История свайного фундаментостроения

Простейшие опоры из деревянных свай применяли в древности для постройки примитивных жилищ и мостиков, которые были расположены на постоянно подтапливаемых территориях. Сваи применяли более двух тысяч лет назад для деревянных балочных мостов через реки Тибр и Рейн. В последующие исторические периоды деревянные сваи применяли для устройства фундаментов деревянных и каменных арочных мостов.

В фундаментах каменных мостов первоначально сваи использовали для уплотнения грунтов с целью подготовки основания и увеличения его несущей способности, затем - в качестве несущих элементов, передающих нагрузку от плиты фундамента на грунт. Плиту фундаментов, которя погружалась под воду, сооружали под защитой деревянных водонепроницаемых ящиков или деревянного шпунта.

Деревянные сваи для уплотнения основания были применены при строительстве фундаментов моста через р. Луару во Франции в 1753-1764 гг. Забитые сваи срезали ниже уровня воды. На верх­нюю часть (голову) свай каждого фундамента опускали водоне­проницаемый ящик с брусчатым дном, под защитой которого насухо возводили каменную кладку опор. Аналогичным способом построены в 1842-1850 гг. свайные фундаменты (рис. 1,а) бывшего Николаевского моста через р. Неву. Сваи забили на глубину 7,5 м и срезали на 4,3 м выше дна реки.

Свайные фундаменты построенного в 1822-1829 гг. моста че­рез р. Нарву возводили в котлованах, огражденных деревянным шпунтом.

До середины прошлого столетия сваи забивали ручными и подвесными молотами простейших конструкций. Первый паровой молот изобрел Д. Несмит (Англия) в 1845 г. Этот молот одиночного действия имел ударную часть весом 2 тс, ход поршня 0,41 м, частоту ударов 70-80 в мин. В 1889 г. конструкцию его усовершенствовал русский инженер С. Арциш. В конце XIX в. в США появились паровые молоты двойного действия. Одновременно улучшались и конструкции копров. Появление паровых молотов, копров и применение с 1852г. подмыва для облегчения погружения свай способствовали резкому повышению эффективности сваебойных работ.

По мере совершенствования технологии работ увеличивали размеры свай. Если до середины XIX в. длина деревянных свай редко превышала 20 м, то для фундаментов моста через р. Луару в Нанте, построенного в 1856 г., использовали сваи длиной 30 м, а для построенного в 1907 г. моста через залив в Сан-Франциско применили сваи диаметром 40 см и длиной до 36 м. В отечественном мостостроении применяли составные деревянные сваи длиной до 36 м.

Развитию свайного фундаментостроения способствовало применение с 1897г. железобетонных, а с начала XX в. стальных свай.

Железобетонные сваи сплошного сечения начали вытеснять деревянные. Так, для опор построенного в 1927-1929 гг. моста длиной 13,2 км через бухту в Сан-Франциско применили железобетонные сваи сечением от 38х38 до 48х62,4 см при длине от 13,5 до 31,5 м.
В дальнейшем сваи сплошного сечения, имеющие большую массу, заменяли более легкими (полыми) квадратного, а позднее трубчатого сечения. Наряду с железобетонными начали широко применять стальные сваи с поперечным сечением разной формы.
Увеличение поперечного сечения и длины свай способствовало изменению конструкций фундаментов. Взамен фундаментов из вертикальных свай с плитой, расположенной в грунте, начали применять фундаменты из наклонных свай с плитой над грунтом, Опоры с такими сваями впервые построили в России в 1913г. по проекту Н. М. Герсеванова для углеперегружателя в Петербурге. Опоры нормально эксплуатировались более 40 лет и только в 1955 г. их реконструировали.

В 1920 г. немецкая фирма предложила аналогичные опоры для моста длиной 655 м (соединяющего Стокгольм с Лидинго) через пролив глубиной 20 м. В месте сооружения опор на глубине до 40 м залегает галечник, прикрытый слоем пластичных глин. Каждая из опор под пролетные строения длиной 49,5 м состоит из двух вертикальных и восьми наклонных свай-оболочек диаметром 93 см со стенкой толщиной 8,5 см и длиной до 45 м (рис. 3). Мост построен в 1922-1923 гг.

С первой половины XIX в. наряду с деревянными забивными начали применять винтовые сваи. Винтовые сваи фундамента маяка, построенного в 1838 г. в Англии, имели деревянный ствол с чугунным наконечником. В дальнейшем деревянный ствол свай стали заменять стальным. В середине прошлого столетия применяли сваи со стволом диаметром от 12,5 до 21 см и винтовой ло­пастью диаметром 30-70 см.

В России винтовые сваи впервые применили в конце прошлого столетия для фундаментов мостов на дороге Самтредиа - Поти. Сваи состоят из стальной трубы диаметром 20 см с лопастью диа­метром 100 см.

В Китае с применением винтовых свай диаметром 35 см и чугунной лопастью диаметром 120 см иностранными фирмами в начале XX в. построены опоры моста длиной 3 км через р. Хуанхе и других мостов.

С началом внедрения бетона в строительство русский инженер Страус в 1899г. предложил принципиально новый тип свай, бетонируемых в предварительно устраиваемых в грунте скважинах. С течением времени сваи этого типа улучшали и к настоящему времени известно много конструкций и методов устройства свай в грунте. Коренным усовершенствованием явились буровые сваи с уширенным основанием, сооружаемые оборудованием вращательного действия, предложенным в 1950 г. проф. Е. Л. Хлебниковым.

С 1956 г. в отечественном и зарубежном мостостроении начали широко применять фундаменты из сборных железобетонных свай-оболочек.
Анализируя развитие отечественной и зарубежной техники фундаментостроения, можно видеть, что успех в отработке и внедрении более совершенных и экономичных конструкций во многом зависит от эффективности применяемого технологического оборудования по изготовлению и заглублению несущих элементов в грунт. Применение паровоздушных молотов взамен ручных и подвесных значительно повысило производительность труда и обеспечило возможность применения тяжелых свай большой длины и сечения, в том числе железобетонных и стальных. Создание грунторазрабатывающего и, в первую очередь, бурового оборудования способствовало внедрению буровых свай. За разработкой в СССР (впервые в мире) мощных вибропогружателей последо­вало широкое внедрение сборных железобетонных оболочек большого диаметра.

Известно, что в общем комплексе работ по сооружению мостов возведение фундаментов до сих пор остается трудоемким, длительным и дорогостоящим процессом, на который приходится 30-60% затрат труда и стоимости мостов. Сложность строительства фундаментов мостов оценивается не только экономическими показателями. Есть целый перечень специфических трудностей, свойственных фундаментостроению:

• большая разница в прочностных свойствах материалов фундаментов и грунтов основания (за исключением скальных) осложняет выбор оптимальной конструкции в каждом конкретном случае проектирования фундаментов; 
• из-за сложностей и связанных с этим погрешностей в проведении инженерно-геологических исследований и в оценке полученных результатов в ряде случаев приходится вносить коррективы в проекты фундаментов в процессе их возведения; 
• необходимость прекращения работ по сооружению фундаментов русловых опор мостов на период ледохода, а также необходимость осуществления мер по защите возводимых фундаментов и вспомогательных временных сооружений от воздействия ледохода и паводка; 
• опасные и вредные для здоровья условия работы в кессонах; 
• вследствие многообразия геологических условий затрудняется внедрение типовых конструкций для больших и внеклассных мостов.