Пневмонабивные сваи впервые были предложены инженером Г. Г. Шенайхом в 1900 г. в России (Киев) и Вольфсхольтцем в Германии. Сваи системы Шенайха устраивают путем бетонирования под давлением воздуха в пространстве между двумя оболочками, вставленными с небольшим зазором друг в друга. При извлечении внешней оболочки внутренняя, заполненная бетоном, остается в качестве арматуры. При этом она защищена от коррозии цементной рубашкой, образовавшейся в результате заполнения раствором зазора между оболочками.
На рис. 13.8, а показана принципиальная схема пневмонабивных свай. Обсадную толстостенную трубу А диаметром 10″ погружают бурением или забивкой, после чего в нее вставляют оболочку Б из 1-1,5 мм листовой стали с наконечником Е. В оболочку вставляют деревянный сердечник В, при помощи которого, она опускается в обсадную трубу и загоняется в грунт.
После извлечения сердечника оболочка заполняется бетоном, а зазор — пластичным раствором. Затем на верх обсадной трубы навинчивают муфту Г с колпаком Д. Под колпак нагнетается воздух, газ или вода под давлением 40 ат, в результате чего бетон и раствор впрессовываются в оболочки, а свая погружается на 1-1,5 м. Одновременно под действием того же давления обсадная труба поднимается вверх, образуя вокруг кожуха цементную оболочку диаметром большим, чем обсадная труба, и неправильной .формы вследствие различной плотности грунта.
Изготовление свай Вольфсхольтца производится в порядке, указанном на рис. 13.8, б. Обсадную трубу, находящуюся в буровой скважине, закрывают герметичной крышкой, через которую пропущены три трубы. По одной из них подают раствор из специальной емкости или выпускают воду и воздух, по другой подается сжатый воздух давлением 10 кГ/см2, а на третьей имеется кран, манометр и редуцирующий вентиль. Вторая и третья трубы соединены между собой и с резервуаром сжатого воздуха. Порядок работы можно проследить по схеме. Сжатым воздухом из обсадной трубы
Рис. 13.8. Пневмонабивные сваи:
а — системы Шенайха; б — системы Вольфсхольтца
удаляется вода 1 и в трубу под давлением подается порция бетона 2.
Повышенным давлением бетон впрессовывают в грунт, в результате чего при подъеме трубы 3 в нижележащем грунте образуется уширенное основание. В зависимости от длины сваи этот цикл повторяется несколько раз (поз. 4).
При изготовлении свай таким способом требуется тщательно фракционированный мелкий щебень. Кроме того, процесс бетонирования нужно вести непрерывно во избежание схватывания бетона (раствора) в трубопроводах. Учтя недостатки этого способа, немецкая фирма «Грюн и Бильфингер» применила конструкцию — шлюз, работающий по принципу кессонного, позволяющую подавать в обсадную трубу обычный бетон. Шлюз позволил отказаться от шлангов.
Отечественные специалисты (проф. Г. Л. Медведев, инж. Боженков и Гузеев, проф. Е. В. Платонов) в довоенный период создали рациональную конструкцию шлюза для пневмосвай.
Созданный ими аппарат — цилиндр несколько большего диаметра, чем обсадная труба, снабжен двухклапанным устройством, обеспечивающим беспрепятственный пропуск бетона в трубу без понижения давления внутри нее (рис. 13.9).
Рис.13.9. Шлюзовой аппарат Мостотреста для бетонирования пневмосвай
Цилиндр имеет три камеры: верхнюю А для загрузки бетона, среднюю Щ с переменным давлением воздуха и нижнюю В, общую с внутренней полостью обсадной трубы, К камере В подсоединяется, компрессор, подающий; воздух под давлением 3-5 ат. Сжатый воздух отжимает грунтовую воду и полностью осушает полость трубы.
Бетон загружают в верхнюю камеру А, выравнивают давление в камере Б до наружного при помощи крана Д. После этого рычагом открывают верхний клапан, и бетонная смесь заполняет среднюю камеру. Краном 1 подают в среднюю камеру сжатый воздух, предварительно закрыв кран 2. Когда давление в средней и нижней камере, а также в трубе уравнивается, бетон через нижний клапан проваливается в трубу.
Силой сжатого воздуха одновременно уплотняется бетонная смесь, которая вдавливается в грунт, и обсадная труба поднимается, что в значительной мере облегчает ее извлечение из скважины. В процессе изготовления пневмонабивных свай обсадные трубы при погружении в грунт заполняются бетоном, который внедряется под давлением сжатого воздуха в прилегающий грунт. Затем обсадные трубы удаляют из скважины.
Погружать обсадные трубы можно бурением или забивкой. Обсадные трубы в пневмосваях можно забить в грунт с закрытым или открытым конусом. В первом случае отпадает необходимость удаления грунта из обсадной трубы, а в процессе забивки грунт уплотняется.
В песчаных грунтах, оказывающих значительное сопротивление погружению свай, забивать обсадные трубы с наконечниками весьма затруднительно, особенно в мелких песках, насыщенных водой. В такие грунты целесообразнее забивать открытые снизу трубы, а грунт из них удалять с помощью водяной струи, поступающей из подмывных трубок, опущенных внутрь трубы.
В агрессивных грунтовых водах в буровую скважину рекомендуется опускать готовые железобетонные сваи, покрытые снаружи изолирующим слоем, и нагнетать бетон только в промежуток между сваями и грунтовыми стенками скважины.
