Оборудование для сооружения свайных фундаментов

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ Свайные работы производятся при устройстве оснований под фундаменты гражданских и промышленных сооружений, при возведении мостов, пристаней, набережных и т. д. Сваи или металлический шпунт погружаются следующими способами: забивкой, вдавливанием, вибрацией, вибрацией с ударом, ввинчиванием, забивкой с подмывом грунта водой, электрогидроимпульсным способом. Помимо свай, погружаемых перечисленными способами, широкое применение находят буронабивные сваи. Из перечисленных способов наибольшее применение находит забивка свай, которая осуществляется с помощью сваебойной установки, состоящей из копра, свайного молота, лебедок и силового оборудования для снабжения установки паром или сжатым воздухом. Копры Копры служат для установки и направления свайного молота и сваи при забивке. В зависимости от конструкции копры подразделяются на башенные, самоходные и плавучие. Башенные копры применяются на крупных строительных объектах и имеют рельсовый ход. Плавучий копер – это обычный сухопутный универсальный копер, установленный на понтон или баржу. Наиболее широкое применение получили самоходные копры, выполненные в виде навесного оборудования на гусеничные тракторы и одноковшовые строительные экскаваторы. Рабочее оборудование тракторного копра состоит из копровой мачты с направляющими для свайного молота, установленной на раме, шарнирно присоединенной к кронштейнам, закрепленным сзади или сбоку трактора (рис. 1). Рама с копровой мачтой может наклоняться назад и вперед на угол до 10°, а также переводится в транспортное положение гидроцилиндром. Тракторные копры мобильны, имеют невысокую стоимость, однако производительность их снижена из-за необходимости переезда к следующему месту погружения сваи. Кроме того в стесненных условиях не всегда свая может быть установлена в заданном месте (например, в углах котло- вана). Технические характеристики копров на базе тракторов приведены в табл. 1. а б Рис. 1. Копровые установки на тракторах: а – установка КН-6 с задним расположением копровой мачты; б – установка СП-49 с боковым расположением копровой мачты Таблица 1. Технические характеристики копровых агрегатов на базе тракторов Параметры Марка копровых агрегатов Базовая машина Максимальная длина свай, м Масса ударной части дизель-молотов, кг Грузоподъемность копра, т Рабочий наклон мачты (тангенс угла): вперед назад Установочный наклон мачты вправо-влево, град. Скорость подъема сваи и молота, м/мин Выдвижение мачты, м Масса агрегата, т Высота копра, м С-533А Трактор Т-100 С-870 Трактор Т-100 10 1800 – 2500 СП-49 Трактор Т-100 МБТП 12 2500 – 3300 КО-16 Трактор Т-130 БГ 16 3500 КН-6 Трелевочный трактор ТСН-4 10 600 – 1200 8 600 – 1200 8 600 – 1800 8 600 – 1800 - 5,5 6,3 7 11 - 5 1:10 1:10 - 1:10 1:10 5 1:4 1:3 7 1:4 1:3 7 1:6 1:3 7 1:20 1:3 3 - 15 17,8 15 15 15 13,6 – 13,3 - 16,87 12 0,7 18 13,5 0,7 22,5 13 0,7 20,5 14,8 0,4 26,4 18,27 0,4 38,9 23,34 0,6 2 С-714 Т-878М Трубоукладчик Т-100МГП 0,15 13,58 Средняя производительность, в смену свай 16 22 24 24 20 15 - Наибольшее применение нашли копровые установки на базе одноковшового строительного экскаватора (рис. 2). Такая установка может погружать сваи с бровок котлованов при минимальном маневре за счет изменения вылета стрелы и поворота платформы с оборудованием на 360°. а б Рис. 2. Копровые установки на базе одноковшовых строительных экскаваторов: а – ЭО-5119; б – ЭО-4212 Копровая установка на базе одноковшового строительного экскаватора имеет следующую конструкцию (рис. 3). Копровая мачта 3 закрепляется на крановой стреле 2 при помощи шарового шарнира 4. Грузоподъемными механизмами являются две лебедки экскаватора 1. Стреловая лебедка 5 поддерживает копровую мачту и изменяет ее наклон при помощи полиспаста 6. Грузовой барабан главной лебедки 7 (правый барабан) используется для подъема свайного молота 11 и сваи 12, а тяговый (левый барабан главной лебедки) – для подтягивания сваи канатом 10. 3 – Рис. 2. Схема копровой установки на базе одноковшового строительного экскаватора: 1 – экскаватор; 2 – крановая стрела; 3 – копровая мачта; 4 – шаровой шарнир; 5 – стреловая лебедка; 6 – стреловой полиспаст; 7 – главная лебедка; 8 – подъемный канат; 9 – грузовой полиспаст; 10 – тяговый канат; 11 – свайный молот; 12 – свая; 13 – выдвижная опора; 14 – гидроцилиндр выдвижения опоры; 15 – гидроцилиндры наклона копровой мачты; 16 – крюк для подъема сваи С помощью двух гидроцилиндров 15 мачта имеет возможность наклоняться вправо-влево и вперед-назад. В нижней части мачты имеется гидроцилиндр 14, к штоку которого крепится выдвижная опора 13. Выдвижением штока можно наклонять мачту вперед-назад, обеспечивая установку сваи в близком к вертикальному положении. С передней стороны мачты приварены направляющие для направления движения свайного молота 11. Молот с наголовником оснащен устройством для захвата и подъема сваи 16. Навесное копровое оборудование на базе экскаваторов позволяет забивать несколько свай с одной стоянки экскаватора, что очень важно при погружении свай кустами и при двухрядном их расположении. 