Сваи

27.06.2016

Железобетонные сваи для промышленных и жилых зданий, как правило, используются в качестве висячих, т. е. работающих в результате развития сил трения по наружной поверхности. В этом случае прочность сваи по стволу используется не полностью. Такое же положение имеет место и при опирании свай на прочные малосжимаемые грунты — из-за недоиспользования прочностных характеристик бетона изделий, в том числе и в связи с возможной потерей устойчивости.
Применение пустотелых свай частично решает вопрос приведения в соответствие несущей способности сваи по стволу и грунту. Однако и в самых удачных конструктивных решениях затраты материалов все еще велики.
Целый ряд достоинств делает песчаный бетон материалом более предпочтительным для свай по сравнению с бетоном на крупном заполнителе:
— повышенная прочность песчаного бетона на растяжение позволяет снизить расход косвенной арматуры;
— отсутствие в составе смеси крупного заполнителя позволяет уменьшить толщину защитного слоя с 30 до 15-10 мм, что, в свою очередь, дает возможность на 15-20% снизить расход рабочей арматуры;
— интенсивный набор прочности песчаным бетоном в начальный период твердения позволяет приблизить отпускную прочность к марочной, что особенно существенно для свай, к которым предъявляется требование Rопт = R;
— более высокое, чем у тяжелого бетона, соотношение Rпр/R.
Расчеты на прочность и трещиностойкость показывают, что при уменьшении толщины защитного слоя до 15 мм в сваях из песчаного бетона типа СУ-30 можно использовать рабочую арматуру Ø 10АII вместо Ø 12АII.
Возможность снижения толщины защитного слоя по коррозионной стойкости была изучена для песчаного бетона совместно с НИИЖБ и подтвердила, что при использовании вибропрессования либо уплотнения с пригрузом стойкость слоя толщиной 15 мм определяется периодом более чем 100 лет.
Экспериментальная проверка достаточности толщины защитного слоя Для удержания арматуры от потери устойчивости установлена в результате испытания отрезков свай длиной 1,2 м на центральное сжатие. Эти испытания не выявили разницы в несущей способности свай с толщиной защитного слоя 15 и 30 мм.
Отмеченные выше достоинства материала позволили разработать конструкции экономичных, тонкостенных свай с круглой полостью без предварительного напряжения и с предварительно напряженной арматурой (рис. 6.21).
Сваи

При Изготовлении свай из песчаного бетона увеличение жесткости смеси является одним из наиболее существенных факторов получения требуемых структурных характеристик материала, ликвидации усадочных трещин, экономии цемента. В то же время использование способов интенсивного уплотнения жестких смесей усложняет технологию изготовления свай. Поэтому существенно было оценить параметры вибрационного уплотнения, позволяющие формовать цементно-песчаные смеси при изготовлении свай без пригруза.
Исследования были проведены для сплошных и пустотелых свай сечением 30x30 см с центральным отверстием 220 мм. На стенде формовалась часть сваи, ограниченная по длине и сохраняющая геометрические размеры изделий в поперечнике. Применялись цементно-песчаные смеси с OK = 1,0/1,5 см. Формование проводилось при постоянной частоте 50 Гц и меняющейся амплитуде на специальной виброустановке. Анализ полученных данных позволяет считать, что для цементно-песчаных смесей с указанной удобоукладываемостью оптимальная величина амплитуды A=0,9 мм, время формования t=60 сек. При этом по всей толщине сваи Ky=0,97, что следует считать вполне приемлемым результатом.
При формовании образцов с пригрузом в 30 г/см2 использовалась бетонная смесь жесткостью 40 сек по ГОСТ 10181-76. Формование проводилось (при разных амплитудах) в два этапа: предварительное уплотнение без при-груза в течение 20 сек и окончательное уплотнение с пригрузом. Установлено, что оптимальными величинами, позволяющими провести формование в кратчайшие сроки, следует считать A = 0,5 мм и время 60 сек (табл. 6.20).
