Особенности работы свайных фундаментов в грунте

Обновлено: 06.05.2024

О работе свайного фундамента в грунте

Проектирование свайных фундаментов (геотехническая практика)

Рост мегаполисов, увеличение плотности населения, глобальные экономические вызовы, градостроительные и архитектурные новации неизбежно влияют на строительный прогресс. Фактор роста нагрузок и напряжений в конструкциях, фактор сложности инженерно-геологических условий городских агломераций – все это определяет необходимость внедрения современных решений при выборе типов фундаментов.

Без точных математических моделей разработка эффективного проекта строительства зданий и сооружений на свайном основании не представляется возможной. Однако любая новая модель требует апробации и верификации. Недостаточность сравнительной информации работы модели с реальным поведением системы свая – грунтовый массив заставляет проектировщиков закладывать «запасы на незнание» в проектах, что в конечном счете неизбежно приводит к существенным экономическим расходам, к увеличению сроков проектирования и строительства.

При максимальном использовании несущей способности свай по грунту и материалу обеспечивается рациональность и экономичность конструкций свайных фундаментов. К сожалению, в сложившейся отечественной практике зачастую не полностью используется прочность свай по грунту, в ряде случаев ее недоиспользование достигает 40 %. Это можно объяснить следующим: излишней осторожностью при проектировании, некачественными изысканиями, неправильным применением методик расчета и, конечно же, недостатками самих используемых методов.

Излишняя осторожность проектировщиков не является оправданной, так как изучение и обобщение опыта строительства зданий на свайных фундаментах из забивных свай показывает, что они, как правило, надежнее фундаментов на естественном основании. По статистике, несущественные деформации в несущих конструкциях составляют не более 0,02 % от числа построенных зданий. При этом возникновение деформаций объясняется главным образом неучетом грунтовых условий (заложение нижних концов свай в слабых органогенных и биогенных грунтах и др.), а также ошибками, допущенными в процессе производства работ.

К примеру, одним из интересных обстоятельств является то, что в соответствии с методикой Свода Правил (СП) 24.13330 значения нормативных сопротивлений грунта под нижними концами свай указаны применительно к песчаным грунтам средней плотности, а для плотных песков рекомендуется их увеличивать до 100 % (табл. 7.2 СП 24.13330). И даже при этом многочисленные сопоставления нормативных значений несущей способности свай при заглублении нижних концов в плотные пески с результатами статических испытаний свай, погруженных в аналогичные грунты, показывают, что несущая способность свай, определенная по СП 24.13330, значительно занижена, т. е. даже при двукратном увеличении значении расчетных сопротивлений. Кроме того, практика показывает, что погружение забивных свай в плотные пески возможно не более чем на 0,3–0,5 м. К сожалению, данные аспекты как правило не учитываются при проектировании свайных фундаментов.

На рис. 1 приведены кривые зависимости осадок от нагрузок, полученные при испытаниях свай длиной до 7 м, сечением 30×30 см статической нагрузкой (по материалам института Фундаментпроект). При сравнении этих данных с результатами расчетов по СП 24.13330 можно увидеть существенные различия в значениях расчета несущей способности свай. Таким образом, эти диаграммы непосредственно указывают на целесообразность повышения несущей способности свай, заглубленных в плотные пески.

По данным ряда исследований, несущая способность свай, погруженных в плотные пески, оказывается в 1,5–2 раза выше результатов расчетов по СП 24.13330.

Современные нормативно-технические документы в строительстве рекомендуют выполнять расчеты фундаментов, в том числе свайных, с учетом физической и геометрической нелинейности, с помощью численных методов, реализованных в популярных программных комплексах, таких как PLAXIS, Rocscience RS и др. В СП 24.13330.2011 существует требование о необходимости выполнения расчетов свайных фундаментов с построением математических моделей, описывающих их механическое поведение для расчетов по первому или второму предельному состоянию. Также рекомендуется выполнять верификацию выбранных моделей, отражающих механизмы взаимодействия свайных фундаментов и прилегающих грунтовых массивов для выполнения геотехнических расчетов. Однако при этом не приводятся рекомендации по выбору подобных моделей, более того не представлен состав моделей, которые возможно применять в тех или других грунтовых условиях (кроме эмпирического решения по п. 7.2.2 СП 24.13330.2011).

Механизм работы сваи в грунтовом массиве

Момент достижения предельного состояния грунта в основании сваи, как правило, определяет максимальную несущую способность сваи. Это относится к сваям любых типов. Однако такому состоянию соответствуют высокие значения осадки сваи, поэтому в практике проектирования расчет несущей способности сваи выполняет оценочную роль и служит для дальнейших определений максимально допустимой нагрузки на сваю и предварительному определению конструкции фундамента. В общем виде, работа висячей сваи, расположенной в дисперсных грунтах, определяется двумя компонентами (1): сопротивлением ствола (R_s) сваи, за счет бокового трения, и сопротивлением основания сваи (R_b) при опирании на грунт.

