Введение

Когда поверхностный грунт недостаточно прочен, чтобы выдержать огромные нагрузки тяжелых конструкций, таких как небоскребы, мосты или морские терминалы, инженерам приходится спускаться в мир глубоких фундаментов. Сваи из стальных труб является ведущим решением в этой области, в котором высокопрочная стальная геометрия проникает через мягкие, сжимаемые слои грунта и передает конструктивную нагрузку на прочные коренные породы или несущие слои, находящиеся в нескольких метрах под землей. В этом руководстве для инженеров анализируются сваи из стальных труб, рассматривается геотехническая механика передачи нагрузки (трение в сравнении с торцевой опорой) и разбираются наиболее важные спецификации ASTM A252, чтобы инженеры могли правильно выбрать материалы для безопасных, надежных фундаментов.

Как это работает

Что такое сваи из стальных труб Для неспециалиста сваи из стальных труб кажутся просто полой трубой, которая вбивается в грунт; однако эта труба является частью сложного механизма передачи силы. Стальная труба действует как геотехническая структурная колонна. Мощность сваи определяется взаимодействием стальной поверхности с грунтом вокруг нее.

Существует два основных механизма, с помощью которых сваи из стальных труб передают нагрузку от надстройки на грунт:

1. Концевые несущие сваи (механизм “колонна”)

В этом случае свая из стальных труб работает как настоящая колонна. Свая проталкивается через слои мягкого, рыхлого или неустойчивого грунта, пока ее наконечник не упрется в слой твердой коренной породы или не окажется в очень плотном грунте.

· Передача груза: Вся нагрузка от конструкции передается вертикально через стенки стальной трубы непосредственно на этот твердый слой.

· Инженерная направленность: Определяющим фактором является способность стали нести нагрузку и выдерживать силу сжатия горной породы. Труба должна быть достаточно жесткой, чтобы не прогибаться под нагрузкой от стоящего на ней здания.

передача нагрузки на сваи из стальных труб через концевой подшипник в сравнении с трением.

 

2. Фрикционные сваи (механизм “захвата”)

Часто коренные породы залегают слишком далеко, чтобы их можно было экономически выгодно достать. В таких ситуациях инженеры прибегают к использованию фрикционных свай. Эти сваи не опираются на твердое основание для передачи нагрузки, а развивают трение кожи о поверхность сваи и окружающий грунт.

· Передача груза: Когда свая забивается в грунт, почва оказывает давление на стенки трубы. Это вызывает трение (иногда называемое ”трением кожи”) по всей длине сваи. Сумма трения является той, которая поддерживает конструкцию.

· Преимущество SSAW: Именно здесь имеет значение стиль производства. Трубы SSAW (Spiral Submerged Arc Welded) часто являются лучшим выбором для фрикционных свай. Спиральный сварной шов трубы SSAW создает небольшой внешний гребень или выступ. Эта шероховатость на поверхности трубы увеличивает сцепление грунта со сталью и коэффициент трения по сравнению с идеально гладкой трубой.

Спецификация ASTM A252

While API 5L is fluid transport’s bible, ASTM A252 (“Standard Specification for Welded and Seamless Steel Pipe Piles”) is the deep foundation industry’s law. Understanding of difference between ASTM A252andAPI5L is essential for any purchasing engineer to save him from liability and loss of money.

Основная философия: Структура против давления

Принципиальное различие заключается в предназначении.

· API 5L (Линейная труба): Предназначен для удержания внутреннего давления. Он требует строгих испытаний на герметичность (гидростатические испытания) и прочность, чтобы предотвратить разрыв.

· ASTM A252 (Piling Pipe): Предназначен для восприятия внешних структурных нагрузок. В этом случае труба рассматривается как элемент конструкции (как балка или колонна). Поэтому, Стандарт ASTM A252 НЕ требует проведения гидростатических испытаний. Указание гидроиспытаний для свайных труб - распространенная ошибка “copy-paste” при закупках, которая приводит к лишним затратам без увеличения конструктивной ценности.

Градации стали: Почему класс 3 является стандартом

ASTM A252 определяет три класса в зависимости от предела текучести.

· 1 класс: 30 000 фунтов на квадратный дюйм (сегодня используется редко).

· 2 класс: 35 000 фунтов на кв. дюйм (обычное явление для небольших общестроительных работ).

· 3 класс: 45 000 фунтов на квадратный дюйм (промышленный стандарт).

Почему ASTM A252 Grade 3 доминирует: Для современной тяжелой инфраструктуры по умолчанию используется ASTM A252Grade3. Причина - определенное соотношение прочности и веса. Используя сталь Grade 3 (минимальный предел текучести которой составляет 45 000 фунтов на кв. дюйм), инженеры могут достичь необходимой осевой нагрузки при меньшей толщине стенки.

- Пример: Чтобы выдержать нагрузку в 500 тонн, свая класса 2 может потребовать стенки толщиной 20 мм. Для сваи класса 3 может потребоваться стенка толщиной 16 мм.

· Результат: Значительная экономия общего тоннажа стали, транспортных расходов и сварочных материалов без ущерба для целостности конструкции.

Открытые и закрытые

От формы наконечника сваи зависит ее сцепление с грунтом. При заказе свай из стальных труб для глубоких фундаментов у инженеров есть два основных варианта: открытые и закрытые конструкции.

1. Трубчатые сваи с открытым концом

Как следует из названия, нижняя часть трубы остается открытой.

· Механика установки: Грунт попадает в трубу по мере ее забивания. Свая углубляется, и грунт внутри нее образует “почвенную пробку”. Со временем эта пробка сжимается до такой степени, что ведет себя как твердое дно, но при первоначальной забивке она позволяет свае проникать через более сложные слои грунта быстрее, чем закрытая свая.

