Исследование процесса забивки свай и штампов на моделях

ИССЛЕДОВАНИЕ 
ПРОЦЕССА ЗАБИВКИ 
СВАЙ И ШТАМПОВ 
НА МОДЕЛЯХ

И.И. БЕКБАСАРОВ

2-е издание, переработанное и дополненное

Москва 
ИНФРА-М 
2021

МОНОГРАФИЯ

УДК 624.154(075.4)
ББК 38.654.1

Б42

Бекбасаров И.И.

Б42
Исследование процесса забивки свай иштампов намоделях : моногра
фия/ И.И. Бекбасаров.— 2-е изд., перераб. идоп.— Москва: ИНФРА-М, 
2021. — 195  с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1074097.

ISBN 978-5-16-015990-4 (print)
ISBN 978-5-16-108369-7 (online)
В монографии изложены результаты экспериментальных и теоретиче
ских исследований, проведенных с применением моделей забивных свай 
и ленточных штампов.

Произведена оценка влияния размеров поперечного сечения, длины, 

формы ствола и нижнего конца свай на их погружаемость, энергоемкость 
забивки и несущую способность. Рассмотрены конструктивные и технологические особенности новых видов свай. Разработан метод определения 
несущей способности модели сваи по результатам динамических испытаний. Представлены условия подобия и формулы, обеспечивающие моделирование процесса забивки свай в лабораторных условиях. Выполнена 
оценка влияния формы ленточных штампов на их погружаемость, энергоемкость забивки и несущую способность фундаментов, устраиваемых 
в выштампованных котлованах. Описан метод определения несущей способности модели ленточного фундамента по результатам выштамповывания котлована. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров 
свай и фундаментов, устраиваемых в выштампованных котлованах.

Рекомендована для научных работников, специалистов проектных 

и строительных организаций, докторантов, аспирантов, магистрантов 
и студентов строительных и водохозяйственных специальностей.

УДК 624.154(075.4) 
ББК 38.654.1

Р е ц е н з е н т ы:

Алимбаев Б.А. — доктор технических наук, профессор Таразского 

регионального университета имени М.Х. Дулати;

Байтемиров М.Н. — кандидат технических наук, директор Южно
Казахстанского филиала Казахского научно-исследовательского института строительства и архитектуры

ISBN 978-5-16-015990-4 (print)
ISBN 978-5-16-108369-7 (online)
© Бекбасаров И.И., 2021

Введение

В настоящее время в свайном фундаментостроении стран СНГ 

используются более 16 разновидностей забивных свай, отличающихся продольной формой ствола, и более 11 разновидностей 
свай с разной формой поперечного сечения. К ним относятся призматические, пирамидальные, ромбовидные, полые круглые, булавовидные, винтовые, плоскопрофилированные, конические, бипирамидальные и другие виды свай. Применяются также сваи, отличающиеся формой и углом заострения нижней части.

Несмотря на большую разновидность забивных свай в свайной 

геотехнике продолжаются работы по созданию и изучению новых 
конструкций свай. К разряду таких работ относятся исследования, 
проводимые в геотехнической лаборатории ТарРУ имени М.Х. Дулати. Так, специалистами университета в течение последних 4–5 лет 
разработано и запатентовано 13 новых видов свай и свайных фундаментов.

Известно, что форма и размеры свай оказывают влияние на про
цесс их забивки, на энергетические затраты сваебойных агрегатов, 
напряженное состояние свай при ударах молотов, несущую способность свай при действии различных видов нагрузок и др.

История развития свайной геотехники включает в себя научные 

исследования, посвященные поиску, разработке и изучению оптимальных конструкций свай, при которых обеспечивается снижение 
материальных и трудовых затрат, а также сокращается продолжительность строительства не в ущерб качеству и надежности зданий 
и сооружений. Но, несмотря на существующее многообразие свай, 
как по форме, так и по размерам, до настоящего времени количественная сравнительная оценка работы различных свай специалистами выполнена не в полной мере. Применительно к Казахстану 
следует отметить, что подобные исследования, проведенные в вузах 
и НИИ страны, в настоящее время незначительны как по тематике, 
так и по объему. Так, отечественными геотехниками экспериментально не изучено влияние длины, размеров поперечного сечения, 
угла заострения нижнего конца и формы продольного сечения свай 
на их погружаемость, энергоемкость и несущую способность.