4 Технические характеристики копрового оборудования на базе экскаваторов приведена в таблице 2. Таблица 2. Технические характеристики копровых агрегатов на базе экскаваторов Марка копровых агрегатов Параметр КОК-5 (на базе Навесное оборудован на базе экскаватора ЭО-2621 Максимальная длина забиваемой сваи, м Максимальная масса забиваемой сваи, т Габаритные размеры, мм: длина ширина высота Полная масса копра, т Изготовитель ЭО-5119 с дизель - молотом с дизель-молотом СП-76А СП-77 5 н/д 12 3,73 12 2,73 5100 3000 7260 0,645 9250 3200 21 670 5,7* 9250 3200 21 67 5,7* ОАО «Завод «Строймаш» (г. Стерлитамак) ОАО «ЭКСКО» (г. Кострома) Свайные молоты Свайные молоты бывают: - механические, приводимые в действие при помощи лебедки и каната; - паровоздушные, приводимые в действие силой пара или сжатого воздуха; - дизель-молоты, работающие по принципу двигателей внутреннего сгорания; - вибромолоты и вибропогружатели, использующие принципы вибрации. Механические молоты Механический молот состоит из литой ударной части (бабы), подвешенной на канате, перекинутом через блок в верхней части копра. Другой конец каната при подъеме ударной части наматывается на барабан лебедки. При достижении высоты 3-4 метра ударная часть падает под действием собственной силы тяжести и ударяет по голове сваи. Масса ударной части от 100 до 300 кг, число ударов в минуту 4-12. 5 Механические молоты имеют низкую производительность и почти не применяются. Паровоздушные молоты Паровоздушные свайные молоты приводятся в действие силой пара или сжатого воздуха и подразделяются на паровоздушные молоты простого и двойного действия. В паровоздушных молотах одиночного (простого) действия пар или сжатый воздух используются только для подъема ударной части, а удар по свае осуществляется действием собственной силы тяжести молота. Молот состоит из массивного чугунного корпуса-цилиндра 1, который и яаляется ударной частью (рис. 4). Внутри рабочего цилиндра помещен поршень 2 с компрессионными кольцами. Поршень закреплен на длинном штоке 3, проходящем через отверстие в дне корпуса. Шток опирается наконечником 4 на голову сваи 12. Рис. 4. Схема паровоздушного молота простого действия: 1 – цилиндр-ударник; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – наконечник; 5 – распределительный кран; 6 – рычаг; 7 – прилив; 8 – предохранительное отверстие; 9 – отверстие для слива конденсата; 10 – крышка; 11 – резиновый шланг; 12 – свая 6 В верхней части молота установлен распределительный кран 5 с рычагом 6. Корпус молота имеет приливы 7, которыми удерживается в направляющих копра. Сжатый воздух или пар поступают через кран 5 в пространство между крышкой 10 и поршнем и заставляют корпус-ударник подниматься вверх, т. к. шток опирается на голову сваи. Когда ударная часть поднимается на необходимую высоту, рабочий за веревку поворачивает рычаг, закрывая вход сжатого воздуха или пара в цилиндр и соединяя бесштоковую полость цилиндра с атмосферой. Корпус-ударник падает на голову сваи, погружая ее в грунт, затем процесс повторяется. При работе молота из сжатого воздуха, а особенно пара выделяется конденсат, который по мере накопления уменьшает рабочий объем цилиндра, Поэтому в нижней части цилиндра имеется отверстие 9 для слива конденсата. При ручном управлении молотом возможна ситуация, когда цилиндр достиг верхнего положения, а рабочий задержался с переключением распределительного крана. Для предотвращения разрыва шланга 11 предусмотрено предохранительное отверстие 8, расположенное от дна цилиндра на расстоянии, несколько превышающем толщину поршня. Когда цилиндр-ударник достигает крайнего верхнего положения, бесштоковая полость его через это отверстие соединяется с атмосферой, сбрасывая давление в полости. Управляя краном, можно достигнуть различной высоты подъема ударной части, а, следовательно, и различной силы удара. Таблица 3 Техническая характеристика молотов простого действия с автоматическим управлением Параметры Марка молота С-811А С-812А Энергия удара, кДж 82 100 Ход поршня, мм 1370 1370 Число ударов в мин 40– 50 35 – 40 Давление, МПа Объемный расход воздуха, 18 – 20 26 м3/мин Массовый расход пара, кг/ч 1250 1500 Масса кг: ударной части 6000 8000 общая 8200 11000 7 Основным достоинством паровоздушных молотов является возможность работать под водой. Они просты по конструкции, имеют малую мертвую массу, не участвующую в ударе (30 %), надежны в работе. Однако паровоздушные молоты простого действия редко применимы из-за малой энергии удара, поскольку в ударе не участвует энергия сжатого воздуха или пара. Кроме того, эти молоты не годятся для забивки наклонных свай и шпунта, т. к. при наклоне значительно снижается сила удара по свае. К недостаткам следует также отнести быстрый износ пароподводящего шланга, движущегося во время работы вслед за