· Лучшее применение: Используется, когда свая должна проникать в плотные слои грунта, чтобы достичь глубоких коренных пород, или для морских платформ (например, для опор), где свая должна уходить очень глубоко.

2. Трубные сваи с закрытым концом

Дно трубы уплотняется, обычно плоской стальной пластиной или специализированным коническим острием.

· Механика установки: Свая представляет собой так называемую “вытесняющую сваю”. При забивании она смещает грунт в стороны, уплотняя его вокруг себя и повышая сопротивление трению. Она действует как полноценная несущая колонна.

· Лучшее применение: Используется в рыхлых песках или мягких глинах, где повышение плотности грунта полезно, или там, где свая опирается непосредственно на камень.

Возможности Олланда: Стандартные трубные заводы не продают гладкие концы. Но Allland, как специализированный производитель свай, предоставляет полный спектр услуг по изготовлению. Мы также можем предварительно сварить высокопрочные конические острия (для проникновения в породу) или плоские пластины (для сдвига грунта) прямо на нашем заводе. Мы также привариваем Pile Shoes (кольца жесткости) к наконечнику трубы, чтобы избежать смятия при ударе о твердую породу, что значительно экономит время и энергию на строительной площадке.

Почему SSAW доминирует в производстве свай

Хотя Труба LSAW is the choice for very high pressure applications, when it comes to piling, SSAW pipe for piling (Spiral Submerged Arc Welded) holds the largest market share. It’s not just  a question of cost; it’s a question of geometry and physics.

1. Возможности диаметра (фактор перемычки)

Глубокие фундаменты должны быть очень большого диаметра. Мостовые перемычки, сваи-дельфины для портов, а также фундаменты ветряных турбин могут требовать труб диаметром 80, 100 и даже 120 дюймов.

· Ограничение LSAW: LSAW ограничена шириной стального листа (обычно максимальная ширина составляет 56-60 дюймов).

· Преимущество SSAW: SSAW изготавливается из стальной спирали. Изменяя угол спирали, из спирали нормальной ширины можно сформировать трубу довольно большого диаметра. Allland может производить SSAW трубы для свай диаметром до 3000 мм (118 дюймов), что дает им уникальную возможность для крупных океанских сооружений.

2. Неограниченная длина (без сращивания полей)

Нередки случаи, когда сваи приходится забивать на 50 м и более Стандартные трубы имеют длину 12 м, и для их соединения требуется сварка в полевых условиях, что дорого и опасно.

· Преимущество SSAW: Труба SSAW может быть изготовлена любой длины, которую можно транспортировать, поскольку она формируется из непрерывного рулона.Allland поставляет трубы для забивки свай длиной до 30 метров (100 футов) и более. Это значительно сокращает количество необходимых сращиваний в полевых условиях, что приводит к ускорению сроков реализации проекта и повышению общей целостности свайной колонны.

3. Структурная целостность (эффект “обруча”)

В процессе забивки свая подвергается огромному воздействию ударной энергии от сваебойного молота.

· Преимущество SSAW: Спиральный сварной шов опоясывает трубу, как бинт или пружина. При забивании сваи спиральный шов играет роль выравнивания напряжений и сопротивления распространению трещин. Он действует как “кольцевое усиление”, что делает трубу чрезвычайно устойчивой к раскалыванию даже в тяжелых условиях эксплуатации.

Заключение

Сваи из стальных труб составляют основу современного геотехнического строительства, и их эксплуатационные характеристики во многом зависят от соответствия стандарту ASTM A252 и знания механизмов передачи нагрузки. Будучи профессиональным производителем свайных труб ASTM A252 Grade 3, компания Allland способна изготавливать сваи SSAW и LSAW сверхбольшого диаметра и высокопрочные сваи с индивидуальной обработкой концов, такой как сращивание и свайные башмаки, чтобы стать идеальным техническим партнером для вашего следующего крупного проекта глубокого фундамента.

ЧАВО

Q1: Можно ли использовать трубы ASTM A252 для транспортировки воды?

A1: Не рекомендуется. Стандарт ASTM A252 является структурным. Однако он не требует проведения гидростатических испытаний для проверки герметичности труб, как API 5L или ASTM A53. Если вы не хотите проводить дополнительные гидроиспытания во время покупки, то каждая труба A252 имеет гарантию только на структурную поддержку, а не на удержание жидкости.

Вопрос 2: В чем разница между свайными трубами 2 и 3 класса?

A2: Единственное существенное различие - это предел текучести. ASTM A252 Grade 2 имеет минимальный предел текучести 35000 psi (240 Mpa), а Grade 3 имеет минимальный предел текучести 45000psi (310 Mpa). При переходе на класс 3 прочность увеличивается примерно на 30%. Это позволяет инженерам либо проектировать сваи, способные выдерживать значительно большие нагрузки, либо использовать меньшую толщину стенки при той же мощности и прочности, что делает класс 3 наиболее экономичным вариантом для проектов большого размера.

Вопрос 3: Почему SSAW лучше для свай, чем LSAW?

A3: SSAW предпочтительнее по двум основным причинам: Размеры и стоимость. Благодаря более высокой производительности технологии SSAW могут быть предложены гораздо большие диаметры (максимум 100 дюймов+) и большая длина (до 30 метров+), чем у LSAW, что сводит к минимуму дорогостоящую сварку в полевых условиях. Кроме того, непрерывный спиральный процесс более эффективен, имеет более низкую стоимость тонны и высокую радиальную прочность (“прочность обруча”), чтобы противостоять нагрузкам при движении.