Сваи

Для оценки несущей способности разработанных конструкций свай был проведен ряд формовок опытных изделий. С учетом возможностей существующего оборудования — виброплощадки длиной 6 м с характеристиками ω = 50 Гц, A = 0,7 мм для проведения опытов была выбрана свая по образцу СУ-6-30 (длина — 6 м, поперечное сечение — 30x30 см). Сваи изготавливались в форме на два изделия. Для стендовых испытаний было изготовлено семь серий свай различных конструктивных форм (табл. 6.21).
Составы бетонов, используемые для изготовления свай (цемент 11ц400, песок карьера Серебряный бор Mк = 1,7), приведены в табл. 6.22.
Параллельно со сваями формовались образцы — отрезкисвай 30х30х120 см (серии VI, VII) и кубы с ребром 10 см в количестве 12 штук на каждую пару изделий. Испытания кубов велись в следующем порядке: 3 куба — перед распалубкой (через 4 ч после термообработки), 6 кубов — в день испытаний свай, 3 куба — в 28-дневном возрасте. Отрезки свай изготавливались для проверки несущей способности конструкций с уменьшенной толщиной защитного слоя арматуры.
При изготовлении I и II серии свай использовался песчанистый портландцемент Акмянского завода Ц:П = 68:32. В сваях из тяжелого бетона М200, изготовленных для параллельных испытаний заводом ЖБИ № 17 ППО MПCM, использован щебень Вяземского карьера, тот же цемент и песок. Время формования свай из песчаного бетона, необходимое для достижения коэффициента уплотнения не ниже 0,98, составило в сериях III -VII 2 мин.
Сваи

Изготовление пустотелых свай проводилось на той же виброплощадке с использованием тех же методов приготовления и уплотнения смеси, что и для сплошных свай. Полость в сваях образовывалась за счет установки картонного пустотообразователя Ø 200 мм. Применялся арматурный каркас с рабочей арматурой Ø 10AII.
Все принятые к испытаниям сваи (стендовым испытаниям, забивке) были проверены ультразвуком с целью выявления недоуплотненных участков. Скорость прохождения ультразвука измерялась в каждой свае в 3 продольных и 13 поперечных сечениях.
Анализ ультразвуковых испытаний свай подтвердил хорошее качество уплотнения по всем изготовленным сваям.
Определению несущей способности свай в процессе стендовых испытаний предшествовали стандартные испытания на трещиностойкость, подтвердившие отсутствие трещин при нормативной нагрузке.
Испытания на прочность реализовали схему чистого изгиба в средней зоне сваи на длине 2 м.
Были также испытаны 3 сваи из тяжелого бетона М200, выдержавшие стандартные испытания на трещиностойкость и не имевшие внешних дефектов.
Параллельные испытания показали, что у свай из песчаного бетона выше как разрушающая нагрузка (в среднем на 10 %), так и нагрузка, соответствующая нормируемому раскрытию трещин (в среднем на 7 %).
При принятой схеме испытаний первые трещины раскрытием 0,05-0,1 мм появлялись при нагрузке от собственного веса, веса траверсы и устройства загружения. При росте нагрузки и приближении ее к разрушающей, количество трещин в сваях из песчаного бетона увеличивается до 25-30, при этом трещины раскрытием 0,1-0,3 мм равномерно распределены по всей зоне чистого изгиба. При нагрузках, близких к разрушающим, начинается интенсивное раскрытие трещин. В стадии, предшествующей разрушению (текучесть арматуры), практически нельзя выделить трещину, по которой произойдет разрушение. Сцепление бетона с арматурой не нарушалось.
В сваях из тяжелого бетона с ростом нагрузки и приближением ее к разрушающей количество трещин достигало 15, они концентрировались в средней части сваи, раскрытие их — 0,2-0,3 мм. При нагрузках, близких к разрушающим, обычно 2-3 трещины в середине пролета раскрывались интенсивнее других, по одной из них и происходило разрушение. Сцепление бетона с арматурой также не нарушалось.