Правда, при строгой научной постановке, такой подход не может считаться в достаточной степени обоснованным. К примеру, при погружении сваи формируется уплотненное грунтовое ядро в области ее нижней части, которое участвует в работе совместно, а не раздельно, с «пятой» и «стволом» сваи. Другими словами, механизм взаимодействия сваи и окружающего грунта является комплексным и сложным процессом, который зависит от многих факторов:

сложности инженерно-геологических условий;
истории образования грунтовых массивов (которая, в частности, определяет степень недоуплотненности или переуплотненности слагающих их грунтов), их текущего и прогнозного состояния (в том числе напряженно-деформированного);
строения и состава окружающих грунтов, их физических и механических свойств;
глубины погружения сваи;
технологии погружения;
типа свай, их физических и геометрических параметров;
функционального режима нагружения и интенсивности нагрузок;
геотехнической сложности (плотность окружающей застройки, сложности проекта и пр.).
процессов, изменяющихся во времени, и др.

Не малую роль в механизме взаимодействия свай с грунтом играет сложность и характер нагружения конструкции свай.

На первом этапе нагружения, при невысокой вертикальной нагрузке конструкции сваи, ее взаимодействие с окружающим грунтом происходит по упругой (при этом нелинейной) зависимости, без нарушения структурных связей в прилегающем грунте. При разгрузке конструкции сваи осадки восстанавливаются. Здесь характер работы сваи отражает классический механизм «сваи–трения», т. е. внешняя нагрузка воспринимается за счет бокового трения и не передается на основание сваи.

На втором этапе, при дальнейшем нагружении, начинают накапливаться необратимые сдвиговые деформации, что отражается нелинейным и пластическим характером деформирования. При этом в некоторых слоях грунта касательные напряжения и деформации достигают предельных значений, т. е. свая на отдельных участках достигает предельных значений сдвиговой осадки S₀. Сопротивление трению по боковой поверхности сваи снижается до минимальных значений, и происходит перераспределение усилий от ствола сваи к ее основанию. При достижении осади равной предельной сдвиговой, наступает «срыв» сваи и дальнейшая осадка сваи носит незатухающий характер, без увеличения нагрузки (рис. 2).

Значения предельных сдвиговых осадок зависят от типа грунтов, их строения, состава и состояния. В 60-х гг. прошлого столетия, на основе статических испытаний, проведенных «Ленинградоргстроем», были получены значения предельных сдвиговых осадок свай для некоторых типов грунтов табл. 1). Предельная сдвиговая осадка – это осадка, при которой прекращается дальнейшее искривление слоев грунта около сваи (депланация) и происходит срез грунта около ствола. Различные значения предельных сдвиговых осадок косвенно указывают на различные механизмы взаимодействия свай с грунтом не только в разных местах устройства сваи, а также на разных отрезках ствола в пределах одной сваи по глубине.

Таблица 1. Предельные сдвиговые осадки свай

Предельная сдвиговая осадка, S₀, мм

Песок мелкозернистый, средней плотности

Супесь легкая, пылеватая, средней плотности

Супесь легкая, пылеватая с растительными остатками, мягкопластичная

Суглинок пылеватый, с гравием, мягкопластичный (морена)

Суглинок пылеватый, слоистый, мягкопластичный

Суглинок пылеватый, ленточный, мягкопластичный

Глина пылеватая, ленточная, тугопластичная

Глина пылеватая, ленточная, мягкопластичная

На третьем этапе, при достижении нагрузок, близких к предельным, работа сваи происходит преимущественно за счет сопротивления грунта в зоне опирания нижнего конца сваи, т. е. характер работы сваи в грунте напоминает работу «сваи-стойки» (рис. 3).

Особенности взаимодействия сваи с глинистыми грунтами

При погружении свай в тонкодисперсные грунты происходит радиальное и вертикальное смещение частиц грунта и поровой несвязной воды. Это приводит к нарушению структуры грунта, к его уплотнению и росту порового давления вокруг сваи. В глинистых грунтах пластичных консистенций восстановление порового давления может занять несколько месяцев, что отражается в медленном наборе несущей способности этих грунтов. В строительной практике это явление называют эффектом «засасывания» сваи. В период восстановления снижается поровое давление, происходит воссоздание структурных связей, грунты мягкопластичной и текучепластичной консистенции восстанавливают прочность и как бы обжимают сваю, происходит рост эффективного вертикального давления и пассивного горизонтального давления (нормального давления). В этот период можно наблюдать снижение эффекта набухания грунта на поверхности земли вокруг сваи.

Тиксотропные эффекты в грунтах, окружающих сваю, необходимо учитывать при проектировании свайных фундаментов, так как прочностные характеристики грунта, полученные на этапе геологических изысканий и лабораторных исследований, могут быть восстановлены только спустя значительный промежуток времени после устройства свайного фундамента. Например, для скандинавских глин процесс восстановления несущей способности свай занимает порядка одного года.