Кроме свайных фундаментов из забивных свай в области фунда
ментостроения используются более 5 разновидностей фундаментов, 
основные элементы которых устраиваются путем принудительного 
вытеснения грунта в окружающее пространство. К ним относятся 
фундаменты из забивных блоков, фундаменты в пробитых скважинах, фундаменты в вытрамбованных котлованах, фундаменты 
в выштампованных ложах (котлованах и траншеях), шпальные 

фундаменты и др. В последние годы данный перечень фундаментов 
пополнился разработками специалистов ТарРУ имени М.Х. Дулати. Ими предложены 3 разновидности фундаментов, устраиваемых путем выштамповывания (вытрамбовывания) котлованов 
(траншей).
Перечисленные фундаменты имеют ряд неоспоримых преиму
ществ по сравнению с фундаментами, которые возводятся путем 
отрывки котлованов или траншей. К достоинствам рассматриваемых фундаментов относятся уплотнение грунта при механическом вытеснении грунта, образование котлованов, скважин, лож 
и траншей необходимой глубины и размеров, повышение несущей 
способности фундаментов, отсутствие или полное исключение 
опалубочных работ и др. Эти положительные факторы вызывают 
уменьшение размеров фундаментов, а следовательно, и сокращение 
себестоимости, трудоемкости и продолжительности работ.

Среди рассматриваемых фундаментов, устраиваемых с вы
теснением грунта, к наиболее прогрессивным геотехническим 
конструкциям относятся ленточные фундаменты, возводимые 
в выштампованных котлованах. Котлованы под такие фундаменты 
изготовляются с помощью ленточных штампов, которые погружаются в грунты сваебойными агрегатами. На сегодняшний день 
в Казахстане отсутствует опыт исследования и использования 
данных фундаментов в строительстве. Исследования, проведенные 
российскими специалистами, показывают недостаточную экспериментальную изученность особенностей устройства и работы указанных фундаментов, что служит сдерживающим фактором их широкого применения в фундаментостроении. Одним из актуальных 
вопросов, подлежащим решению на современном этапе, является 
экспериментальная оценка влияния формы забивных штампов 
на процесс выштамповывания котлованов и несущую способность 
фундаментов, устраиваемых в них.

Несомненно, рассмотренные обстоятельства не лучшим образом 

сказываются на развитии отечественного фундаментостроения, так 
как проектировщики не обеспечены рекомендациями, позволяющими им обоснованно назначать форму и размеры забивных свай 
и штампов из потенциально возможных вариантов.

Изложенные доводы свидетельствуют об актуальности тема
тики исследований, результаты которых рассматриваются в настоящей монографии.

В целях экономии затрат и сокращения продолжительности 

работ в качестве метода исследований принят метод лабораторных 
опытов на моделях, в виду его простоты, малозатратности и низкой 
трудоемкости. С другой стороны, этот метод выбран не случайно, 
а целенаправленно, в связи с перспективностью его использо

вания для прогноза несущей способности натурных фундаментов. 
В настоящее время разработан и апробирован ряд методов, позволяющих выполнять расчет несущей способности натурных фундаментов по результатам статических испытаний их моделей. Для 
дальнейшего развития этого направления в настоящей монографии 
рассматриваются пути применением результатов уже не статических, а динамических испытаний моделей для прогноза несущей 
способности натурных фундаментных конструкций. Такой подход 
позволяет дополнительно сократить продолжительность и трудоемкость испытаний моделей, а следовательно, и упростить процесс 
прогноза несущей способности натурных фундаментов.
Настоящая монография является вторым печатным изданием. 