цилиндром, а также небольшое количество ударов (полуавтоматические – до 30 ударов в мин). В паровоздушных молотах двойного действия энергия газа используется не только для подъема ударной части, но и для разгона ее при падении, увеличивая за счет этого энергию удара. В нашей стране разработано два типа таких молотов: - паровоздушный молот с двойным штоком; - паровоздушный молот дифференциального действия. Наибольшее применение нашли паровоздушные молоты с двойным штоком (рис. 5). Рис. 5. Схема паровоздушного молота двойного действия: 1 – поршень; 2 – верхний шток; 3 – нижний шток; 4 – паровой цилиндр; 5 – нижний направляющий цилиндр; 6 – верхний направляющий цилиндр; 7 – крышка; 8 – шабот; 9 – упоры; 10 – отверстия для подачи воздуха 8 Поршень молота 1 имеет два массивных штока 2 и 3. Корпус молота составлен из трех цилиндров: среднего – парового 4 и двух крайних – направляющих 5 и 6 для штоков. Сверху корпус закрыт крышкой 7 с проушиной для подъема и удерживания молота, а снизу – ударной плитой (шаботом) 8, укрепляемой на голове сваи. Шабот воспринимает удары нижнего штока ударной части и может перемещаться в незначительных пределах вдоль вертикальной оси корпуса, от выпадения он удерживается упорами 9. Возвратно-поступательное движение ударной части молота обеспечивается за счет переменной подачи пара или сжатого воздуха в верхнюю или нижнюю полости парового цилиндра золотниковым распределительным устройством. Благодаря автоматическому перераспределению частота ударов доходит до 120–200 в мин. Благодаря упорам молот сохраняет устойчивое положение на свае. Таблица 4 Техническая характеристика молотов двойного действия Параметры Марка молота С-35 С-32 ССМ-708 Энергия удара, кДж 10,85 15,90 11,20 Ход поршня, мм 450 525 406 Число ударов в мин 135 125 140 Давление, МПа 0,7 – 0,8 Объемный расход воздуха, м3/мин 12,8 17 12,7 Массовый расход пара, кг/ч 900 1200 865 Масса кг: ударной части 614 655 680 общая 3767 4095 2363 С-977 17 –27 460 100 20 2250 5200 По сравнению с паровоздушными молотами простого действия эти молоты имеют большую энергию удара благодаря участию в ударе энергии сжатого воздуха или пара. Кроме того, эти молоты применимы для забивки наклонных свай и шпунта. К недостаткам следует также отнести большую мертвую массу (70–80 %), поскольку при подаче пара или сжатого воздуха в верхнюю полость парового цилиндра и малой массе корпуса возможно перемещение вниз не поршня-ударника с массивными штоками, а движение вверх легкого корпуса. Для снижения большой мертвой массы молота на практике применяют крепление упоров 9 хомутами к свае, что исключает подскок корпуса. 9 Дизель-молоты Дизель-молоты вытеснили из эксплуатации паровоздушные молоты благодаря присущим им достоинствам: большей энергии удара, независимости от внешних источников энергии, быстрой готовности к работе, простоте устройства. Дизель-молоты работают по принципу двухтактных дизельных двигателей. Ударная часть молота при совершении рабочего хода сжимает заключенный в цилиндре воздух, значительно повышая его температуру, подаваемая в этот период в цилиндр горючая смесь взрывается и отбрасывает ударную часть вверх, совершая холостой ход; при дальнейшем падении ударной части рабочий цикл повторяется. Первыми в практике строительства стали применяться штанговые дизель-молоты (рис. 6). Рис. 6. Штанговый дизель-молот на мачте тракторной копровой установки Штанговый дизель-молот (рис. 7) состоит из поршневого блока, служащего основанием молота, ударного цилиндра 2, открытого снизу и двух направляющих штанг 3, скрепленных сверху траверсой 4. Поршневой блок состоит из поршня 1 нижней кольцевой уширенной части 14. Внутри поршня по его оси расположен трубопровод 6, подающий топливо от 10 плунжерного топливного насоса высокого давления к форсунке 7. Поршневой блок опирается на сферическую опору, состоящую из верхней пяты (шабота) 8 и нижней (наголовника) 9. Сферическая пята обеспечивает центральный удар по голове сваи 13 даже при некотором несовпадении осей молота и сваи. Рис. 7. Схема штангового дизель-молота: 1 – поршень; 2 – ударный цилиндр; 3 – направляющие штанги; 4 – траверса; 5 – кошка; 6 – топливопровод; 7 – форсунка; 8 – шабот; 9 – наголовник; 10 – палец; 11 – крючок; 12 – рычаг; 13 – свая; 14 – поршневой блок На кольцевой уширенной части имеются два кронштейна с направляющими лапами, которые удерживают молот в направляющих копра. Дизель-молот устанавливают на голову сваи и закрепляют, после чего растормаживают грузовой барабан главной лебедки, кошка 5, подвешенная на подъемном канате, опускается, крюк 11 автоматически захватывает палец 10, после чего ударный цилиндр поднимается лебедкой вверх. Затем рабочий, натягивая канат, привязанный к рычагу 12 кошки, освобождает ударный цилиндр, и он падает на поршень. При этом воздух во внутренней полости цилиндра сжимается, и быстро нагревается до температуры вспышки топлива 600°С. Падающий цилиндр включает насос, и из форсунки в цилиндр с нагретым от сжатия