Наряду с собственно тиксотропией грунты могут проявлять квазитиксотропные свойства, т. е. частичное восстановление прочности после нагрузок.

Юрские глины Московского региона при нарушении их состояния существенно и, как правило, необратимо теряют свои первоначальные прочностные характеристики. Эти грунты, располагающиеся на значительных глубинах, в силу генетического формирования имеют высокую пористость (коэффициент пористости (е), как правило, больше единицы) и находятся в слабоуплотненном (ρ=1,7–1,8 т/м 3 ), но твердом состоянии (I_l»0), что предопределяет высокую изменчивость их свойств в случае нарушения их состояния. Так, при разгрузке этих грунтов, вызванных снятием вышележащих отложений, происходит их разуплотнение, что приводит к образованию трещин. И в случае попадания грунтовых вод при устройстве фундаментов или в процессе эксплуатации зданий (при попадании атмосферных вод через поверхность соприкосновения сваи с грунтом) это ведет к их набуханию, снижению показателя их консистенции и, как следствие, к ухудшению прочностных и деформационных характеристик в 2–5 раз.

Погружение свай в глины твердой консистенции также сопровождается смещением частиц грунта, уплотнением и снижением влажности грунтов, но при этом возможно развитие процесса трещинообразования. Закономерность развития трещин, как правило, определяется структурно-текстурными особенностями грунтов. Так, в ленточных глинах наблюдается глубокое развитие трещин вдоль плоскости слоев. В отличие от пластичных глин, в твердых глинах деформации смещения могут иметь необратимый характер, т. е. на протяжении всего жизненного цикла строительства и эксплуатации здания прочность грунтов не будет восстановлена. Различными экспериментальными наблюдениями установлено, что зона уплотнения грунта вокруг сваи на поверхности земли достигает 8 диаметров, а на уровне основания сваи – до 4,5 диаметров сваи.

В процессе погружения сваи имеет место явление в строительной практике называемое «ложным отказом». При этом может наблюдаться кратковременное увеличение прочности грунта под подошвой сваи. В дальнейшем в процессе релаксации напряжений в грунтах их прочность в основании сваи будет снижаться, т. е. будет достигнут действительный отказ сваи. Здесь нельзя забывать, что на изменчивость свойств глинистых грунтов во времени, при прочих равных, весьма значительно влияют условия образования данных отложений. Очевидно, что реология флювиогляциальных, аллювиальных или морских образований может отличаться в весьма широких пределах. К сожалению, в отличие от грунтоведения, генетический подход в механике грунтов получил гораздо меньшее развитие.

В городах, расположенных в устьях рек, часто приходится возводить здания и сооружения на значительной толще слабых грунтов, превышающей 20–30 м. Эта толща состоит в том числе из слоев органогенных, биогенных и глинистых грунтов в текучем состоянии. Такие условия предопределяют использование свайных фундаментов зданий и сооружений. Однако во многих случаях даже при длине свай 20 м они получаются висячими и имеют несущую способность по грунту существенно ниже, чем может выдержать железобетонная свая по материалу. Кроме всего прочего, в районах речных долин со сложным и специфическим формированием пойменного или руслового аллювия характеристики сопротивления свай могут существенно отличаться от значений, указанных в нормативно-технической документации. Так, по региональным нормам для Санкт-Петербурга нормативные сопротивления трению глинистых грунтов по боковой поверхности свай превышают в 1,5–2 раза аналогичные значения, приведенные в федеральных нормах (для глин с I_l=0,3–0,7).

Очевидно, что геометрические и жесткостные параметры свай отражаются на значениях несущей способности. Увеличение размера сечения забивной сваи влияет на объем уплотняемого грунта, что отражается в увеличении радиальных (нормальных) напряжений на ствол сваи, а значит и на уровень сопротивления сваи трению.

При этом различными экспериментами установлена обратная зависимость удельной несущей способности q от поперечного размера сваи. Так, по данным экспериментов, разница между величинами предельного давления наименьшая для свай в рыхлых песках и наибольшая в плотных песках (рис. 4).

Влияние размеров поперечного сечения сваи на изменение предельного давления при прочих равных условиях называют масштабным эффектом. С уменьшением угла внутреннего трения грунтов влияние масштабного эффекта уменьшается, а в глинистых недренируемых грунтах это явление почти не наблюдается.

Как уже было упомянуто выше, многие связные грунты обладают тиксотропией, или способностью частично или полностью восстанавливать прочность через некоторое время после нарушения структурных связей (разупрочнения) вследствие действия внешней нагрузки. Разупрочнение грунта наступает вследствие нарушения структурных связей между его частицами и может проявляться как в виде разжижения (полной потери прочности), так и в виде некоторого размягчения (частичного снижения прочности).

