Оценка влияния параметров свай и штампов на их погружаемость и несущую способность фундаментных конструкций

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Таразский государственный университет имени М.Х. Дулати

И.И. БЕКБАСАРОВ
Г.И. ИСАКОВ
А. АМАНБАЙ

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ 

ПАРАМЕТРОВ СВАЙ И ШТАМПОВ 

НА ИХ ПОГРУЖАЕМОСТЬ 

И НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ 

ФУНДАМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Монография

Москва

ИНФРА-М

2019

УДК 624.155(075.4)
ББК 38.654.1

Б42

Рекомендовано к изданию решением Ученого совета 
ТарГУ имени М.Х. Дулати (протокол № 9 25.03.2014)

Р е ц е н з е н т ы :   

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

«Сенімділік»;

Байтемиров М.Н. — кандидат технических наук, доцент ТарТИ;
Шилибеков С.К. — кандидат технических наук, доцент ТарГУ 

имени М.Х. Дулати

Бекбасаров И.И.

Б42
Оценка 
влияния 
параметров 
свай 
и 
штампов 
на 
их 

погружаемость и несущую способность фундаментных конструкций : 
монография / И.И. Бекбасаров, Г.И. Исаков, А. Аманбай. — Москва : 
ИНФРА-М, 2019. — 146 с. — (Научная мысль).
ISBN 978-5-16-108370-3 (online)

В
монографии 
изложены 
результаты 
экспериментальных 

исследований, проведенных в лабораторных условиях с применением
моделей свай и ленточных штампов.

Произведена оценка влияния размеров поперечного сечения, 

длины, формы ствола и острия свай на их погружаемость, 
энергоемкость забивки и несущую способность. Разработан метод
определения несущей способности модели сваи по результатам 
динамических испытаний. 

Выполнена оценка влияния формы ленточных штампов на их 

погружаемость, энергоемкость забивки
и несущую способность 

фундаментов, 
устраиваемых 
в 
выштампованных 
 
котлованах. 

Представлен
метод
определения 
несущей 
способности 
модели 

ленточного фундамента по результатам выштамповывания котлована. 

Рекомендовано для научных работников, специалистов про
ектных и строительных организаций, докторантов, аспирантов, магистрантов и студентов строительных специальностей.

УДК 624.155(075.4)

ББК
38.654.1

ISBN 978-5-16-108370-3 (online)
©  Бекбасаров И.И., Исаков Г.И.,

Аманбай А., 2019

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
5

Глава 1
Забивные железобетонные сваи и их сравнительная 
эффективность
7

1.1  
Виды, размеры и преимущества свай
7

1.2  
Сваи с различной формой продольного сечения 
8

1.3  
Сваи с различной формой поперечного сечения 
23

1.4  
Влияние формы и размеров свай на их погружаемость и 
несущую способность 
27

Глава 2
Лабораторное оборудование, характеристики грунта и 
методика выполнения экспериментов
31

2.1
Грунтовый лоток и навесное оборудование
31

2.2
Физические характеристики грунта
34

2.3
Модели свай и их параметры
36

2.4
Методика проведения экспериментов
38

Глава 3
Оценка влияния геометрических параметров свай на их 
погружаемость и несущую способность
40

3.1
Метод определения несущей способности моделей свай 
по результатам их динамических испытаний
40

3.2  
Влияние длины свай  
48

3.3  
Влияние площади поперечного сечения свай
56

3.4  
Влияние формы острия свай
66

3.5  
Влияние продольной формы свай
70

3.6
Рекомендации 
по 
использованию 
результатов 

исследований
75

Глава 4
Особенности устройства и эффективность фундаментов, 
возводимых путем вытеснения грунта
81

4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7

Погружение забивных свай
Устройство фудаментов из забивных блоков
Вытрамбовывание котлованов под фундаменты 
Устройства свай в выштампованных ложах
Устройство свай в пробитых скважинах
Устройство комбинированных свайных фундаментов
Выштамповывание 
котлованов 
и 
траншей 
под 

фундаменты

81
85
87
89
90
91

91

Глава 5
Модели
штампов, характеристики грунта и методика 

проведения экспериментов
94

5.1
5.2
5.3

Модели ленточных штампов и их параметры
Физические характеристики грунта 
Методика проведения экспериментов

94
99
102

Глава 6
Оценка влияния формы штампов на их погружаемость и 
несущую способность фундаментов в выштампованных 
котлованах
104

6.1

6.2
6.3
6.4

Метод определения несущей способности фундаментов 
по результатам выштамповывания их котлованов
Влияние формы поперечного сечения штампов 
Влияние формы продольного сечения штампов
Рекомендации 
по 
использованию 
результатов 

исследований

104
114
125

131

Литература
136

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. 

Известно, что форма и размеры свай оказывают влияние на 

процесс 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 свайного фундаментостроения включает в себя 

научные исследования, посвященные поиску, разработке и изучению
оптимальных конструкций свай при которых обеспечивается снижение 
материальных и трудовых затрат, а также 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 работе различных свай специалистами не дана. Применительно 
к Казахстану, следует отметить, что подобные исследования, проведенные на территории страны, в настоящее время отсутствуют. 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. 
Перечисленные 
фундаменты 
имеют 
ряд 

неоспоримых преимуществ 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. Несомненно, эти положительные факторы 
вызываю уменьшение размеров фундаментов, а, следовательно, и 
сокращение себестоимости, трудоемкости и продолжительности работ.

Среди рассматриваемых фундаментов, устраиваемых с вытесне
нием 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 под фундаменты.

