Тема 8. Улаштування фундаментів
3. Заглиблення заздалегідь виготовлених паль
Розрізняють різні за формою і конструктивними особливостями палі, що виготовлені на заводах, у майстернях і на полігонах, доставлені на будівельний майданчик і будь-яким методом заглиблені у ґрунт. Вони бувають циліндричні, призматичні, пірамідальні, з жорстким потовщенням ствола, з розширенням, що розкривається, з гвинтовим розширенням ствола (рис. 6.1, і).
Рис. 6. 1. Різновиди паль: І – виготовлені заздалегідь, з подальшим заглибленням їх у грунт; ІІ – монолітні, виготовлені на місці їхньої експлуатації; ІІІ – комбіновані; а – циліндричні та призматичні; б – малопірамідальні; в – пірамідальні; г – з жорстким потовщенням ствола; д – з розширенням ствола, що розкривається; е – з гвинтовим розширенням; є – буронабивні; ж – пневмотрамбовані; з – частотрамбовані; и – буронабивні з поліпшеною основою; і – буронабивні з розширенням ствола; ї – камуфлетні; й – у втрамбованих котлованах; к – буроопускні; л – комбіновані камуфлетні; м – ін’єкційні анкери; 1 – жорстке потовщення ствола внизу; 2 – жорстке потовщення ствола зверху; 3 – наконечник, що розкривається; 4 – гвинтове розширення; 5 – свердловина; 6 – штанга; 7 – трамбівка; 8 – бетонна суміш; 9 – обсадна труба; 10 – шлюзова камера; 11 – наконечник обсадної труби; 12 – збірні забивні елементи; І3 – розбурене розширення ствола; 14 – камуфлетне розширення; 15 – витрамбований котлован; 16 – опускний елемент; 17 – вібратор; 18 – цементний розчин; 19 – бур-ін’єктор
Циліндричні палі можуть бути дерев’яними, виготовленими зі стовбура дерева, залізобетонними, металевими. Їх поперечний переріз має вигляд кола або кільця. Довжина – 6–16 м без стиків, зі стиками – 30–90 м, діаметр – 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. Палі однакових розмірів мають практично однакову несівну здатність.
Призматичні палі переважно виготовляють із залізобетону. Метал застосовують за економічного обґрунтування або у випадках, коли через деякий час палі зможуть витягти для повторного використання. Довжина залізобетонних призматичних паль становить 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 стержнями і охоплюючими хомутами. Таке армування потрібне, щоб паля не зламалась під час її заглиблення у ґрунт. Застосовують також залізобетонні палі армовані одним стержнем, який попередньо напружують.
Прямокутний поперечний переріз паль має низку переваг перед квадратним – більша несівна здатність бокової поверхні, витримує більше горизонтальне навантаження, недоліки – ускладнення під час заглиблення.
Трикутний поперечний переріз палі збільшує бокову поверхню у 1,4 раза по відношенню до рівновеликого квадратного.
Тавровий переріз має практично ті самі переваги, що і трикутний, але виготовлення такого профілю досить вартісне і трудомістке.
Двотавровий переріз працює аналогічно прямокутному і дає змогу досягти значної економії матеріалу, але виготовлення такої палі потребує значних витрат.
Серед пірамідальних паль виділяють малопірамідальні й пірамідальні.
За формою малопірамідальні палі з конусністю 3–8 % схожі на призматичні, але можуть сприймати вертикальне навантаження на 40–60 % більше, ніж призматичні.
Пірамідальні палі з розмірами основ 80×80 см та 10×10 см і 2,8–3,2 м висотою успішно експлуатують у щільних ґрунтах. Найефективніші ці палі при горизонтальних навантаженнях, особливо в спорудах, де виникає розпір (тришарнірні арки та рами).
Палі з жорстким потовщенням ствола в нижній частині використовують у 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 навантаження, коли верхній шар ґрунту досить міцний і твердий. Для кращого заглиблення палі в ґрунт і його ущільнення – розширення робиться пірамідальним.
Палі з розширенням ствола, що розкривається, виконують у багатьох конструктивних варіантах, принцип 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 у 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 до 1,2 м, довжина палі – 10 м. Гвинтові палі застосовують в однорідних ґрунтах без вкраплення твердих частин. Вони сприймають 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, 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 (рис. 6.2).
Крім копрів, для заглиблення паль випускають спеціальне коперне обладнання для базових машин. За його допомогою виконують значний обсяг пальових робіт. Спеціалізовані копри обладнані спеціальними пристроями для автоматизованого виставляння палі у вертикальне положення, підтягування її тощо.
Забивають палі молотами, котрі підвішують, на копрі. Молоти бувають механічні, пароповітряні, дизельні, гідравлічні.
Рис. 6.2. Машини для заглиблення паль: а – мостовий копер; б – на базі екскаватора; в – на базі автомобіля; 1 – рейкова колія; 2 – міст; 3 – візок; 4 – стріла копра; 5 – молот; 6 – паля; 7 – автомобіль; 8 – механізм регулювання положення палі
Механічний молот – це важка чавунна відливка, яку за допомогою лебідки піднімають на висоту, а потім скидають на верхню частину палі. Маса молотів сягає 8–10 т і більше, вони мають велику потужність, але низьку продуктивність.
Пароповітряний молот – це замкнений порожній вертикальний циліндр, в якому рухається (вгору–вниз) поршень масою 1,25–6 т, амплітуда руху 1,3–1,5 м. У дію його приводить стиснене повітря або пара.