Наблюдениями установлено, что размягчение и разжижение связных грунтов наиболее интенсивно происходит в зоне нарушения структурных связей при наличии свободной воды. Если ее нет, то в процессе разрушения структурных связей грунта связанная вода трансформируется в свободную. Чем больше свободной воды в зоне деформации грунта, тем легче нарушаются структурные связи в процессе погружения свай, способствуя облегчению их заглубления. В свою очередь, чем больше нарушено связей, тем ниже сопротивление сдвигу грунтов, а следовательно, их несущая способность. Поэтому наиболее низкой несущей способностью обладают сваи, погруженные в текучие, а также текучепластичные связные грунты.

После погружения свай в слабые глинистые грунты происходят сложные процессы по восстановлению нарушенной структуры грунта (в первую очередь, тиксотропному упрочнению) вокруг каждой сваи, в результате чего увеличиваются силы трения грунта о боковую поверхность свай и как следствие этого возрастает их несущая способность – эффект «засасывания» (рис. 5). В результате ряда исследований и полевых испытаний свайных фундаментов было установлено, что в зависимости от свойств грунтов значительное увеличение несущей способности наблюдается в первые 6–80 суток с момента прекращения погружения свай.

Как уже было сказано, функциональный режим и интенсивность нагружения сваи также влияет на ее показатели несущей способности. Так, влияние времени на несущую способность за счет работы ствола свай в слабых глинистых грунтах изучал J.B. Burland. Он проводил полевые испытания в городе Мехико, когда разделил механизм формирования касательных напряжений за счет эффективного трения свай и эффективного сцепления. Ожидаемо был отмечен медленный рост предельного сопротивления ствола сваи во времени в процессе набора деформаций (мобилизация прочности за счет полного включения в работу). Однако было установлено, что при замедлении процесса нагружения свай (с 10 до 0,001 мм/мин) отмечается существенное снижение сопротивления свай. Так, коэффициент сцепления (адгезии) свай с грунтом был снижен на 50 %, т. е. при медленном и длительном нагружении сваи зацепление частиц грунта о поверхность сваи не происходит, т. к. свая находится в постоянном, хоть и в медленном, процессе погружения – т. е. в данном случае несущая способность сваи о боковую поверхность будет определяться только силами трения грунта. Здесь важно отметить, что скорость нагружения не влияет на несущую способность свай, расположенных в твердых глинистых грунтах, но при этом возможно снижение их прочности за счет реологических процессов, свойственных таким грунтам. К примеру, применительно к Лондонским твердым глинам, снижение несущей способности свай составляло до 20 % за 9-ти месячный период наблюдений.

Практикой установлено, что начальное сопротивление одинаковых по размерам свай сразу после окончания их погружения в одни и те же слабые глинистые грунты одним и тем же способом может существенно различаться. Однако спустя несколько часов разброс значений несущей способности уменьшается. В грунтах текучей и текучепластичной консистенции отсутствует существенное уплотнение грунтов вблизи забиваемых свай, поэтому удельные силы трения и связанное с ними упрочнение свай почти не зависят от размеров их поперечного сечения (в диапазоне от 0,3 до 0,8 м). Вследствие этого размер сечения свай в этих грунтах не оказывает заметного влияния на изменение прироста их несущей способности. Таким образом, можно считать, что решающее влияние на удельную несущую способность свай в период эксплуатации сооружения оказывают физико-механические свойства глинистых грунтов с показателем текучести I_l>0,5, и мало влияют способ заглубления, размеры поперечного сечения, материал свай и характер их нагружения.

Интересные наблюдения были сделаны Научно-исследовательской ассоциацией инженеров строителей в Великобритании в 1969 г. при проведении серий экспериментальных исследований взаимодействия свайных фундаментов с грунтами. В качестве забивных свай были использованы стальные трубы Ø168 мм, длиной 5,6 м, погруженные в глинистые грунты твердых консистенций. Серию испытаний проводили в течении года после забивки. Результаты исследований показали, что при погружении свай вдавливанием и забивкой в устье скважины – в области верхней части сваи, формировался технологический зазор глубиной до 8 диаметров сваи. При этом в процессе наблюдения за грунтом в области технологического зазора в течении одного года было установлено, что зазор не был закрыт в процессе реологического восстановления грунта. По данным измерений сила сцепления (адгезии) грунта со сваей была незначительной на глубине от 8 до 14 диаметров сваи, а при больших глубинах (>16 d) была зафиксирована максимальная адгезия грунта, превышавшая сдвиговую прочность недренированного грунта до 20 %, которая сформировала плотный слой («корку») грунта толщиной 1–5 мм, работающий совместно со сваей при ее осадках, т. е. линия предельного сопротивления проходила не по границе сваи, а была расположена внутри грунтового массива на некотором расстоянии от сваи. Очевидно, что сила сцепления (адгезия) грунта зависит от сдвиговой прочности недренированного связного грунта и его физических параметров (плотность, показатель текучести). При этом при снижении показателя текучести адгезия грунта также снижается.