В подготовке первого издания, опубликованного в 2014 году, принимали участие магистры Г.И. Исаков и А. Аманбай. Их вклад 
состоял в организации и проведении экспериментов, обработке 
результатов исследований и проверке расчетных формул, включенных в первое издание монографии.

Во втором издании основные результаты исследований допол
нены И.И. Бекбасаровым новыми данными, расчетами и выводами. 
Кроме того, во второе издание монографии включена новая глава 
(глава 4), а также новые параграфы (параграфы 1.4 и 3.5), в которых 
представлены результаты исследований, полученные И.И. Бекбасаровым в 2015–2019 годах.

Результаты исследований, изложенные в настоящем, перерабо
танном и дополненном издании, следует рассматривать как результаты очередного этапа НИР по решению проблем моделирования 
свай (свайных фундаментов) и их работы, которые ведутся в геотехнической лаборатории ТарРУ имени М.Х. Дулати с 2010 года. 
В настоящее время проводятся исследования по разработке основ 
моделирования испытаний свай на действие статических (вертикальных и горизонтальных) нагрузок, результаты которых планируется включить в следующее издание.

Глава 1 
ЗАБИВНЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ СВАИ 
И ИХ СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

1.1. ВИДЫ, РАЗМЕРЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА СВАЙ

Забивные сваи — это сваи, изготовляемые в заводских условиях 

по стандартной технологии и погружаемые в грунты строительных 
площадок путем забивки, вибрации, завинчивания или статического вдавливания.

Забивные сваи по материалу изготовления подразделяются 

на железобетонные, бетонные, металлические, деревянные и комбинированные [1–6]. Из них наиболее широкое распространение 
в строительстве получили железобетонные сваи.

Железобетонные сваи бывают цельными и составными. Цельные 

сваи изготовляются длиной до 20 м, а составные сваи — длиной 
до 48 м. В таблице 1.1 представлены основные разновидности 
сборных железобетонных свай [1].

Таблица 1.1
Основные разновидности сборных железобетонных свай

Вид сваи
Ширина или 
диаметр сваи, см
Длина 
сваи, м
Цельная свая квадратного сплошного сечения 
с ненапрягаемой арматурой

20–40
3–16

Цельная свая квадратного сплошного сечения 
с поперечным армированием ствола и напрягаемой арматурой

20–40
3–20

Цельная свая квадратного сплошного сечения 
без поперечного армирования ствола
25–30
5–12

Цельная свая квадратного сечения с круглой 
полостью
25–40
3–8

Цельная полая круглая свая,
свая-оболочка
40–60
80–160
4–18
6–12
Составная свая квадратного сплошного 
сечения с поперечным армированием ствола

30
35
40

14–20
14–24
14–28
Составная полая круглая свая,
свая-оболочка
40–60
80–160
14–48

Свая-колонна, квадратного сечения
20–40
5–16

Вид сваи
Ширина или 
диаметр сваи, см
Длина 
сваи, м
Свая-колонна, двухконсольная
20–30
5–7,5
Свая-колонна, полая круглая
40–80
5–18

Из таблицы 1.1 видно, что сваи различаются по армированию, 

форме и размерам. Ширина (диаметр) сваи в верхней части изменяется от 20 до 160 см.

Забивные железобетонные сваи обладают следующими преимуществами:

– высоким качеством изготовления, так как они изготовляются 

в заводских условиях с соблюдением стандартных технологических условий и режимов;

– размеры и прочность бетона свай не имеют существенных от
клонений от нормированных требований;

– погружение свай производится с уплотнением грунтов, а сле
довательно с повышением их прочностных характеристик;

– забивка свай осуществляется с помощью современных производительных сваебойных установок;

– сваи позволяют передавать на грунты большие вертикальные, 

горизонтальные и моментные нагрузки, так как, прорезая 
вышележащие слабые грунты, опираются или заглубляются 
в прочные напластования;

– применение свай сокращает продолжительность строи
тельства, повышает технологичность, экономичность и надежность зданий и сооружений.