Дизельні молоти (штангові та трубчасті) найпоширеніші у використанні. У штангових молотах рухомий циліндр масою 500– 5000 кг ударяє по поршню, розвиваючи силу удару до 90 кДж. Трубчастий дизельний молот має поршень масою до 2500 кг, який рухається в трубі-циліндрі і розвиває силу удару до 20 кДж. Тиск у камері згоряння у цій конструкції значно менший, ніж у штанговому молоті, тому трубчастий молот застосовують ширше.
Гідравлічний молот – аналог пароповітряного молота з 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 силу удару по палі. Широке застосування ударний спосіб заглиблення паль набув за рахунок наявності великої кількості обладнання і високої продуктивності цього способу. Проте він має низку недоліків – низький коефіцієнт корисної дії обладнання, потреба у міцних конструкціях паль, оскільки навантаження на палю під час забивання в 3–5 разів перевищує навантаження на неї у будівлі. Необхідну силу удару молота (Ен, кДж), визначають за формулою:
де N – розрахункове навантаження на палю, кН.
За довідковими даними підбирають молот, сила удару якого (Еа) не нижча обчисленої і забезпечується умова:
де m1, – маса молота, т;
m2 – маса палі, т;
m3 – маса підбабка, т;
R – коефіцієнт, який має значення від 0,6 до 0,2 залежно від типу молота та матеріалу палі.
За допомогою розрахунків можна обчислити величину заглиблення палі від одного удару молота, при якій буде гарантована задана несівна здатність. Заглиблення палі від одного удару молота називається відмовою палі. На практиці вона визначається як середнє арифметичне від 10 ударів молота (так званий залог). Якщо вірно були виконані геологічні розвідування і підібрано молот, то паля зайде в ґрунт на проектну глибину і при цьому буде мати задану проектувальниками відмову. Відмова може бути 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, що дорівнює проектній, не досягнувши проектної глибини. У такому випадку не слід зрубувати недобиту палю, а треба дати їй постояти. За 3–6 днів під її нижнім кінцем відбудуться процеси релаксації і розущільнення ґрунту і після повторного її добивання виявиться дійсна відмова.
Якщо палю у твердих ґрунтах не можна заглибити на потрібну глибину і вона не має заданої несівної здатності, що контролюється відмовою, то для її заглиблення застосовують лідерне буріння. Лідерна свердловина має діаметр, удвічі менший від меншого розміру поперечного перерізу палі і глибину на 1,0–1,5 м меншу за довжину палі.
У водонасичених ґрунтах, особливо глинистих, під час заглиблення палі структурні зв’язки порушуються і відбувається тиксотропне розрідження ґрунту. Ґрунт стає рідким і паля легко в нього заглиблюється, не показуючи проектної відмови на проектній глибині. У цьому випадку теж слід не поспішати заглиблювати палі-дублери або міняти довжину палі. Їй також треба дати постояти протягом 10–20 днів. У разі повторного добивання паля може показати дійсну відмову.
Явище фальшивої відмови може виявитися і при інших методах заглиблення, навіть при статичних, а розрідження глинистого водонасиченого ґрунту може бути навіть від того, що частинки ґрунту можуть потрапити в резонансне коливання з працюючим двигуном робочої машини.
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 замовленнями. Наприклад, платформа на рівні землі має в центрі ґратчасту башту, в яку вставляють палю і за допомогою поліспастової системи вдавлюють у ґрунт. Анкерні зусилля створюються вагою платформи, оснасткою і привантаженням бетонними блоками або будівельними машинами, частіше тракторами.
Установка для вдавлювання паль розроблена на основі гусеничного крана, основним органом якої є вакуумний присос до поверхні землі з робочою площею 15 м 2 . Вона може розвивати 1000–1200 кН зусилля на вдавлювання (рис. 6.3, а).
Рис. 6.3. Машини для заглиблення паль вдавлюванням та вібрацією: а – установка для вдавлювання паль; б – віброзаглиблювач; в – вібромолот; 1 – екскаватор-кран; 2 – напрямна; 3 – поліспаст; 4 – паля; 5 – вакуум-насос; 6 – вакуум-присос; 7 – рама; 8 – допоміжна опора; 9 – пристрій для закріплення палі; 10 – дебаланси; 11 – електродвигун; 12 – пружини; 13 – бойок; 14 – ковадло
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.
Крім вібрації, використовують вібропривантаження – спеціально збільшують вагу вібратора або через поліспастову систему передають на палю частину ваги коперної установки.
Віброударний метод полягає у співдії вібрації і удару. Віброзаглиблювачі працюють за принципом синхронного обертання двох незрівноважених мас (рис. 6.3, б, в).
Гвинтові палі заглиблюють спеціальними установками – кабестанами. Це стаціонарні пристрої, установлені для загвинчування конкретних паль, які можуть загвинчувати палі з діаметром гвинта до 1,2 м і 8–10 м довжиною.
Заглиблення паль за допомогою підмиву виконують під час гідротехнічного будівництва, якщо є достатня кількість води і не треба виконувати спеціальні роботи для відведення відпрацьованої води. Суть методу полягає в тому, що потужні струмені води із сопел, закріплених на нижньому вістрі палі, розмивають ґрунт і паля заглиблюється в нього під дією своєї ваги. Після заглиблення порожнину навкруг палі замивають ґрунтом або палю добивають. Тиск води при цьому має бути 0,4–2,0 МПа, витрати – 0,01–0,05 м3 /с.