воздухом впрыскивается рабочая смесь (75 % дизельного топлива и 25 % компрессорного масла). После вспышки и расширения газов при сгорании топлива цилиндр поднимаясь, 11 быстро теряет скорость и под влиянием собственной силы тяжести опять падает вниз, цикл повторяется. Таким образом, свая погружается за счет непосредственного удара цилиндра по шаботу и за счет давления газов при сгорании топлива. Трубчатый дизель-молот Наибольшее применение в настоящее время получили трубчатые дизель-молоты (рис. 8). Рис. 8. Трубчатый дизель-молот на мачте тракторной копровой установки Трубчатый дизель-молот (рис. 9) состоит из неподвижного открытого сверху цилиндра 2 и тяжелого поршня-ударника 1 со сферической головкой 5. Для центрирования дизель-молота на свае шабот 3 снабжен штырем 11. Топливный насос 8 расположен у основания цилиндра и приводится в действие нажатием падающего поршня на педаль 7. Запас топлива помещается в топливном баке 6, укрепленном на цилиндре. 12 Рис. 9. Схема трубчатого дизель-молота: 1 – поршень-ударник; 2 –цилиндр; 3 – шабот; 4 – компрессионные кольца; 5 – сферическая головка; 6 – топливный бак; 7 – педаль топливного насоса; 8 – топливный насос; 9 – сферическое углубление; 10 – выхлопной патрубок; 11 – штырь; При запуске дизель-молота поршень поднимают кошкой в верхнее положение, при этом поршневые кольца открывают четыре выхлопных патрубка 10, через которые в цилиндр поступает воздух. После этого поршень автоматически расцепляется с кошкой и под действием собственной силы тяжести начинает падать. Не доходя до выхлопных патрубков поршень нажимает на педаль топливного насоса, приводит его в действие, и насос подает топливо в сферическое углубление 9 шабота 3. При дальнейшем движении поршня вниз выхлопные патрубки перекрываются компрессионными кольцами поршня и поршень сжимает воздух в камере сгорания, которая образуется поверхностями рабочего цилиндра, поршня и шабота. В результате сжатия температура воздуха повышается до значений, достаточных для самовоспламенения топлива (до 750°С). Под действием удара по шаботу топливо, находящееся в сферической выемке шабота, распыляется, перемешивается с нагретым воздухом, воспламеняется и сгорает. Давление в камере сгорания возрастает до 7 – 8 МПа и подбрасывает поршень на высоту до 3 м, выхлопные патрубки открываются и отработанные газы выбрасываются в атмосферу. При дальнейшем движении поршня вверх к верхней мертвой точке во внутренней полости молота создается разрежение, благодаря чему в рабочий цилиндр через патрубки поступает свежий заряд воздуха. Поршень поднимается и останавливается. Далее цикл повторяется. Таблица 5. Техническая характеристика дизель-молотов 13 Параметры Масса ударной части, кг Энергия удара, кДж Наибольшая высота подъема ударной части, мм Число ударов в минуту Диаметр цилиндра, мм Ход поршня, мм Рабочий объем цилиндра, л Степень сжатия Высота молота, мм Масса молота, кг Расход (средний), л/ч: топлива смазки Тип дизель-молота Трубчатые с охлаждением воздушным водяным Штанговые СП-60 250 1,75 1250 СП-6Б 2500 20 2300 С-858 1250 40 3000 С-859 1800 54 3000 55 – 80 135 164 2,36 16 1970 350 42 – 50 320 500 40 25 4540 4200 42 300 16,9 15 4400 2600 42 345 24,7 15 4400 3500 1,3 - 12,5 - 10 0,5 10 0,5 С-919 2500 СП-75 1250 СП-76 1800 СП-77 2500 67 37,5 54 80 3000 3000 3000 3200 42 43 43 43 400 300 345 400 - - - - 46,5 17,8 26 46,5 15 15 15 15 4585 3955 4335 4920 5600 2600 3650 5600 14 0,6 5 1,2 9 1,2 12 1,2 Трубчатые дизель-молоты проще по устройстве штанговых, т. к. не требуют топливного насоса высокого давления. Трубчатый молот работает при степени сжатия 15, штанговый – 25, т. е. на сжатие в штанговых дизель-молотах затрачивается значительно больше энергии. Трубчатые молоты обладают большей энергией удара по сравнению со штанговыми, при одной и той же массе ударной части способны погружать сваю в 2,0 – 2,5 раза тяжелее, кроме того, легче запускаются при низких температурах (до – 40°С). Определение энергии удара трубчатых дизель-молотов Определение вертикальной нагрузки на сваю имеет первостепенное значение при устройстве свайных фундаментов. Строительными нормами и правилами для расчета несущей способности свай принята динамическая формула профессора Н.М. Герсеванова, основным компонентом в которой является энергия удара. Сложность определения энергии удара дизельмолотов вызывается тем, что при его работе, в отличие от механической бабы, происходят процессы, свойственные двигателю внутреннего сгорания, а именно: сжатие воздуха в рабочем цилиндре и сгорание топлива. Наличие этих факторов коренным образом меняет процесс передачи энергии от молота к свае, т. к. при ударе дизель-молота на сваю последовательно воздействует давление сжимаемого воздуха, затем механический 14 удар и, наконец, давление сгорающих газов. Следовательно, погружение сваи может осуществляться под действием некоторой доли энергии сжимаемого воздуха ΔЕв, механического удара Есв и сгорающих газов ΔЕр. Исследования, проведенные во ВНИИСДМ Конашевым В.