История применения свайных фундаментов

Применение свайных фундаментов имеет многовековую историю, однако широкое использование забивных свай в промышленном и гражданском строительстве началось только в конце XIX в. в связи с появлением и развитием железобетона. Для погружения железобетонных свай были созданы мощные копровые установки с паровыми молотами.

В ходе развития техники свайных работ наряду с ударными методами стали использовать вибрацию, вдавливание и их комбинации.

В 1899 г. инженер А.Э. Страусс предложил устраивать сваи непосредственно в грунте, в подготовленных для этой цели скважинах. Такие сваи стали называть набивными. В качестве материалов для набивных свай используют не только бетон и железобетон, но и песок, щебень и другие материалы. При устройстве набивных свай имеется возможность оперативно менять их размеры (диаметр и длину) в зависимости от нагрузок и грунтовых условий, а также устраивать уширение в нижней части.

В ФРГ, Франции, Японии, Италии и ряде других стран созданы универсальные высокопроизводительные установки, позволяющие изготавливать набивные сваи диаметрами 0,2...2,0 м и длиной до 100 м и более практически в любых гидрогеологических условиях. Это привело к значительному увеличению объема применения набивных свай.

В то же время объем применения готовых (погружаемых) свай несколько снизился, что связано с ограничением применения ударных и вибрационных методов погружения в условиях плотной застройки и в глубоких котлованах (более 6 м).

Однако погружаемые сваи остаются вне конкуренции при строительстве на вечной мерзлоте, при производстве работ в зимнее время. Им отдается предпочтение при возведении гидротехнических сооружений. Большинство причалов в портах Балтийского, Охотского, Черного, Белого и Баренцевого морей стоят на сваях-оболочках или призматических сваях, погруженных вибрационными или ударными методами. Значительная часть морских нефтяных платформ также стоит на погружаемых сваях. В Мексиканском заливе на глубине 313 м установлена платформа на забивных сваях длиной более 450 м и массой более 600 т при погружении в грунт на 150 м.

В настоящее время для погружения свай используют высокопроизводительные установки, в том числе для работы под водой. Созданы молоты с массой ударной части 100 т и более.

Если в начале XX в. считалось экономически оправданным применение свай только при значительной глубине залегания прочных грунтов (не менее 5...6 м), то в настоящее время свайные фундаменты применяют уже при глубине просадочной толщи 3 м.

Выбор типа свайного фундамента (количество и размеры свай, способ устройства) производится, как правило, на основе технико-экономического анализа с учетом стоимости материалов, механизмов и трудозатрат по различным вариантам.

При устройстве свайных фундаментов сваи в верхней части объединяют, как правило, монолитным ростверком в виде балки (однорядное расположение свай) или плиты. Перед устройством ростверка головы свай срезают (срубают) до проектной отметки. Различают низкие ростверки, полностью или частично расположенные в грунте, и высокие — не соприкасающиеся с грунтом (рис. В.1).

Рис. В.1. Свайные ростверки: а — низкий; б — высокий

Если нагрузка передается непосредственно на сваи выше уровня грунта, то такие сваи называют сваи-колонны.

По характеру работы в грунте различают сваи-стойки и висячие сваи (рис. В.2). Сваи-стойки опираются нижними концами на практически несжимаемые грунты (скальные, плотные крупнообломочные, плотные пески) и передают нагрузку на грунт только по площади поперечного сечения. Боковая поверхность свай при этом в работу не вовлекается. Висячие сваи опираются на сжимаемые грунты и передают нагрузку на грунт не только по площади поперечного сечения, но и по всей боковой поверхности за счет сил трения.

Рис. В.2. Сваи-стойки (а) и висячие сваи (б)

Принципиальные различия в работе свай-стоек и висячих свай учитываются при расчете их несущей способности (СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»). Отметим, что несущая способность фундамента из нескольких свай-стоек всегда равна сумме несущих способностей отдельных свай, а несущая способность фундамента из висячих свай, как правило, меньше суммы несущих способностей отдельных свай в фундаменте.

Сваи используют также для устройства шпунтовых ограждений, которые предназначены для временного или постоянного крепления вертикальных откосов, создания водонепроницаемых ограждений, предотвращения подвижек грунта при проведении строительных работ вблизи существующих зданий и сооружений.

В зависимости от назначения погружаемые шпунтовые сваи изготавливают из металла, железобетона и реже — из дерева. В последние годы для устройства шпунтовых ограждений и стен в грунте широко используют буронабивные сваи, располагаемые вплотную друг к другу или с разбуриванием части сечения ранее выполненной сваи (секущиеся сваи). Способ секущихся свай применим для устройства водонепроницаемых ограждений.

Наряду с буронабивными сваями широкое распространение получили буроинъекционные сваи, при устройстве которых мелкозернистый бетон подается в скважину под давлением.

Создание высоконапорных насосов позволило разработать технологию изготовления грунтоцементных свай диаметром до 2 м путем напорной инъекции в грунт цементной эмульсии или цементного раствора. Подобные технологии используют также для закрепления грунтов.

Имеется опыт изготовления грунтоцементных свай с использованием струйной технологии, когда свая образуется при движении вверх по скважине вращающегося гидромонитора, через который подается цементная эмульсия под давлением до 40 МПа и более. Некоторые отечественные струйные установки более эффективны, чем лучшие зарубежные аналоги.

До недавнего времени в России использовались, в основном, зарубежные машины, что в значительной мере определяло высокую стоимость свайных работ и большую длительность их выполнения. В настоящее время российскими производителями было разработано современное оборудование для устройства свай, не уступающее зарубежным.

Самоходный буровой станок СБГ-ПМ 2 "Стерх" легкой серии, буровые установки средней серии УБГ-ЛГ1 “Аллигатор” и тяжелой серии УБГ-СГ "Беркут" предназначены для производства буроинъекционных и буронабивных свай, анкеров, водопонижающих скважин, инженерно-геологических изысканий и по своим техническим характеристикам, возможностям, качеству превосходят свои зарубежные аналоги.