Результаты измерений показали, что, несмотря на повреждение структуры глинистого грунта, непосредственно примыкающего к свае, процессы консолидации грунта не повлияли на величину сопротивления грунта по боковой поверхности сваи. Хотя при этом было зафиксировано отрицательное поровое давление грунта в зоне непосредственного примыкания к свае, которое, однако, восстанавливалось в течении 48 часов.

Индикаторы деформирования, которые были установлены на сваях, зафиксировали следующий характер распределения усилия по глубине (рис. 6).

Таким образом, по результатам анализа экспериментов было установлено, что сопротивление грунта о боковую поверхность при прочих равных также зависит от: уровня переуплотнения грунта (Over Consolidation Ratio – OCR) и жесткости (гибкости) ствола сваи.

Уровень переуплотнения грунта (OCR) в данном случае выступает как количественная характеристика, отражающая литогенетические условия образования и возраст дисперсных грунтов. Под степенью переуплотнения пород (OCR) понимается отношение максимального давления, которое испытал грунт при предыдущем нагружении, к давлению, испытываемому в данный момент времени. Данная характеристика непосредственно влияет на эффективное горизонтальное напряжение в массиве грунта, а значит и на уровень горизонтальных напряжений, действующих на ствол сваи, выраженных через коэффициент бокового давления покоя K₀ (рис. 7). Под коэффициентом бокового давления грунта К₀ понимается отношение горизонтального эффективного напряжения σ′h к вертикальному σ′v при отсутствии горизонтальных деформаций (εh=0).

При этом ранее на основе многочисленных наблюдений была построена кривая зависимости коэффициента переуплотнения массива грунта и коэффициента адгезии грунта a. Для удобства практических расчетов здесь OCR представлен как отношение сдвиговой прочности недренированного грунта t_u и эффективного вертикального давления s_vo (рис. 8).

Похожая закономерность распределения касательных напряжений и картина деформирования (депланации) слоев грунта была зафиксирована при полевых экспериментальных испытаниях свай, проводившихся сотрудниками НИИОСП в нашей стране, в г. Херсоне и Душанбе, хотя авторами этих экспериментов не была зафиксирована закономерность появления технологического зазора.

Совершенно очевидно, что факт возникновения технологического зазора необходимо учитывать при расчете и проектировании свайных фундаментов. Учитывая, что появление такого зазора при технологическом погружении сваи зависит, в том числе, от длины сваи и ее диаметра, М. Томлинсон предложил в расчетах вводить коэффициент гибкости F (рис. 9). В целом очевидно, что образование технологического зазора влияет на несущую способность сваи по боковой поверхности, а также создает опасность реструктуризации грунтов, ухудшения их физических и механических свойств посредством попадания атмосферных или подземных вод в низлежащие слои грунта, состоящие из плотных глин твердых консистенций.

Выводы

Факторы, влияющие на несущую способность свай, имеют сложный характер взаимодействия и предопределяют комплексный механизм работы сваи в грунте, не поддающийся строгому математическому описанию. Существующие расчетные схемы и модели, в том числе базирующиеся на них численные методики, имеют существенные расхождения в результатах.

Из-за большого многообразия грунтовых условий действующие нормы не в состоянии предложить единую методику определения несущей способности грунтов с достаточно высокой степенью точности приближения к фактическим данным, получаемым при натурных испытаниях.

Свайный фундамент

Свайный фундамент относится к фундаментам глубокого заложения – передача нагрузки на основание происходит не только по подошве, но и по боковым граням сваи, что происходит за счет трения и сцепления с грунтом основания. Устройство такого фундамента – довольно сложный процесс, требующий значительных трудозатрат, а также применения специальных технологий, оборудования и механизмов. Проектировать свайный фундамент целесообразно в случаях, если:

строительный участок имеет сложные геологические условия;
несущая способность основания недостаточна для устройства фундаментов мелкого заложения – ленточных, столбчатых или плитных.

К сложным горно-геологическим условиям можно отнести такие типы сжимаемых оснований: просадочные, насыпные или пучинистые грунты, а также условия вечной мерзлоты, болотистую местность. Свайный фундамент менее подвержен деформациям, связанным с изменениями характеристик грунтов при их намокании, проседании, сдвиге геологических слоев. Такой тип фундамента является более стабильным, он менее подвержен перемещениям при нагрузке, осадке и крену.

Необходимость устройства свайного фундамента также может возникнуть, если грунты основания имеют низкую несущую способность. При выполнении расчета, может оказаться, что площади подошвы плитного фундамента недостаточно или плита требуемых размеров значительно выступает за контур здания. Свайный фундамент в подобном случае позволит использовать в качестве основания нижележащие слои.