1.2. СВАИ С РАЗЛИЧНОЙ ФОРМОЙ ПРОДОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

На ранней стадии применения свайных фундаментов в строи
тельстве (в начале 20-х годов XX века) использовались в основном 
сваи призматической формы с квадратным поперечным сечением. 
На современном этапе перечень свай, отличающих по форме продольного сечения, довольно широк. В целом забивные железобетонные сваи по форме продольного сечения подразделяются 
на следующие виды:

– призматические сваи [1, 3–5, 10–12];
– пирамидальные сваи [1, 2, 6–10];
– ромбовидные сваи [1, 2];
– полые круглые сваи [1, 3–5, 10–12];
– сваи-колонны [6, 12];
– сваи с уширением ствола [1, 6];
– винтовые сваи с металлическим башмаком [6];

Окончание таблицы 1.1

– сваи с шайбой [6];
– сваи с раскрывающимися наконечниками [6];
– плоскопрофилированные сваи [13–16];
– полые конические сваи [17, 18];
– бипирамидальные сваи [24];
– козловые сваи [19];
– пирамидально-призматические сваи [20, 21];
– многоэлементные сваи [22];
– сваи с пазами по боковой поверхности [23].
Призматические сваи. Призматические сваи изготовляют 

из бетона класса В15, В20, В25 и В30. Сваи выпускаются цельными и составными. Размеры сечений и длина свай представлены 
в таблице 1.2 [3].

Таблица 1.2
Размеры сечений и длина призматических свай

Длина свай, м
3–6
6–9
9–13
13–17
17–20
Размеры поперечного сечения, см
20×20
25×25
25×25
30×30
30×30
35×35
35×35
40×40
40×40
45×45

Цельные призматические сваи длиной от 3 до 6 м изготавли
вают с интервалом через 0,5 м, а свыше 6 м — через 1 м. Длину 
сваи назначают без учета высоты острия. Форма острия призматических свай принимается пирамидальной, но могут использоваться 
сваи и без острия. Призматические составные сваи применяются 
для возведения зданий и сооружений в слабых грунтах мощностью 
более 12 м в следующих случаях:

– при отсутствии условий для изготовления и транспортирования цельных свай;

– при стесненных условиях площадки строительства, не позволяющих использовать длинные цельные сваи;

– при отсутствии оборудования для погружения длинных 
цельных свай;

– при невозможности применения свай других конструкций.
Составные сваи преимущественно состоят из двух звеньев 

и соединяются между собой с помощью различных стыковых соединений. Существуют стаканные, коробчатые, сварные, болтовые 
и клеевые стыковые соединения составных свай [1, 5].

Пирамидальные сваи. Забивные пирамидальные сваи предло
жены в 1925 году. Сваи впервые применены на территории СССР 
при строительстве элеваторов, мостов, промышленных и гражданский зданий. Пирамидальные сваи в основном обладают малым 
углом коничности, равным 1–2°. Из пирамидальных свай возво

дятся одиночные, кустовые и ленточные однорядные свайные фундаменты [24].
В таблице 1.3 представлены марки, геометрические параметры 

и масса пирамидальных свай, получивших применение на стройках 
Украины [24].