Е. показали, что давление сжимаемого воздуха заметно не способствует дополнительному погружению сваи при ударе дизель-молота, поэтому величину ΔЕв можно практически не учитывать. Для трубчатых дизель-молотов предлагается формула для определения энергии механического удара Есв ( ) , где Q – масса ударной части; g – ускорение свободного падения; gш – масса шабота; a – эмпирический коэффициент, а = 8,5 1/с; b – эмпирический коэффициент, b = 2,01 м/с; Н – высота падения ударной части, м. Работу по дополнительному нагружению сваи за удар ΔЕр , совершаемую давлением газов предлагается определять по формуле, кгм , где А – эмпирический коэффициент, А = 7,925 кгм; k – эмпирический коэффициент, k = 0,225 1/мм; е – основание натурального логарифма; l – общая осадка сваи (отказ) за удар, мм. Формула верна при l = 5 – 20 мм. Таким образом, при установлении несущей способности свай, забитых трубчатыми дизель-молотами, величину энергии удара возможно определять из выражения, кгм . Электрогидроимпульсный свайный молот Электрогидроимпульсный свайный молот (рис. 10) представляет собой корпус-цилиндр 1, в нижней части которого смонтирована электроразрядная камера 4 с введенными в нее электродами 5 и заполненная разрядной жидкостью (масло, вода). Над электроразрядной камерой в рабочий цилиндр введен основной поршень 2, отделенный от разрядной жидкости промежуточным поршнем 3, так как возникающие при работе силы поверхностного натяжения жидкости сдерживали бы движение основного 15 поршня вверх и на их преодоление непроизводительно тратилась бы энергия разряда. Рис. 10. Схема электрогидроимпульсного свайного молота: 1 – корпус-цилиндр; 2 – основной поршень; 3 – промежуточный поршень; 4 – электроразрядная камера; 5 – электроды; 6 – шабот С внешней стороны электроразрядная камера соединена с шаботом 6, который устанавливается на голове сваи. Один рабочий цикл молота состоит из двух периодов: первый – активный, при котором в результате электроразряда в камере промежуточный поршень бьет по основному, и он поднимается по рабочему цилиндру вверх, при этом сам рабочий цилиндр с электроразрядной камерой и шаботом устремляется вниз под действием гидрореактивной силы, погружая сваю; второй – пассивный, во время которого основной поршень опускается в исходное положение, возвращая системе приобретенную кинетическую энергию. К достоинствам электрогидроимпульсных свайных молотов можно отнести: - простоту конструкции; - безотказность в летнее и зимнее время; - возможность изменения силовых характеристик во время работы изменением подаваемого напряжения; - отсутствие выброса газов, загрязняющих окружающую среду. Недостаток – громоздкость и высокая стоимость оборудования для накопления электрического заряда. Самопогружающаяся электрогидроимпульсная свая 16 Забивка свай дизель-молотами сопряжена с большими затратами энергии, шумом и вибрациями. Использование самопгогружающихся свай позволит отказаться от молотов и копрового оборудования. Работа по погружению сваи осуществляется следующим образом (рис. 11). По патрубку 2 в теле сваи 1 подводится в электроразрядную камеру 6 вода и по высоковольтному кабелю 3 к электродам 4 и 5 – напряжение. В результате высоковольтного (10 – 20 тыс. вольт) разряда, образованного при пробое межэлектродного промежутка, возникает ударная волна, разрушающая (вдавливающая) грунт перед острием сваи (рис. 11). Рис. 11. Схема самопогружающейся сваи: 1 – тело сваи; 2 – патрубок подвода воды; 3 – высоковольтный кабель; 4 – отрицательный электрод; 5 – положительный электрод; 6 – электроразрядная камера Экспериментально установлено, что существующими источниками питания (до 10 кДж) можно эффективно погружать сваи диаметром до 400 мм. Установка, удержание и направление сваи осуществляется автокраном. Сваи погружаются в любые грунты, даже с валунными включениями. Вибропогружатели Действие вибропогружателей основано на резком понижении сопротивления грунта погружению свай под влиянием вибрации. Наиболее 17 успешно погружение свай вибрацией происходит в несвязных песчаных и супесчаных грунтах. Вибропогружатель имеет вибратор направленных колебаний 1 (рис.12). Вращение на вибратор передается от электродвигателя 2 ременной передачей 3. Дебалансы вибратора устанавливаются на валах, связанных цилиндрической зубчатой передачей и вращаются синхронно и синфазно. Для закрепления вибропогружателя на свае служит наголовник 4, связанный пружинами 5 с подмоторной пригрузочной плитой 6. а б Рис. 12. Вибропогружатель: а – общий вид; б – схема; 1 – вибратор направленных колебаний; 2 – электродвигатель; 3 – ременная передача; 4 – наголовник; 5 – пружины; 6 – пригрузочная плита При работе вибропогружателя колебания совершают только свая и нижняя часть вибратора. Изменением массы пригрузочной плиты подбирается оптимальная масса вибропогружателя в зависимости от массы сваи, категории грунта и его состояния. Частота колебаний изменяется от 300 до 2 500 в мин. При