Образование большого количества равномерно раскрывающихся мелких трещин приводит к тому, что в сваях из песчаного бетона выше нагрузка, вызывающая нормируемое раскрытие трещин. Что касается нагрузки, вызывающей разрушение, то в таких слабо армированных конструкциях, как сваи, она не должна зависеть от размеров заполнителя. Однако прямые испытания показывают некоторое увеличение несущей способности свай из песчаного бетона (серии I-V табл. 6.23).
Можно предположить, что большая величина разрушающей нагрузки при изгибе свай из песчаного бетона, объясняется как большей величиной R в пределах марки, так и разницей в деформативности бетонов, определяющей различную степень участия сжатой арматуры в восприятии внешнего момента.
Испытания отрезков свай серий VI и VII на центральное сжатие показали, что не наблюдается снижение несущей способности изделий при уменьшении толщины защитного слоя.
Трестом «Мосфундаментснецстрой» была проведена забивка двух партий свай из песчаного бетона типа СУ-6-30.
Сваи

Первая партия, состоящая из 6 сплошных свай, погружена в районе Вешняки-Владычино в тяжелые мергелистые суглинки. Забивка куста производилась по квадратной сетке со стороной 90 см (расстоянием между гранями свай 60 см), т.е. минимально допустимому нормами. В процессе забивки в изделиях не было обнаружено трещин, околов, отслоений защитного слоя. Оголовки свай, за исключением одной, где произошел скол защитного слоя на длине 80 мм, также не имели повреждений. На том же участке забивались сваи заводского изготовления из тяжелого бетона по сетке 250х120 см. Эти сваи после забивки получили повреждения: трещины, околы. Ряд свай в результате разрушения голов не удалось погрузить до проектной отметки, непогруженные участки достигали 1,5 м.
Вторая партия свай из песчаного бетона была забита под фундаменты строящегося в Северном Чертаново экспериментального жилого комплекса и также велась параллельно с забивкой свай СУ-6-30 из тяжелого бетона.
Во вторую партию включено 39 свай шести конструктивных форм:
- серия А-8 свай по типу СУ-6-30, отличающихся использованием в них песчаного бетона вместо тяжелого;
- серия Б-6 свай, таких же, как и в серии А, но с тупым концом;
- серия В-6 свай с тупым концом, таким же, как и в серии Б, но с уменьшенным до 15 мм защитным слоем и сокращенным на 18% расходом арматуры;
- серия Г-4 свай, таких же, как в серии В, но с пирамидальным концом;
- серия Д-5 свай сечением 30х30 см, длиной 6 м по типу СЦ (с центральным предварительно напряженным стержнем, без косвенного армирования), отличающихся от типовых СЦ-6-30 использованием песчаного бетона;
- серия E-10 свай, таких же, как в серии Д, но с тупым концом.
Погружение всех видов свай производилось копровой установкой и заканчивалось при достижении расчетного отказа.
После забивки был проведен осмотр голов свай. В них также не обнаружено повреждений.
Погружение свай с тупым концом не вызвало дополнительных трудностей по сравнению с погружением свай с пирамидальным концом. Восемь из погруженных свай были подвергнуты динамическим испытаниям. Целью испытаний было выявить:
— характер восприятия песчаным бетоном динамических нагрузок при забивке свай;
— провести сравнение несущей способности по грунту различных типов свай.
В процессе забивки проводилось визуальное наблюдение за характером погружения свай, а после «отдыха» — динамические испытания.
В результате проведенных исследований установлено, что:
— все типы свай из песчаного бетона погружены на глубину 5,4-5,7 м до расчетного отказа;
— несущая способность испытанных свай не ниже, чем для свай из тяжелого бетона;
— околов и разрушений голов свай не обнаружено.
В целом, опытным забивкам подвергнуто 45 свай шести конструктивных форм. Анализ результатов забивки опытных свай и сравнительных динамических испытаний показал, что в сваях из песчаного бетона не наблюдается снижение несущей способности по грунту по сравнению со сваями из тяжелого бетона.
По результатам исследований были разработаны проектные предложения по организации производства свай из песчаного бетона, рабочие чертежи головного образца формующей установки и технологическая часть проекта организации производства.
Проектом предусматривается возможность изготовления свай длиной до 10 м различных конструктивных форм, в том числе:
— сплошных ненапряженных,
— пустотелых ненапряженных (квадратного сечения с круглой полостью),
— пустотелых предварительно напряженных.
Производительность цеха — 54 тыс. м3 в год, в том числе свай:
— длиной 6 м — 18 тыс. M3,
— длиной 8 м — 18 тыс. м3,
— длиной 10 м — 18 тыс, м3.
Годовая производительность составляет 66170 штук свай.
Годовой расход бетона при максимальной производительности — 44 тыс. м3.
Количество смен — 2.
Цикл формования — 15 мин.
Количество одновременно формуемых изделий — 4.
Продолжительность термообработки —16 ч.
Оборачиваемость форм — 1/сут.
Количество форм с 10% резерва — 75 штук.
Количество основных производственных рабочих в смену — 10 чел.
Установленная мощность — 240 кВт.
Площадь закрытого цеха — 768 м2 (24х36).
Подача бетона — с централизованного бетоносмесительного узла в бетоноукладчик, входящий в состав установки для формования.
Очищенная и смазанная форма вагонеткой доставляется в формовочное отделение, где краном грузоподъемностью 15 т устанавливается на виброплощадку. Бетоноукладчик проезжает над формой и заполняет ее бетонной смесью. Включается виброплощадка и происходит уплотнение цементно-песчаной смеси. При производстве пустотелых свай смесь укладывается дважды. Вначале укладывается подстилающий слой при вибрации, затем вводятся пустотообразователи и укладывается бетон до полного заполнения формы. Дополнительное уплотнение бетонной смеси осуществляется ударным вибронасадком, установленном на бетоноукладчике.
После уплотнения смеси форма с изделием снимается с виброплощадки мостовым краном с автотраверсой и устанавливается на вывозную тележку, транспортирующую свежеотформованное изделие в зону действия козлового крана, который устанавливает формы с изделиями в ямные камеры. После комплектования камеры закрываются, и включается подача пара. В камере поддерживается температура t = 70-80°С при влажности 100%.
Изделия, прошедшие термообработку, извлекаются и подаются на посты распалубки козловым краном, оборудованным автоматическим захватом. Распалубленные изделия транспортируются на склад готовой продукции. Форма тележкой подается в формовочное отделение, где чистится, смазывается, в нее укладывается арматурный каркас либо предварительно напряженная арматура. Разогрев стержней для натяжения осуществляется контактной установкой. Подготовленная форма с уложенной арматурой устанавливается на вибростол. Далее процесс повторяется.
Новым элементом технологического оборудования является установка для формования свай, включающая:
— бетоноукладчик с ударным вибронасадком,
— виброплощадку,
— пустотообразователи.
Характеристики оборудования
1. Бетоноукладчик:
— емкость бункера — 2,6 м3.
— скорость движения — 0,365 м/сек.
— скорость движения ленты питателя — 10,8 м/мин.
— расстояние между рельсами (в осях) — 3000 мм.
— база колес — 2255 мм.
— ширина ленты — 1200 мм.
— мощность электродвигателя ходовой части — 4 кВт.
— мощность электродвигателя питателя 3 кВт.
— мощность электродвигателя вибропригруза — 3 кВт.
— масса — 5560 кг.
2. Каретка с пустотообразователями:
— тяговое усилие — 1200 кг/см.
— ход — 10240 мм.
— скорость передвижения — 120 м/мин.
— колея по осям рельс — 1650 мм.
— установленная мощность — 17 кВт.
— масса — 4400 кг.
3. Виброплощадка — типовая Челябинского машиностроительного завода:
— частота — 3000 кол./мин.
— амплитуда — 0,6-0,7 мм.
Габариты установки: длина — 27500 мм, ширина — 3500 мм, высота — 2450 мм.
Установка может работать как с индивидуальным включением агрегатов, так и в автоматическом режиме.