздуха до 30