Срок службы

Долговечность свайного фундамента зависит от материала, из которого выполнены сваи, а также условий их работы. В большинстве случаев расчетный срок службы такого основания составляет 50-100 лет. Более долговечными являются железобетонные сваи. Металлические и деревянные сваи имеют меньший срок службы и требуют дополнительной обработки. Точный срок службы должен определяться для каждого типа свай и конкретных условий среды. При этом следует учитывать опыт проектирования и строительства в условиях конкретной местности.

Типы свайного фундамента, материалы и особенности

Фундаменты данного типа могут иметь различную конфигурацию, сваи выполняться из разных материалов и отличаться формой.

Компоновка свайного фундамента

По конструктивному решению свайный фундамент может быть представлен:

одиночными сваями;
свайными кустами;
свайными лентами;
свайными полями.

Одиночные сваи, как правило, используются в качестве фундаментов под колонны и стойки, нагрузка на которые не достигает больших значений. Такая конструкция фундамента может применяться для опор линий электропередач, а также других мачтовых или башенных конструкций, возводимых на нестабильных, слабонесущих грунтах.

Свайные кусты представляют собой несколько забитых неподалеку друг от друга свай, объединенных вышележащей конструкцией – ростверком. Как и одиночные сваи, кусты являются фундаментами под колонны. Но надежность и несущая способность такого фундамента будет значительно выше, чем у одиночной сваи. Для любого конструктивного решения свайного фундамента справедливо минимальное расстояние между сваями – оно не должно быть меньше трех условных диаметров сечения сваи.

Свайные ленты обычно устраиваются в качестве фундаментов для стен. Сваи забиваются в один или несколько рядов, образуя вытянутые ленты. В таком случае применяется ростверк балочного типа.

Свайные поля проектируются в качестве фундаментов для многоэтажных зданий, а также сооружений, передающих значительную нагрузку основанию. Отличительная особенность свайного поля – расположение свай под всем зданием и устройство общего плитного ростверка, повторяющего контур здания.

Можно провести аналогию между конструктивным решением и компоновкой фундаментов мелкого заложения и свайными: одиночные сваи и кусты соответствуют столбчатым фундаментам; ленты свай – ленточным, свайные поля – плитным фундаментам.

Ростверки

Ростверк – элемент свайного фундамента, обеспечивающий совместную работу группы свай. Устраивается для свайных кустов, лент, полей. По способу взаимодействия с грунтом ростверк может быть низкий или высокий.

Img Photo by Random Sky on Unsplash

Низкий ростверк погружен в грунт, при его проектировании действуют те же принципы, что и при проектировании фундаментов мелкого заложения. Основные из них: низ ростверка должен находиться ниже глубины промерзания грунта, также требуется обеспечить гидроизоляцию фундамента. Главная особенность низкого ростверка – нагрузка от вышележащих конструкций передается основанию не только по поверхностям свай, но и по подошве ростверка. Его можно рассматривать как фундамент мелкого заложения и учитывать при расчете.

Высокий ростверк устраивается выше уровня планировки, таким образом, он не соприкасается с грунтом. Это решение рекомендуется применять для болотистой местности, а также на основаниях с повышенным уровнем грунтовых вод.

Сваи-стойки и висячие сваи – отличия, особенности

По способу взаимодействия с грунтом сваи можно разделить на:

висячие сваи;
сваи-стойки.

Висячие сваи передают нагрузку на основание за счет сил трения и сцепления, возникающих между боковыми поверхностями сваи и грунтом основания. Для такого решения фундамента требуется расчет осадок, так как сваи располагаются в сжимаемом грунте в свободном состоянии, не связаны с прочными инженерно-геологическими слоями основания. Висячие сваи применятся в тех случаях, когда в ходе инженерных изысканий на строительном участке на доступной глубине не были обнаружены грунты, которые могли бы стать опорным слоем для свай-стоек.

Сваи-стойки передают нагрузку от здания на прочный несжимаемый слой основания, который служит опорой для них. Задача сваи-стойки – пройти ненадежные верхние слои грунта и обеспечить опирание фундамента на нижележащие слои, если они обладают требуемой несущей способностью. Классическим случаем устройства свай-стоек является геологическая ситуация, при которой под слабонесущим сжимаемым верхним слоем грунта находится прочный слой, представленный, к примеру, скальным грунтом. Нередко такой тип фундамента устраивается для насыпных оснований: сваи проходят насыпной слой грунта и достигают нижележащего целика, представленного плотным суглинком естественного происхождения.

Грунты, которые могут являться несущим слоем для свай-стоек:

скальные;
крупнообломочные;
плотные глинистые.

При расчетах фундаментов на сваях-стойках в большинстве случаев пренебрегают силами трения по боковым поверхностям сваи. Необходимо обеспечить прочность сваи: по типу работы под нагрузкой данный тип свай напоминает колонны. В большинстве случаев, необходим только расчет прочности свай; расчет по деформациям – осадке фундамента, не требуется. Этот факт также является характерной особенностью данного вида свайного фундамента.