Таблица 1.3
Марка, геометрические параметры и масса пирамидальных свай

Марка
сваи

Длина, м

Геометрические размеры

Объем сваи, м3

Площадь головы, м2

Площадь подошвы, 
м2

Площадь боковой 
поверхности, м2

Масса сваи, т

головы, см

подошвы, см

ПС-2–0,7
2,0
70×70
10×10
0,380
0,49
0,01
3,20
0,98
ПС-2–0,8
2,0
80×80
10×10
0,485
0,64
0,01
3,60
1,22
ПС-2,5–0,7
2,5
70×70
10×10
0,475
0,49
0,01
4,0
1,190
ПС-2,5–0,8
2,5
80×80
10×10
0,609
0,64
0,01
4,50
1,52
ПС-3,0–0,7
3,0
70×70
10×10
0,570
0,49
0,01
4,80
1,47
ПС-3,0–0,8
3,0
80×80
10×10
0,730
0,64
0,01
5,40
1,875
ПС-3,5–0,7
3,5
70×70
10×10
0,686
0,49
0,01
5,74
1,715
ПС-3,5–0,8
3,5
80×80
10×10
0,875
0,64
0,01
6,44
2,19
ПС-4,0–0,8
4,0
80×80
10×10
0,972
0,64
0,01
7,20
2,50
ПС-4,5–0,8
4,5
80×80
10×10
1,09
0,64
0,01
7,36
2,52
ПС-5,0–0,8
5,0
80×80
10×10
1,22
0,64
0,01
9,06
3,06
ПС-6,0–0,8
6,0
80×80
10×10
1,46
0,64
0,01
10,9
3,66

Как видно из таблицы, длина пирамидальных свай составляет 

2–6 м. В поперечном сечении сваи — квадратные с размерами головы 70 и 80 см, а размер подошвы равен 10 см.

На Украине только до 1975 года на пирамидальных сваях было 

возведено более 200 зданий различной этажности, в том числе 
157 девятиэтажных жилых домов, в различных грунтовых условиях 
[24]. Всего в грунты строительных площадок Украины было погружено молотами ударного действия около 60 тысяч свай. Все построенные здания нормально эксплуатируются (без развития неравномерных осадок), несмотря на то, что часть из них находится 
в условиях непрерывного подъема уровня подземных вод, а некоторые из них — в условиях полного обводнения.

В России предложены забивные пирамидальные сваи с не
сколько иными размерами, чем на Украине [5, 7]. Опытные сваи 
имели следующие геометрические параметры: размеры в головной 
части — 40×40 см: размеры в нижней части — 20×20 см; угол конусности — около 1°. Расход арматуры на 1 м3 бетона сваи длиной 6 м 
составил 66,9 кг. Длина свай составляла 3–8 м, и они изготовлялись 
из тяжелого бетона класса В15. Специалистами на основе опытной 
забивки было установлено, что пирамидальные сваи имеют следующие достоинства:

– обладают достаточной прочностью конструкции;
– бездефектно переносят погрузку, перевозку и подъем 

на копер за одну петлю;

– хорошо выдерживают удары молота (даже внецентренные 

удары) при отношении массы молота к массе сваи в пределах 
0,9–1,3.

Кроме того, выявлено, что отсутствие у свай острия не затруд
няет их забивку, а повышает точность погружения. При этом на погружение пирамидальных свай было затрачено в 2–3 раза больше 
количества ударов молота, чем на забивку призматических свай 
с круглой полостью. В целом производительность сваебойной установки при забивке пирамидальных свай снижалась на 10%.

Результаты исследований, изложенные в работах [5–7], свиде
тельствуют о том, что даже при малой коничности несущая способность пирамидальных свай повышается на 35–60% по сравнению 
с призматическими сваями равного объема. Увеличение же угла 
коничности пирамидальных свай до 12–13° ведет к увеличению несущей способности свай в 2,0–2,5 раза по сравнению с призматическими сваями равного объема.
Повышенное сопротивление пирамидальных свай действующим 
нагрузкам объясняется особыми условиями их совместной работы 
с грунтами основания. Так при забивке вокруг боковых граней пирамидальной сваи формируется уплотненная зона, которая по размерам и степени уплотненности выше, чем вокруг призматических 
свай. Передача нагрузки на грунты у пирамидальных свай происходит по большой площади боковой поверхности и давление от них 
на грунты незначительное от 0,7 до 1,5 кгс/см2, а у призматических 
свай, передача нагрузки происходит по меньшей площади и давление на грунты от них в 20–30 раз больше.

Ромбовидные сваи. Ромбовидные сваи изготовляются длиной 

4,5 и 6 м [6]. Поперечные размеры головы и подошвы сваи приняты 
равным 30×30 см, а размеры сечения ствола на расстоянии 2,0 м 
от головы составляют 50×30 см (участок сваи с наибольшим уширением). Ромбовидные сваи бетонируются, как и призматические 
сваи в горизонтальных формах. Арматурный каркас ромбовидных