работе на песчаных грунтах вибропогружатель позволяет опустить сваю на глубину до 15 м за 5–6 мин. 18 Основным недостатком вибропогружателей является непригодность для погружения свай в плотные грунты и небольшой срок службы электродвигателей из-за разрушения подшипников вибрационными динамическими нагрузками. Вибромолоты Для погружения свай в более твердые породы применяют вибромолоты. В вибромолоте (рис. 13) между вибратором с направленными колебаниями 1 и наголовником 2 устанавливаются пружины 3. Ударная часть вибратора представляет собой электродвигатели с дебалансами на концах вала ротора, которые при вращении и создают направленные вертикальные колебания. При этом ударная часть 4 периодически ударяет по наковальне 5. Рис. 13. Схема вибромолота: 1 – вибратор направленных колебаний; 2 – наголовник; 3 – пружины; 4 – молот ударной части; 5 – наковальня; 6 – свая Вибромолот может работать в трех режимах. Когда амплитуда колебаний оказывается больше зазора между молотом 4 и наковальней 5, вибромолот работает как вибропогружатель. Частота и амплитуда колебаний ударной части зависит от соотношения основных параметров молота: массы ударной части, жесткости пружин, силы инерции дебалансов и др. регулируя, например, жесткость пружин, можно добиться такого режима работы, когда при включении привода амплитуда колебаний ударной части постепенно увеличивается, происходит удпр по наковальне, амплитуда падает,, затем постепенно увеличивается и наносится следующий удар. Такой режим работы называется виброударным. Уменьшив зазор между молотом и наковальней можно добиться частоударного режима, когда при каждом колебании ударной части наносится удар по наковальне. 19 Зазор регулируют в процессе работы, добиваясь в каждом отдельном случае наилучшего соответствия режима работы вибромолота условиям погружения сваи. Промышленные вибромолоты имеют массу от 150 до 2 700 кг, способны развивать возмущающую силу от 10 до 130 кПа при частоте ударов от 480 до 7 200 в мин. Буронабивные сваи В строительстве кроме обычных забивных железобетонных свай различных конструкций применяют буронабивные сваи с несущей нагрузкой на сваю от 100 до 300 т. Буронабивными называют сваи, для устройства которых сначала пробуривают в грунте скважину, а потом заполняют ее бетоном. Значительно повысить несущую способность буронабивной сваи можно созданием уширения ее основания. Наиболее простым средством уширения основания является размещение в нижней части скважины небольшого заряда взрывчатых веществ, после взрывания которых образуется расширенная полость. Однако этот способ не применим в случае ведения строительных работ по соседству с существующими зданиями, поскольку взрыв оказывает сейсмическое воздействие на фундаменты и может привести к появлению трещин и разрушению. Кроме того, в результате взрывания в скважине могут образоваться вывалы породы, что затрудник создание буронабивной скважины. Наиболее эффективным средством создания уширения является механическое устройство. Бурение скважины выполняется обычно станками вращательного шнекового бурения. На этот же станок вместо буровой коронки и шнека для создания уширения в нижней части на буровую штангу устанавливается специальное оборудование (рис. 14). Буровая штанга 1 опускается в скважину до установки опорной плиты 3 на дно, при этом ножи 2 сложены вдоль штанги и не мешают ее погружению. Затем включается привод вращения, и ножи начинают вырезать грунт, причем под действием сил инерции ножи создают напорное усилие на стенки скважины и постепенно раскрываются, разбуривая уширенную полость. Вырезанный грунт поступает в грунтозаборник (бадью) 3. 20 Рис. 14. Схема уширителя скважин: 1 – буровая штанга; 2 – нож; 3 – опорная плита с грунтозаборником; 4 – тяга; 5 – скользящая втулка; 6 – канатик После окончания разработки уширения отключается механизм вращения буровой штанги, рабочий за канатик 6 подтягивает вверх скользящую втулку 5, соединенную тягами 4 с ножами, ножи складываются и оборудование извлекается из скважины. После этого уширение и ствол скважины заполняются бетонной смесью. Буронабивные сваи в обсадной трубе Для устройства сваи в грунт погружается колонна обсадных труб соответствующего диаметра (рис. 15). Колонна состоит из секций длиной от 1 до 3 метров. На первую секцию устанавливается режущий наконечник. По мере углубления колонны, грунт извлекается из нее на поверхность специальным инструментом. В зависимости от типа разбуриваемого грунта это могут быть шнековый бур (рис. 16), ковшовый бур или фреза. 21 Рис. 15. Схема устройства буронабивной сваи в обсадной трубе Рис. 16. Буровой снаряд вращательного бурения После того, как скважина пробурена, производится освидетельствование ее глубины и грунтов забоя, а затем в скважину устанавливается арматурный каркас (рис. 17). 