Способы погружения свай в грунт

Ввиду большого разнообразия конструктивных и технологических решений устройства свайного фундамента, существует множество способов установки свай в проектное положение. Основные из них:

забивные;
набивные;
буровые;
винтовые.

Эти способы можно условно разделить на две категории: с выемкой грунта и без. Забивные и набивные сваи устраиваются без выемки грунта, буровые и винтовые – с выемкой.

Забивные сваи

Забивные сваи погружаются в грунт при помощи дизель-молотов, вибропогружателей, вибровдавливателей и других подобных механизмов. В основном, забивные сваи изготавливаются из железобетона, имеют довольно большое поперечное сечение. Длина забивных свай зависит от площади поперечного сечения. Наиболее распространены сваи сечением от 300х300 до 500х500, длина которых составляет от 3 до 14м. Предусмотрена возможность устройства составных свай большей длины.

относительная простота выполнения работ;
не требуются вспомогательные земляные работы;
возможность проведения работ в зимнее время;
не производится бетонирование свай в грунте.

создание вибрации, которая может нарушить фундаменты соседних строений;
перерасход арматуры, так как требуется, чтобы свая выдерживала транспортные и монтажные нагрузки;
значительный процент сломанных и недобитых свай.

Для установки забивной сваи в вертикальное положение используется специальный механизм – копер. Забивание свай, чаще всего, производится при помощи гидромолота. Погружение сваи происходит до требуемой глубины, может быть остановлено, если отказ сваи – расстояние, на которое она погрузилась за один удар, будет меньше заданного значения.

Набивные и буровые сваи

Устраиваются в шурфах, пробитых при помощи извлекаемой сваи или инвентарной трубы (болванки). Полученная скважина заполняется бетонной смесью. Скважины буронабивных свай выполняются при помощи установок шнекового бурения, погружения извлекаемых и не извлекаемых обсадных труб. Диаметр свай данного типа составляет 0,5-1,2 м, длина – до 25м.

не требуется доставка габаритных сборных элементов на строительную площадку;
оптимальное использование арматуры;
возможность устройства наклонных свай, а также свай с расширяющейся пятой.

низкая скорость выполнения работ за счет наличия дополнительных операций;
сложный процесс бетонирования;
набивные сваи не рекомендуется устраивать в грунтах, имеющих агрессивную к бетону среду.

Буровые инъекционные сваи могут успешно применяться при реконструкции ветхих строений. Такой метод не создает вибрацию, бурение можно проводить в непосредственной близости от постройки. Пробуренная скважина заполняется специальным раствором. Такой метод применялся для реконструкции исторических зданий, построенных на деревянном свайном фундаменте.

Винтовые сваи

Устройство винтовых свай является частным случаем буровых свай. Отличительная особенность метода – материал и форма самой сваи. Винтовые сваи изготавливают из металла, на их конце выполнены специальные лопасти, обеспечивающие возможность ввинчивания сваи, а также большую площадь трения и опорную пяту. Длина таких свай может достигать 12м. Винтовые сваи часто применятся для усадебного строительства на болотистой местности или на слабых, нестабильных грунтах.

сравнительно простая и быстрая технология монтажа;
возможность проведения работ в зимнее время;
хорошее сопротивление осадке и выдергиванию фундамента.

К недостаткам буровых свай следует отнести необходимость тщательной антикоррозионной обработки. Сваи необходимо ввинчивать аккуратно, чтобы не повредить защитный слой.

Материал свай

В зависимости от технологии монтажа и условий площадки, для выполнения свай могут применяться следующие материалы:

сборный железобетон – для забивных свай;
монолитный железобетон – для набивных, буровых
цементные растворы – для буровых инъекционных;
древесина – для забивных;
металл – винтовых, забивных свай.

Сваи из сборного железобетона изготавливаются на специализированных предприятиях по типовым каталогам и сериям. За счет правильной технологии твердения, бетон таких свай имеет большую прочность, меньше подвержен разрушению в агрессивных средах.

Монолитный железобетон применяется для заполнения пробуренных или продавленных скважин. Технология правильного бетонирования таких свай довольно сложная: необходимо подавать бетонную смесь на значительную глубину, предотвращая ее падение с большой высоты, иначе бетон расслоится. Инъекционные растворы имеют мелкий наполнитель, в них добавляется значительное количество модификаторов для лучшего заполнения глубоких скважин небольшого диаметра.

Деревянные сваи применяют для временных построек в тех регионах, где дерево является доступным распространенным материалом. Для таких свай требуется дополнительная обработка составами, предотвращающими гниение материала.

Забивные сваи могут выполняться из стали, как из прокатных профилей, так и в виде составных сечений. Наиболее распространены винтовые металлические сваи.