Бетонируют сваи в несколько приемов. Первая порция бетона должна быть небольшой, чтобы заполнить трубу по высоте на 1,5-2 м. Это необходимо для облегчения первого подъема обсадной трубы, которая засасывается в песчаных грунтах очень быстро. Последующие порции бетона увеличивают в 2-3 раза. Бетонирование следует вести без перерывов во избежание нарушения монолитности сваи. Каждую последующую порцию бетона загружают в обсадную трубу до начала схватывания ранее уложенной порции. Для устройства пневмосвай применяют бетон литой консистенции.
При подъеме обсадной трубы нужно тщательно следить за уровнем бетона, не допуская понижения высоты пробки менее 1 м, так как сжатый воздух может выбросить бетон и даже привести к разрыву сваи.
Шлюзование бетона производят только на величину, необходимую для преодоления притока грунтовой воды. После этого подачу сжатого воздуха прекращают и, открыв оба клапана, укладывают бетонную смесь непосредственно в трубу.
При изготовлении свай в водоносных грунтах непрерывное содержание обсадной трубы под давлением обязательно — в противном случае при снижении давления грунтовые воды немедленно наполнят трубу.
Пневмонабивные сваи армируют на всю длину или только в верхней части. В первом случае заранее заготовленный арматурный каркас опускают в обсадную трубу до начала бетонирования; во втором случае сваи армируют в процессе бетонирования после достижения сваей соответствующего уровня. Для этого шлюзовой аппарат снимают, каркас опускают в обсадную трубу, после чего аппарат снова устанавливают на место.
Сжатый воздух, удаляющий из обсадной трубы грунтовые воды, обеспечивает значительное уплотнение бетона и окружающего грунта, а также облегчает подъем обсадной трубы по ходу бетонирования.
Длина пневмонабивных свай, ограничиваемая методами погружения обсадных труб, может достигать 30 м. Если пневмонабивные свай длиной 8-20 ми сечением 50-60 см погружены в плотные грунты на значительную глубину, они обладают несущей способностью 100-150 Т. Это дает возможность уменьшить в 3-4 раза количество свай в основании сооружения по сравнению с забивными сваями и соответственно уменьшить объем ростверка.
Недостатками пневмонабивных свай являются сравнительная сложность их изготовления в связи с применением сжатого воздуха для шлюзования бетона в обсадную трубу и для удаления трубы из скважины по ходу бетонирования и низкие темпы производства работ. Кроме того, необходим гадательный контроль на всех стадиях изготовления таких свай.
Сваи Вольфсхольтца применяются в зарубежной строительной практике. В отечественном строительстве пневмосваи применяли для первой очереди Московского метрополитена и при сооружении мостовых опор (например, эстакада Краснохолмского моста через Москва-реку).
Ниже приведены основные данные по устройству двух береговых опор железнодорожного моста на пневмонабивных сваях. Каждый из устоев моста (рис. 13.10) расположен на 53 пневмонабивных сваях длиной 12 м при диаметре обсадных труб 60,5 см, погруженных в мелкозернистые илистые пески. Средний диаметр пневмонабивных свай составил 70 см. Сваи расположены в плане в шахматном порядке: расстояние между ними принято 155 см, что составляет 2,5 диаметра обсадной трубы. Все сваи погружены с наклоном 1/16 в сторону насыпи. Верхняя часть свай на высоту 3-3,5 м армирована 8 стержнями диаметром
Рис. 13.10. Опора на пневмонабивных сваях:
а — фасад; б — вид устоя со стороны пролета; в — вид устоя со стороны насыпи
16 мм; расчетная нагрузка на сваю по проекту составляла 67 Т, фактически несущая способность — 100 Г.
Средний расход бетона на одну сваю составил 5,84 м3, что соответствует коэффициенту уширения сваи, равному 1,74.
В Польской Народной Республике в послевоенный период пневмонабивные сваи широко применялись наряду с системой Франки. По свидетельству И. А. Ганичева, сваи Вольфсхольтца в Польше, начиная с 1960 г., применяют меньше. В настоящее время их используют, главным образом, при недостатке места для установки тяжелого оборудования, при производстве работ в тяжелых грунтовых и местных условиях (работы внутри помещения, вплотную к зданию и т. п.) и в случаях небольшого количества и значительной длины свай (свыше 15 м), Пневмоспособ применяется в практике изготовления набивных свай других конструкций.
Сваи Михаэлиса — Маста по схеме близки пневмосваям и являются разновидностью свай гидравлического прессования. В свае из прессованного бетона грунтовую воду из буровой скважины вытесняют по принципу действия поршня в цилиндре насоса. Роль поршня выполняет плита основания, в которую пропущена труба (рис. 13.11) для отвода грунтовой воды. Плотный контакт между плитой и обсадной трубой обеспечивается обмазкой глиной.
Рис. 13.11. Принцип изготовления сваи Михаэлиса — Маста
Когда арматура сваи вместе с плитой опущена до дна буровой скважины (другими словами, когда вытеснена вся грунтовая вода), обсадную трубу наполняют бетоном, а трубы отвинчивают и удаляют. Затем поверхность бетона уплотняют глиной, а на обсадную трубу навинчивают наголовник В для сжатого воздуха. Нагнетанием воды под давлением до 35 ат уплотняется бетон и одновременно удаляется обсадная труба из грунта.