22 Рис. 17. Установка арматурного каркаса в обсадную трубу На следующем этапе осуществляется бетонирование сваи. Бетон подается в скважину через специальные бетонолитные трубы, опущенные почти до забоя. По мере заполнения скважины бетоном производится постепенный подъем колонны обсадных труб. На рис. 18 показан свайный фундамент, полученный с использованием обсадных труб. Рис. 18. Свайный фундамент, полученный с использованием обсадных труб Главное преимущество изготовления буровых свай в обсадной трубе заключается в ее приспособленности к любым типам грунтов. 23 Технология с использованием буровой установки с полым буром (есть такой клип-анимация) К нетипичным процессам обустройства опорных элементов свайного фундамента можно отнести технологию с использованием буровой установки с полым буром, которая реализуется следующим образом. На площадку завозят особую технику – буровую установку с полым буром (рис. 19). Далее, с помощью полого бура, заглушенного с рабочего торца особой насадкой – забурником — в земле высверливается шахта под сваю. Причем, если длины бура не хватает, то он наращивается с помощью особых вставок. После выхода на расчетную глубину в полость бура подают раствор, а сам инструмент включают на реверс, выкручивая из грунта. В итоге, в грунте остается только скважина, заполненная бетоном. Дальнейший шаг – армирование тела будущей сваи. Для этого в залитый в скважину раствор погружают армирующий каркас, используя для этих целей классический вибровдавливатель. Рис. 19. Буровая установка с полым буром Таким образом, устройство буронабивных свай полым шнеком дает возможность собрать надежную конструкцию основания, с практически любой глубиной залегания сваи. Причем из-за минимальной вибрации, транслируемой в грунт во время заглубления полого бура, такая технология позволяет сократить минимальный шаг размещения опор до одного диаметра сваи. Технология с использованием раскатчика К нетипичным процессам обустройства опорных элементов свайного фундамента также можно отнести технологию с использованием раскатчика. Строительство свай с помощью раскатчика предполагает следующий 24 порядок действий. На рабочий торец стандартного бура монтируют особое изделие – раскатчик – аналог конической буровой коронки (рис. 20). Рис. 20. Рабочий орган буровой установки – раскатчик Буровая установка заглубляет раскатчик на заданную глубину, причем выемка грунта в данном случае не предполагается – раскатчик вдавливает почву в стенки обустраиваемой шахты. На следующем этапе вал буровой установки извлекается из шахты, а раскатчик остается на дне, образуя пяту будущей опоры. После чего в скважину погружают инвентарные трубы – опалубку будущей сваи. Затем в опалубку вводят цилиндрический армирующий каркас и заполняют внутреннюю полость бетоном В15. В итоге получается достаточно габаритная опора (максимальное заглубление – 45 метров, максимальный диаметр – 0,6 м). К тому же, данный способ отличается самой высокой производительностью. Ведь раскатчик избавляет нас от малейшего намека на извлеченный грунт. Поэтому опытные строители за одну рабочую смену могут построить с помощью вышеописанной технологии до 30 опор. Кроме того, металлическая, а точнее чугунная пята усиливает прочность армирующего каркаса. Поэтому такие опоры можно монтировать даже в сейсмически активных районах. Стенки скважины во время бурения получаются, как правило, неровными, с зазубринами и углублениями. Поэтому раствор для свай заливается с учетом проникновения его в эти пустоты. Смесь, попадая в неровности, возникшие в грунте, делает сваи еще прочнее. Технология буроинъекционного строительства. 25 Эта технология основана на инъекции (нагнетании) раствора мелкодисперсного бетона в готовую скважину (рис. 21). Рис. 21. Технология буроинъекционного строительства Скважина заполняется мелкозернистой бетонной смесью с одновременным подъемом буровой колонны. Затем в скважину опускается арматурный каркас, после чего через специальную трубку в нижнюю часть скважины подается цементный раствор. Таким способом возводят только мелкогабаритные сваи с диаметром менее 25 сантиметров. Грунтоцементные сваи Довольно часто при строительстве зданий и сооружений приходится делать усиление грунта, так как идеального нет. А основание для любого сооружения должно отвечать всем требованиям прочности, устойчивости и надежности. Поэтому для усиления данных параметров применяются грунтоцементные сваи, технология которых была разработана в давние времена за рубежом. Суть данной технологии заключается в том, что во время бурения скважины одновременно подается под высоким давлением жидкий раствор цемента, вследствие чего грунт перемешивается с цементом и после его затвердевания образуется свая, основой которой является грунтобетон. Жидкий раствор под силой давления разрушает массив грунта, перемешивает его, как в мясорубке, и пропитывает цементом. Такая технология укрепления грунта часто используется при строительстве подземных сооружений, укреплении торфяников и прочих подвижных пород земли, при укреплении откосов насыпей и склонов релье- 26 фа. Также цементация грунта применяется с целью увеличить несущие характеристики свай. Грунтобетонные сваи могут устраиваться с использованием различных технологий и устройств. Метод SOILMIX заключается в том, что в грунт погружается специальное устройство с разбуривающим наконечником, оснащенном режущими лопастями (рис. 21). В то время как лопасти режут пласт земли и перемешивают его, через отверстия в наконечнике подается под высоким давлением жидкий раствор цемента. В основе второго метода JET GROUTING (реактивное заливание раствором) лежит цементация грунта двумя этапами. На первом этапе происходит образование первоначальной скважины малого диаметра, после чего буровую установку поднимают с вращением. Второй этап заключается в поднятии буровой установки с одновременным нагнетанием струи жидкого цемента под давлением равным 60 МПа. а б в Рис. 21. Технология создания грунтобетонных свай устройством с разбуривающим наконечником: а – бурение лидерной скважины; б – устройство сваи; в – армирование сваи Третий метод, называемый высоконапорной инъекцией, заключается в том, что в пробуренную скважину небольшого диаметра спускают специальное устройство, в виде трубки, через которую в грунт подается цементная суспензия, так же под высоким давлением. 27 Такими методами осуществляется укрепление сваями грунтов пылевидных, заиленных, торфинированных. Поскольку устройство данных свай не создает дополнительных динамических нагрузок, их активно применяют в условиях стесненности, для выправления наклоненных зданий и сооружений в условиях города, где плотность застройки достаточно высока (рис. 22). Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки и может быть использован в различных ситуациях. Грунтоцементные опоры имеют ряд преимуществ, и в первую очередь дают возможность производить работы в абсолютно неудобных и стесненных условиях, где невозможно применять традиционные способы укрепления фундаментов существующих зданий и сооружений. Струйная цементация достаточно прочно и надежно укрепляет практически все грунты, от пылевидных и торфяников до скальных. Даже в условиях вечной мерзлоты данные технологии позволяют устраивать свайные фундаменты с наименьшими трудозатратами и с высокой степенью надежности. Рис. 22. Фундамент из грунтоцементных свай Благодаря отсутствию ударных и вибрационных нагрузок на грунт, устройство данных конструкций дает возможность производить работы по устройству нулевых циклов вблизи эксплуатируемых зданий промышленного и гражданского назначения, а также внутри жилых кварталов. При использовании метода струйной цементации грунт вокруг сваи существенно уплотняется, благодаря воздействию на него струи жидкого цемента, подающейся под высоким давлением. За счет образования в грунте волнообразной спирали из цементного раствора, благодаря вращающимся лопастям буровой установки, на всем протяжении сваи улучшается качество сцепления её с грунтом. Если при устройстве висячих буронабивных свай их нижние концы вынуждены опираться на буровой шлам, то технология грунтоцементных 28 свай предполагает опирание сваи на прочное основание, образованное цементной суспензией, смешанной с грунтом, что естественным образом увеличивает их устойчивость, прочность и надежность. Недостатки метода заключаются в том, что во время устройства цементации грунтов происходит излишнее насыщение окружающего сваю грунта водой, поступающей из цементной суспензии. В результате может повыситься на некоторое время уровень грунтовых вод, который по прошествии времени стабилизируется. Кроме этого, на строительной площадке образуется весьма обширная корка из пульпы после промывки скважины. Однако по сравнению с достоинствами метода устройства грунтоцементных свай, столь несущественные недостатки не могут играть большого значения. Винтовые сваи В жилищном строительстве при возведении фундаментов малоэтажных каркасных, блочных, деревянных и кирпичных домов в последнее время нашли широкое применение винтовые сваи (рис. 23). Рис. 23. Схема винтовой сваи: 1 – ствол; 2 – наконечник; 3 – лопасть Винтовые сваи погружаются в грунт с помощью специальных вращателей, навешиваемых как сменное рабочее оборудование на рукоять одноковшового строительного экскаватора (рис. 24). 29 Рис. 24. Сооружение свайного фундамента из винтовых свай Схемы устройства фундаментов для различных вариантов использования материалов ростверков представлены на рис. 25. Рис. 25. Схемы устройства фундаментов Конструкция свайного фундамента из винтовых свай понятна и проста в использовании, а, к тому же, еще и доступна. Пример жилого дома, возведенного на фундаменте из винтовых свай, приведен на рис. 26. 30 Рис. 26. Жилой дом, возведенный на фундаменте из винтовых свай Лучшее решение для сложных грунтов – это фундаменты на таких сваях. Винтовые регулируемые опоры обеспечат устойчивость конструкции даже при движении почвы или ее усадке. Библиографический список 1. Лубнин В.В. Машины и оборудование для погружения свай / В.В. Лубнин, В.З. Заикина. – М.: Высш. шк., 1989. – 215 с. 31