Сечения свай

Сваи могут иметь следующие формы поперечного сечения:

прямоугольное, квадратное;
тавровое, двутавровое;
круглое.

Железобетонные забивные сваи-стойки имеют, в основном, прямоугольное сечение. Висячие сваи могут проектироваться таврового и двутаврового сечения для обеспечения большей площади боковой поверхности. Такое сечение обеспечивает большую жесткость и прочность на изгиб. Буровые сваи имеют круглое сечение.

По типу продольного сечения, сваи разделяются на:

прямоугольные (призматические);
пирамидальные;
трапециевидные;
с расширенной пятой.

Последние три типа лучшим образом подходят для устройства висячих свайных фундаментов в сжимаемом основании.

Технология

Каждое конкретное решение свайного фундамента имеет свою технологию монтажа. В общем виде устройство свайного фундамента производится в следующей последовательности.

Подготовительные работы. Горизонтальная планировка участка, выноска в натуру осей, разметка местоположения свай.
Погружение свай в грунт. Производится согласно технологии для конкретного типа свай.
Обрубка концов недобитых свай, устройство свайного ростверка.

Технология устройства свайного фундамента для каждого типа свай описана выше. Следует отметить, что при выборе способа монтажа следует руководствоваться не только экономической целесообразностью, но и опытом проектирования в каждом регионе строительства. Местные проектные институты разработали типовые технологические карты, в которых содержится полная информация по технологии производства работ, составлены графики работы, а также спецификации требуемых машин, механизмов, оборудования и материалов.

Свайный фундамент может стать единственным приемлемым решением для слабонесущих грунтов и сложных геологических условий. В остальных случаях следует руководствоваться принципами экономической и технологической целесообразности. Устройство свайного фундамента может потребоваться для высотных зданий, ответственных или уникальных объектов. Такое решение позволяет повысить надежность основы постройки, предотвратить нежелательные деформации и перемещения.

Несмотря на технологическую сложность, в ряде случаев устройство свайного фундамента может быть экономически оправдано. Устройство свайного фундамента не требует больших объемов земляных и бетонных работ, возведение можно проводить в зимнее время без дополнительных мероприятий. Применение свай может сократить срок выполнения работ. Яркий тому пример – возведение фундаментов коттеджей с применением металлических винтовых свай.

К преимуществам свайного фундамента следует отнести:

возможность устройства в особых геологических и климатических условиях;
высокая надежность и стабильность фундамента;
небольшой объем земляных и бетонных работ;
большое количество разнообразных конструктивных и технологических решений.

Однако свайный фундамент имеет ряд недостатков, связанных в основном со сложностью технологии возведения. Среди них:

потребность в специальных машинах и механизмах;
требуется квалифицированный персонал;
существует значительная вероятность возникновения непредвиденных трудностей на стадии возведения.

Также следует отметить, что в большинстве случаев стоимость свайного фундамента будет выше, чем аналогичных фундаментов мелкого заложения.

Особенности работы свай в грунте

Вне зависимости от материалов и конкретного типа сваи, все изделия этого вида по типу передачи нагрузки на почву делятся на два вида: стойки и висячие сваи.

Суть работы стоечных свай в том, что они пробивают слой пористых и неустойчивых грунтов, опираясь в более плотную и надежную породу. Обычно их доводят хотя бы до слоя плотных песчаных или глинистых линз, а в идеале – до выходов скальной породы.
Нагрузку на грунты такие сваи передают исключительно через острие, опирающееся на плотный грунт. Разумеется, некоторый процент нагрузки распределяется по боковым поверхностям, но их величина крайне незначительна. Если представить себе модель такой сваи, то она похожа на плотно сжатую пружину в упругой среде. Таким образом, несущая способность фундаментов из свай такого типа определяется ровно двумя факторами: характеристиками материала, из которого была изготовлена свая, а также качеством и плотностью грунта, на который она опирается.

Висячие сваи – более интересный тип, принцип их работы заключается в опоре на грунт, который испытывает постоянные динамические колебания. Соответственно, фундаменты этого типа испытывают нагрузки на трение во много раз больше обычных стоечных свай, но и площадь опоры на грунт у них в несколько раз выше. Проще говоря, опираются они не только на ниже расположенные слои грунта, но и на боковые поверхности скважины. Соответственно, и нагрузку на них нужно высчитывать, суммируя эти нагрузки.
Таким образом, сваи стоечного типа – классический опорный столб, несущая способность которого целиком и полностью зависит от формы и сечения самого изделия. Напротив, сваи висячего типа отличаются постоянным перемещением в толще грунта, отчего на ее боковые поверхности всегда действует значительная сила трения. Таким образом, при расчете ее несущей способности огромное значение имеет не столько размер и сечение изделия, но и его общая площадь, являющаяся одной опорной поверхностью.

Читайте также: