Прототипом целого ряда бетонных свай, изготовляемые в металлической оболочке, забитой в грунт, явилась свая О. Штерна. По форме вертикального сечения эта свая — коническая, состоит из оболочек и сердечника. Оболочка изготовляется из листовой стали толщиной 3 мм.
Сердечник — деревянный сплошной со сверлением по центру для пропуска металлического стержня диаметром 40 м. Стержень предназначен для извлечения сердечника после забивки свая-(рис. 16.15, а). Свая Маета (рис. 16.15, б) имеет усиленный наконечник.
Рис. 16.15. Сваи с забивной оболочкой, остающейся в грунте: а — свая Штерна; б — свая Маета
После удаления сердечника полость оболочки, оставшейся в грунте, заполняется бетоном.
Положительной стороной свай подобной конструкции является гарантия сплошности ствола сваи в сложных гидрогеологических условиях, а также изоляции бетона сваи от химически-агрессивных вод. Кроме того, наличие оболочки позволяет без ущерба для качества сваи допускать значительные перерывы между забивкой оболочки и заполнением ее бетоном.
Недостатками свай таких систем является значительный расход дефицитной пока листовой стали, а также понижение несущей способности свай вследствие незначительной величины трения гладкой поверхности металла по грунту.
Кроме того, из свай Штерна трудно извлекать сердечник из-за смятия оболочек и недостаточной жесткости их при забивке. Поэтому теперь сваи Штерна не применяют.
Смятие оболочки при извлечении сердечника удалось преодолеть при помощи разъемного сердечника в сваях Раймонда.
Сваи Янссена имеют надежную конструкцию железобетонного заострения, позволяющего проходить плотные глины с включением гравия. Оболочку сваи из 2 мм стали сваривают автогеном с металлической обоймой заострения и иногда выполняют лишь на участке, где имеются грунтовые воды.
Сваи Пирлесса. В этой свае оболочка состоит из железобетонных колец, нижние из которых опирается на полое заострение литого металлического башмака (рис. 16. 16).
Рис. 16.16. Свая Пирлесса:
1 — полая металлическая труба; 2 — бетонные кольца; 3 — муфта
Сердечником служит толстостенная стальная труба 1, опирающаяся на муфту 3, с диаметром большим, чем у трубы, благодаря чему извлечение сердечника происходит без трения с оболочкой. Кольца оболочки бетонируются.
Сваи Гау изготовляют путем забивки в грунт стальной толстостенной трубы без башмака и удаления из нее грунта при помощи струи воды. Такой метод изготовления свай применяют в США. Для получения
свай длиной до 46 м используют трубы диаметром 25-30 см со стенками толщиной 5-15 мм. Грунт удаляется сжатым воздухом или совместным применением воздуха и воды.
В сваях Гау был впервые применен механический вращающийся уширитель пяты, принцип действия которого показан на рис. 16.17. Грунт разрабатываемый уширителем, извлекался на поверхность также при помощи воды. Идея образования уширенной пяты механическим способом свай Гау перешла в современные виды буронабивных свай.
Рис. 16.17. Свая Гау и механический уширитель основания
Сваи Раймонда, предложенные в Польше в 1901 г., применяют в зарубежной практике до сих пор.
Свая Раймонда (рис. 16.18) имеет коническую форму, состоит из металлической тонколистовой оболочки (1,0-1,5 мм), усиленной приваренной спиральной обмоткой из 6-7 ммпроволоки 1, надевается на специальный пустотелый сердечник заводского изготовления, точно пригнанной по размеру оболочки; наружная стальная оболочка сердечника 2 разрезана на три части. Внутри сердечника вдоль всего его корпуса помещается конической формы стержень 3, снабженный клинообразными приливами и кулачками, распирающими оболочку сердечника при ударе молота по стержню. Благодаря этому устройству металлический кожух вместе с сердечником забиваются в грунт, как свая.
Рис. 16.18. Свая Раймонда: а — схема изготовления; б — стальной раздвижной сердечник; в — схема изготовления сваи
Когда свая забита, стержень сердечника поднимается вверх, разрезанные части сердечника сдвигаются (см. ІІ-ІІ на рис. 16.18, б), и он легко извлекается. Внутреннее пространство забитой в грунт оболочки заполняют бетоном после тщательного осмотра (при помощи опущенной внутрь электрической лампы).
На рис. 16.18, а показана технологическая последовательность операций по изготовлению сваи: І — оболочка и сердечник приготовлены для забивки; ІІ — сердечник вставлен в оболочку; ІІІ — сердечник с оболочкой забит в грунт на требуемую глубину; IV — сердечник вынимается из оболочки; V— оболочка заполнена бетоном (в данном частном случае в бетон верхней части сваи втоплена стальная арматура).
Применяемые в США стандартные сваи Раймонда из волнистого тонкого листа, усиленного спиралью, имеют длину до 12 м, диаметр башмака 20 см с конусностью 3,3 см на 1 м. В отличие от стандартных, сваи Раймонда длиной до 27 м выполняют из ступенчатых секций длиной по 2,5 м.
Сваи «Монотюб» применяют в США, Канаде и некоторых других странах. Оболочку ее готовят из волнистой листовой стали толщиной от 3 до 8 мми снизу закрывают стальным башмаком диаметром 20 см. Конусность стандартных типов не превышает 3,3 см на 1 м при длине сваи до 7,5 м. Верхняя часть более длинных свай имеет незначительную конусность — 0,25 см/м. Обычная длина свай составляет 7-18 м, максимальная — до 40 м. При погружении стальную оболочку забивают в грунт без сердечника и затем заполняют бетоном.
Свая Макартура с оболочкой, в отличие от описанных выше, имеет сменную оболочку. В грунт забивают толстостенную трубу вместе со вставленным в нее сердечником. После извлечения сердечника в обсадку опускают цилиндрическую, тонкостенную оболочку, заполняют ее бетоном, а трубу извлекают. Уширяют пяту трамбованием бетона в обсадной трубе до опускания в нее оболочки. Длина таких свай достигает 25 м.
Свая Вестерн, также как и сваи Макартура, имеет инвентарную обсадную трубу, но забивают ее без сердечника. Цилиндрическую оболочку длиной до 33 м опускают на бетонный башмак диаметром 43 см и заполняют бетоном.
Уширенная пята образуется так же, как в свае Макартура.
Сваи Макартура и Вестерн применяют в некоторых странах Западной Европы и в Америке.