Тема 14. Основи та подушки під фундаменти будівель і
споруди
14.4. Заздалегідь виготовленні
палі
14.5. Виготовлення монолітних
паль
14.6. Виготовлення комбінованих
паль
14.7.
Особливості влаштування паль у складних умовах
14.1. Влаштування основ під фундаменти
Підготовка основ
під фундаменти складається з ряду процесів, ціль яких – забезпечити на заданій
відмітці контакт основи з підошвою фундаменту по всій його поверхні і довести
несучу здатність ґрунту основи до проектної. Основними процесами при підготовці
основ є стирання дна котлованів і траншей, ущільнення основи і (при
необхідності) зволоження або осушення ґрунту в ході його ущільнення.
Стирання дна
котлованів виконують по всій їх площі бульдозером, який вслід за екскаватором
зрізає залишений їм ґрунт. Дно траншей підчищають вручну невеликими ділянками безпосередньо перед
укладанням фундаментів. Поверхню основи вивіряють візуванням. Осі стін і кути
на їх перетинах фіксують кілочками, відмітку верху яких визначають по нівеліру.
Ґрунт, що знаходиться вище за поверхню кілочка, при плануванні зрізають вручну.
Ведучи механізоване планування в котлованах, ґрунт зрізають нижче за проектну
відмітку і підсипають до верху кілочків піском. При цьому майже повністю
виключається ручна праця і значно поліпшується контакт фундаментів з основою.
Якщо основа
сформована із слабих природних або насипних ґрунтів, у багатьох випадках
проектом передбачають збільшення їх несучої здатності поверхневим або глибинним
ущільненням. При розробці котлованів слід враховувати, що в результаті
ущільнення поверхня дна помітно знижується. Обов’язкове видалення зруйнованого
трамбуванням шару ґрунту завтовшки 10–15 см також приводить до поглиблення котловану. Тому, якщо основу
передбачається ущільнити, виїмку розробляють, враховуючи величину осідання
ґрунту (її встановлюють пробним трамбуванням) і товщину шару, що видаляється. Слабкі
глинисті і замулені ґрунти ущільнюють піщаними або ґрунтовими палями. Їх
влаштовують за допомогою інвентарної палі-оболонки з суцільної товстостінної
труби діаметром 400–500 мм з черевиком, що розкривається, або знімним (що
втрачається) черевиком.
Інвентарну
оболонку занурюють копром, обладнаним дизельним або пневматичним молотом, або
самохідним краном з вібратором. Місця занурення розмічають на розрахунковій
відстані. Занурюючись, наконечник палі розсовує і ущільнює ґрунт. Занурену в
ґрунт оболонку заповнюють піском або місцевим перем’ятим ґрунтом з пошаровим
трамбуванням. У міру заповнення оболонки її витягують. У такий спосіб вдається
ліквідовувати просідання лесових ґрунтів тільки на глибину, що прорізається
палями. Нижче лежачий масив лесу при цьому не ущільнюється, що є недоліком
цього способу.
Ущільнення основ в
холодну пору року треба вести швидко і закінчувати при температурі ґрунтів не
нижче +2 °С, а підготовлені поверхні оберігати від заморожування.
Піщані і щебеневі (або гравієві) подушки призначені для розподілу тиску від
фундаменту на велику площу або для заміни шару слабого ґрунту під фундаментом.
До складу робіт по влаштуванню подушок входять транспортування і розвантаження
матеріалу, його розрівнювання, зволоження, ущільнення і вирівнювання поверхні
по заданій відмітці.
У великі котловани, обладнані в’їзними траншеями, пісок або щебінь
доставляють самоскидами і розвантажують на дно.
Якщо подушку відсипають в сухому котловані, розвантажений матеріал
розрівнюють бульдозером шарами завтовшки 20 см. Кожний шар
зволожують і ущільнюють поверхневими вібраторами або механічними трамбівками.
Число і товщину шарів розраховують так, щоб після ущільнення верх подушки
співпав з проектною відміткою.
В зимових умовах подушки краще всього влаштовувати з сухого піску або
щебеню, які після ущільнення потрібно оберігати від зволоження. Методи
ущільнення, що вимагають в звичайних умовах замочування ґрунтів, взимку не
застосовують.
Палі – це стрижневі конструкції фундаментів, які передають
навантаження від будівлі або споруди на ґрунт.
За характером статичної роботи розрізняють
палі-стояки та висячі палі.
Палі-стояки – це стрижневі конструкції, які спираються нижніми
кінцями на скелю для передавання навантаження.
Висячі палі заглиблюють у пружні ґрунти, що можуть стискатись; тоді
навантаження передається на ґрунти як нижніми, так і боковими поверхнями паль.
Залежно від типу будівлі (споруди) і
навантажень, які треба передати на ґрунт, палі розміщують рядами, кущами або
рівномірно розподіляють під усім об’єктом, створюючи пальове поле.
Верхні торці паль в одному рівні з’єднують
плитою з монолітного залізобетону – ростверком. Якщо ростверк
лежить на ґрунті, то фундаменти називаються пальовими з низьким ростверком, а
якщо він знаходиться вище, з високим ростверком.
Палі бувають дерев’яні, бетонні,
залізобетонні, металеві, а також комбіновані з названих матеріалів.
Розрізняють: палі, виготовлені заздалегідь, з
подальшим їхнім заглибленням у ґрунт; монолітні палі, які виготовляють на місці
їхньої експлуатації, а також комбіновані.
14.4.
Заздалегідь виготовленні палі
Відносяться різні за формою і конструктивними особливостями палі, що
виготовлені на заводах, у майстернях і на полігонах, доставлені на будівельний
майданчик та будь-яким методом заглиблені у ґрунт. Розрізняють:
циліндричні;
призматичні;
пірамідальні;
з жорстким потовщенням
ствола;
з розширенням ствола, що
розкривається;
з гвинтовим розширенням
ствола.
Циліндричні палі
можуть бути дерев’яними, виготовленими зі
стовбура дерева, залізобетонними, металевими. їхній поперечний переріз має
вигляд кола або кільця. Довжина досягає 6...16 м без стиків, а зі стиками –
30...90 м. Діаметр паль – 10... 60 см. Циліндричні палі з кільцевим поперечним
перерізом діаметром понад 60 см називають оболонками. Трубчасті палі заглиблюють у ґрунт як з відкритим,
так і з закритим нижнім кінцем, причому палі однакових розмірів мають практично
однакову несівну здатність, бо на перших метрах заглиблення в трубчастій палі
формується ґрунтова пробка, яка перетворює її на палю із закритим нижнім
кінцем.
Призматичні палі
переважно виготовляють із залізобетону. Метал
застосовують тільки за економічним обґрунтуванням або у випадках, коли через
деякий час палі зможуть витягти для повторного використання. Довжина
залізобетонних призматичних паль найчастіше 4... 16 м, стикових – до 30 м,
форма поперечного перерізу може бути різною.
Палі квадратного
поперечного перерізу зі стороною 25...40 см армують чотирма поздовжніми
стрижнями і охоплюючими хомутами. Таке армування потрібне здебільшого тільки
для того, щоб паля не зламалась під час її заглиблення в ґрунт. Через таке
досить насичене армування (від 50 до 150 кг/м3) залізобетонні палі
можуть бути менш ефективні, ніж інші типи фундаментів.
Застосовують також залізобетонні палі,
армовані одним стрижнем, який попередньо напружують. У них витрачається на
кубічний метр бетону 5... 12 кг металу.
Прямокутний поперечний переріз має ряд переваг над квадратним.
По-перше, більшу несівну здатність бокової поверхні, бо при рівній площі
поперечного перерізу периметр прямокутника більший, ніж квадрата. По-друге,
така паля краще працює на горизонтальне навантаження. Недоліки – ускладнення
під час заглиблення, пов’язані з тим, що орієнтацію палі треба витримати
відповідно до проекту.
Трикутний поперечний переріз дає збільшення бокової поверхні палі в
1,4 раза по відношенню до рівновеликого квадратного.
Тавровий переріз має практично ті самі переваги, що і трикутний,
але виготовлення такого профілю досить дороге і трудомістке.
Двотавровий переріз працює аналогічно прямокутному і дає змогу
досягти значної економії матеріалу, але виготовлення такої палі потребує
значних витрат, які нерідко знецінюють запланований ефект.
Серед пірамідальних паль виділяють малопірамідальні й
пірамідальні.
За формою малопірамідальні палі з конусністю 3...8 % близькі до
призматичних, але в середніх і добрих за несівною здатністю ґрунтах вони
спроможні сприйняти вертикальне навантаження на 40...60 % більше, ніж
призматичні.
Пірамідальні палі з розмірами основ 80 х 80 см та 10 х 10 см і 2,8...3,2 м
заввишки успішно експлуатують у щільних ґрунтах. Найбільш ефективні ці палі при
роботі на горизонтальні навантаження, особливо в спорудах, де виникає розпір
(тришарнірні арки та рами).
Палі з жорстким потовщенням ствола в
нижній частині використовують у тих випадках, коли діє вертикальне
навантаження, а ґрунти шаруваті з дуже слабким шаром ґрунту зверху. Розширення
ствола у верхній частині збільшує несівну здатність палі на горизонтальні
зусилля, коли верхній шар ґрунту досить міцний і твердий. Для кращого
заглиблення в ґрунт і його ущільнення це розширення робиться пірамідальним.
Палі з розширенням ствола, що розкривається, виконують в багатьох конструктивних варіантах, суть яких
зводиться до того, що до нижнього кінця палі на шарнірах прикріплюють дві –
чотири плити (лопаті) з металу або залізобетону, які формують спеціальний наконечник.
Наконечник розкривається за бажанням
оператора спеціальною штангою, що опускається до наконечника через трубчастий
ствол, або розпором ґрунту в разі подальшого заглиблення палі після зняття
затримувальних затяжок. Розкритий наконечник збільшує площу нижнього торця палі
у два-три рази, відповідно збільшується його несівна здатність. Якщо
застопорити розкритий наконечник, то така паля може працювати на виривання.
Палі з гвинтовим розширенням мають
у нижньому кінці гвинтову спіраль у 1,5...2 оберти з листового металу. Діаметр
розширення може досягати 1,2 м, а довжина палі – 10 м. Гвинтові палі
застосовують в однорідних ґрунтах без вкраплення твердих кусків. Вони
сприймають досить великі вдавлювання, а також можуть бути ефективними анкерами.
Заглиблення в ґрунт виготовлених заздалегідь
паль виконують різними способами: забивають, вдавлюють за допомогою вібрації,
розмиву ґрунту водою та загвинчують. Машини, які підтримують палі в потрібному
положенні (як правило, вертикально), а також робочий орган, за допомогою якого
заглиблюють палі, називають копрами.
Копри бувають у вигляді спеціальних мостів на рейковому ходу,
змонтовані на автомобілях, тракторах, екскаваторах та стрілових кранах.
Забивають палі молотами, котрі підвішують, як
і палю, на копрі. Молоти бувають механічні, пароповітряні, дизельні,
гідравлічні.
Механічний молот – це важка чавунна відливка,
яку за допомогою лебідки піднімають на висоту, а потім скидають на голову палі.
Маса таких молотів 8...10 т і більше;
вони мають велику потужність, але малопродуктивні.
Пароповітряний молот – це замкнений порожній вертикальний циліндр, в якому
рухається (вгору-вниз) поршень масою 1,25...6 т і б’є по палі. У дію його
приводить стиснене повітря або пара.
Дизельні молоти (штангові та трубчасті) використовують найбільш широко.
У штангових молотах рухомий циліндр масою
500..5000 кг б’є по поршню, розвиваючи енергію удару до 90 кДж. Трубчастий
дизельний молот має поршень масою до 2500 кг, який рухається в трубі-циліндрі й розвиває енергію удару до 20 кДж. Тиск
у камері згоряння у цій конструкції значно менший, ніж у штанговому молоті,
тому трубчастий молот у робочому режимі застосовують у більш широкому діапазоні
Ґрунтів.
Гідравлічний молот – аналог пароповітряного молота з тією різницею, що
енергоносієм є робоча рідина (переважно технічне мастило), яка працює у
замкненій системі. Гідравлічний привід створює тиск до 30...60 МПа і порівняно
з пароповітряним розвиває більшу енергію удару по палі. Такі молоти екологічно
чистіші за дизельні.
Широке застосування ударного способу
заглиблення паль слід віднести на рахунок накопичення обладнання і високої
продуктивності цього способу. Проте є ряд недоліків – низький коефіцієнт
корисної дії обладнання, а також потреба в міцних конструкціях паль, оскільки
навантаження на палю під час забивання в 3...5 разів перевищує майбутнє
навантаження в будівлі.
Теоретично можна обчислити величину
заглиблення палі від одного удару молота, при якій буде гарантована задана
несуча здатність. Якщо без помилок було виконано геологічні розвідування і
правильно підібрано молот, то паля зайде в ґрунт на проектну глибину і при
цьому буде мати задану проектувальниками відмову. Відмова може бути і фальшивою. Вона виявляється в піщаних
та твердих ґрунтах за рахунок того, що під нижнім кінцем палі під час забивання
ґрунт значно ущільнюється, і паля показує відмову, рівну проектній, не
досягнувши проектної глибини. У такому випадку не слід зрубувати недобиту палю,
а треба дати їй так званий відпочинок. За 3...6 днів під її нижнім кінцем
відбудуться процеси релаксації і розущільнення ґрунту і після повторного її
добивання виявиться дійсна відмова.
Заглиблення паль вдавлюванням виконують, коли не допустимі динамічні навантаження на
ґрунт та на будівлі, які розташовані поряд. Оскільки цей метод застосовують
рідко, то машини для цього виготовляють за індивідуальними рішеннями.
Наприклад, платформа на рівні землі має в центрі ґратчасту башту, в яку
вставляють палю і за допомогою поліспастової системи вдавлюють в ґрунт. Анкерні
зусилля створюються вагою платформи, оснасткою і привантаженням бетонними
блоками або будівельними машинами, частіше тракторами.
За допомогою вібрації заглиблюють палі з малим поперечним перерізом або
трубчасті палі-оболонки з відкритим нижнім кінцем. Цей метод застосовують у
водонасичених ґрунтах. Завдяки гідродинамічній силі, яка виникає від вібрації в
ґрунті, руйнується зв’язок між твердими частинками ґрунту і між ґрунтом та
палею, і вона під своєю вагою заглиблюється в ґрунт.
14.5.
Виготовлення монолітних паль
Еквівалентом ефективності палі є її несуча
здатність, а тому вдосконалення технології спрямоване на забезпечення кращого
контакту бетону з оточуючим ґрунтом та на збільшення щільності ґрунту. Це
досягається трамбуванням бетонної суміші трамбівками, стисненим повітрям,
обсадними трубами, спеціальними пуансонами, напірним бетонуванням; ущільненням
основи свердловини трамбуванням або втрамбовуванням у ґрунт щебеню чи збірних
малогабаритних елементів; заміною бурових свердловин на витрамбовувані
обсадними трубами, трамбівками та вибуховими речовинами. Для кращого контакту з
ґрунтом палі виконують з розширеним стволом.
Для даних паль утворююють свердловини
діаметром 40... 120 см. Глибина їх може досягати 8...20 м і навіть 40 м.
Укладають бетонну суміш у свердловини за
допомогою бадді з дистанційним розкриттям або бетонолитної труби, а останнім
часом – труби бетононасоса. Текучі бетонні суміші можна скидати в свердловину
на глибину 20 м і більше без ризику, що вони розшаруються, тоді як інші суміші
скидають на глибину не більше ніж 4 м.
Найбільш поширені палі: буронабивні,
пневмотрамбовані, частотрамбовані, віброштамповані, буронабивні з поліпшеною основою,
буронабивні з розширенням, камуфлетні, у витрамбованих котлованах,
буроінєкційні.
Буронабивні палі
виготовляють за найпростішою методикою – у
вибурену свердловину укладають бетонну суміш. Якщо свердловина суха, то
напівжорстку суміш трамбують, і вона, розпираючи свердловину, обтискує ґрунт,
що поліпшує контакт палі з ґрунтом.
Пневмотрамбовані палі – це
ті самі буронабивні палі, виконані в обводнених ґрунтах, але для ущільнення
бетонної суміші застосовують спеціальну кесонну шлюзову камеру, яка розміщується
на поверхні свердловини. За допомогою такої установки стисненим до 0,4 МПа
повітрям ущільнюють бетонну суміш і збільшують контакт з ґрунтом.
Частотрамбовані палі добре
контактують з ґрунтом, ґрунт не вибурюється, а розсувається й ущільнюється
металевою трубою діаметром 42 см. Нижній кінець труби закривають литим чавунним
наконечником, який потім залишається в ґрунті. Трубу поступово наповнюють
бетонною сумішшю і виймають за допомогою пневмомолота подвійної дії. Виконуючи
зворотно-поступальний рух, труба трамбує бетонну суміш. Такі палі за своїми
якостями близькі до забивних.
Віброштамповані палі виготовляють
за допомогою віброштампа – металевої труби із закритим нижнім кінцем і
віброзаглиблювачем зверху. Свердловину заповнюють бетонною сумішшю на всю глибину,
а потім у бетон заглиблюють до дна віброштамп. Бетонна суміш розширює
свердловину, ущільнюючи ґрунт, штамповану порожнину бетонують. Ці операції
повторюють доти, доки діаметр палі не досягне потрібного розміру.
Буронабивні палі з розширенням ствола в нижній частині або з кількома розширеннями збільшують
несучу здатність паль. Для цього спеціальним розширювачем, який обертається
навколо вертикальної осі, роблять симетричне розширення утвореної свердловини
Камуфлетні палі
– це буронабивні палі з розширенням ствола, в
основному в нижній частині, яке здійснюється підриванням вибухових речовин.
Ґрунт біля камуфлету значно ущільнюється, що поліпшує несучу здатність палі.
Палі у витрамбованих котлованах
виготовляють у сухих макропористих (лесових) ґрунтах. Спеціальна трамбівка
масою 5...10 т еліпсоїдної форми по напрямним, а іноді й без них, скидається з
висоти 3...7 м в одне і те саме місце. За 20...30 хв витрамбовується котлован
діаметром 0,8...1,2 м, 3...8 м завглибшки. Іноді в котлован втрамбовують
1,5...2 м3 щебеню. Такі палі конкурують Із забивними у відносних
показниках.
Буроін’єкційні палі влаштовують
забуренням шнекової колони в ґрунт на повну її глибину. Шнекова колона при
цьому повинна мати трубчасте осердя, відкрите зверху і знизу. Бетононасосом,
приєднаним гнучким бетоноводом до верху труби шнекової колони, до забою
скважини нагнітають бетонну суміш з одночасним підйомом шнека. У процесі
бетонування контролюють витрати бетонної суміші, швидкість підйому бурової
колони та тиск нагнітання. Після повного підйому шнека видаляють залишки
бурового шламу. За потреби в забетоновану скважину вдавлюють арматурний каркас
та формують оголовок палі. Такі палі доцільно влаштовувати в сухих стійких
ґрунтах, тому що у водонасичених слабких ґрунтах стовбури паль можуть мати
неконтрольовані розширення або розриви цілісності.
14.6.
Виготовлення комбінованих паль
До комбінованих належать палі, конструкція і
технологія яких містять елементи, виготовлені заздалегідь, з подальшим їхнім
заглибленням, і елементи, які виконують на місці. Серед них: буроопускні,
комбіновані камуфлетні зі збірним стволом і ін’єкційні анкери.
Буроопускні – це залізобетонні циліндричні елементи діаметром
0,4...0,8 м, 3...6 м завдовжки, які опускають краном у вибурені свердловини
діаметром на 3...5 см більше діаметра паль. Після цього на палі монтують
потужні вібратори і включають їх у режимі трамбування, що у вологих та
водонасичених ґрунтах забезпечує контакт палі з ґрунтом.
Комбіновані
камуфлетні палі зі збірним стволом роблять
так само, як і камуфлетні монолітні, з тією лише різницею, що зразу після
заповнення камуфлету бетонною сумішшю в неї вставляють залізобетонний стояк.
Ін’єкційні анкери використовують найчастіше в умовах реконструкції. Бур-ін’єктор – це труба з буровим органом
на кінці з багатьма отворами в стволі. Після заглиблення ін’єктора в оточуючий
ґрунт нагнітають цементний розчин під тиском 2...6 МПа. Ін’єктор править за
арматуру анкерної палі.
14.7.
Особливості влаштування паль у складних умовах
Улаштування паль у складних гідрогеологічних
умовах, у мерзлих ґрунтах та в умовах реконструкції має свої особливості.
У слабких обводнених ґрунтах улаштування буронабивних
паль – досить складний процес, який потребує спеціального устаткування.
Щоб не обвалилася стінка свердловини під час буріння, її підтримують обсадною
трубою або глинистим розчином. Спеціалізовані машини мають обладнання, за
допомогою яких обсадна труба одночасно з бурінням опускається у свердловину.
Після бетонування обсадні труби виймають для повторного застосування.
У нестійких ґрунтах можна бурити свердловини під глинистим розчином щільністю
1,05...1,15 т/м3, що дає змогу спрямувати градієнт напору
фільтраційних вод від свердловини в ґрунт (а тому стінка свердловини не
обвалюється) навіть тоді, коли ґрунтові води практично розміщені на поверхні
ґрунту. Біля свердловини розміщують глинисте господарство: глинозмішувач,
циркуляційні насоси, резервуари, вібросита. Глинистий розчин постійно циркулює
і виносить зі свердловини залишки бурового шламу.
У зимових умовах улаштування паль потребує
виконання допоміжних робіт із забезпеченням технологічного процесу та працездатності
машин на холоді. Сам процес заглиблення паль, буріння та бетонування ускладнюється в шарі мерзлого ґрунту. Якщо товща
мерзлого ґрунту до 30 см, то забивна паля його пробиває, а коли більше ніж 30
см, ґрунт пробурюють або відігрівають лунки для кожної палі.
У вічномерзлих ґрунтах готові палі заглиблюють у
свердловини, виконані механічним, тепловим або комбінованим методом.
В умовах реконструкції застосовують переважно
монолітні та комбіновані палі, під час улаштування яких не виникає динамічне навантаження
на ґрунт та на оточуючу забудову.
Готові палі заглиблюють вдавлюванням та
загвинчуванням.
Якщо неможливо використати звичайні машини і
технологічні засоби, застосовують індивідуальне обладнання або палі
оригінальної конструкції. Наприклад, для підсилення стрічкового фундаменту
роблять приямок під його підошвою, куди встановлюють гідродомкрат для
вдавлювання у ґрунт елементів палі, що стикуються. Застосовують також
гідравлічні пристрої для вдавлювання паль через отвори у масивному ростверку або
бетонній підлозі із закріпленням до них цих пристроїв.