Несомненно, рассмотренные обстоятельства не лучшим образом 

сказываются на развитии отечественного фундаментостроения, так как 
проектировщики не имеют рекомендаций, позволяющих им обоснованно выбирать форму и размеры забивных свай и штампов из 
существующего набора конструкций. 

Изложенные доводы свидетельствуют об актуальности тематики 

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 нами не случайно, а 

целенаправленно, в связи с перспективностью его использования для 
прогноза несущей способности натурных фундаментов. В настоящее 
время разработаны и апробированы методы, позволяющие производить 
расчет несущей способности натурных фундаментов по результатам 
статических испытаний их моделей. Для 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, позволяет убыстрить процесс прогноза несущей 
способности натурных фундаментов.

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, металлические, деревянные и комбинированные [16]. Из них наиболее широкое распространенное 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

1
2
3

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

Продолжение таблицы 1.1

1
2
3

Составная полая круглая свая, 
свая оболочка

40-60, 
80-160
14-48

Свая – колонна квадратного сечения
20-40
5-16

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 
отклонений от нормированных требований;

погружение свай производится с уплотнением грунтов, а, 
следовательно, 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 снижает продолжительность строительства, 

повышает технологичность, экономичность и надежность зданий и 
сооружений.

1.2. Сваи с различной формой продольного сечения

На 
ранней 
стадии 
применения 
свайных 
фундаментов 
в 

строительстве (в начале 20-тых годов 20 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 [1,3-5,10-12];

пирамидальные [1,2,6-10];

ромбовидные [1,2];

полые круглые [1,3-5, 10-12];

сваи-колонны [6,12]; 

сваи с уширением ствола [1, 6];

винтовые с металлическим башмаком [6];

с шайбой [6];

с раскрывающимися наконечниками [6];

плоскопрофилированные [13-16];

полые конические [17,18];

бипирамидальные [8];

козловые [19];

пирамидально-призматические [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

20х20
25х25

25х25
30х30

30х30
35х35

35х35
40х40

40х40
45х45

Цельные призматические сваи длинной от 3 до 6 м изготавливают 

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 

предложены в 1925 году и получили применение в бывшем СССР при 
строительстве элеваторов, мостов, промышленных и гражданский 
зданий. Пирамидальные сваи обладают малым углом коничности, 
равным 
1-2°. 
Из 
пирамидальных 
свай 
возводятся 
ленточные 

однорядные, кустовые и одиночные свайные фундаменты [24].

В таблице 1.3 представлены марки, геометрические характерис
тики и масса пирамидальных свай, получивших применение на 
стройках Украины [24].

Таблица 1.3

Марка, геометрические параметры и вес 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
70х70
10х10
0,380
0,49
0,01
3,20
0,98

ПС-2-0,8
2,0
80х80
10х10
0,485
0,64
0,01
3,60
1,22

ПС-2,5-0,7
2,5
70х70
10х10
0,475
0,49
0,01
4,0
1,190

ПС-2,5-0,8
2,5
80х80
10х10
0,609
0,64
0,01
4,50
1,52

ПС-3,0-0,7
3,0
70х70
10х10
0,570
0,49
0,01
4,80
1,47

ПС-3,0-0,8
3,0
80х80
10х10
0,730
0,64
0,01
5,40
1,875

ПС-3,5-0,7
3,5
70х70
10х10
0,686
0,49
0,01
5,74
1,715

ПС-3,5-0,8
3,5
80х80
10х10
0,875
0,64
0,01
6,44
2,19

ПС-4,0-0,8
4,0
80х80
10х10
0,972
0,64
0,01
7,20
2,50

ПС-4,5-0,8
4,5
80х80
10х10
1,09
0,64
0,01
7,36
2,52

ПС-5,0-0,8
5,0
80х80
10х10
1,22
0,64
0,01
9,06
3,06

ПС-6,0-0,8
6,0
80х80
10х10
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 несколько 

иными размерами, чем на Украине [5,7]. Изготовленные и испытанные пирамидальные сваи имели размеры в головной части 40х40 см, в 
нижней части – 20х20 см, а 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:
обладают достаточной прочностью конструкции;

бездефектно переносят погрузку, перевозку и подъем на копер за 
одну петлю;

хорошо выдерживают удары молота (даже внецентренные) при 
соотношении массы молота к массе сваи в пределах 0,9-1,3.
Кроме того выявлено, что отсутствие у свай острия не затрудняет 

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]

свидетельствуют 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 30х30 см, а размеры сечения ствола на расстоянии 2,0 м от 
головы составляют 50х30 см (участок сваи с наибольшим уширением). 
Ромбовидные сваи бетонируются, как и призматические сваи в 
горизонтальных формах. Арматурный каркас ромбовидных свай 
изготовляют прямоугольной формы, что позволяет использовать для 
их выпуска ту же технологию и тоже оборудование, которое 
применяется для обычных призматических свай. Таким образом, 
выпуск ромбовидных свай не сопровождается дополнительными 
затратами труда и времени. Погружение ромбовидных свай в грунты 
также осуществляется сваебойным оборудованием, используемым для 
погружения призматических свай.

Ромбовидные сваи наиболее эффективны в пучинистых грунтах. 

В указанных грунтах ромбовидную сваю забивают таким образом, 
чтобы участок с наибольшим уширением ствола располагалась на 
нижней границе промерзания грунта. В связи с этим длину участка 
сваи выше наибольшего уширения ствола следует принимать не 
меньше расчетной глубины промерзания грунта. После забивки 
пространство между боковыми гранями сваи и стенками полости 
(образованной уширением сваи) заполняют грунтом. 

В отличие от призматической сваи при забивке ромбовидной сваи 

происходит большое уплотнение грунт вокруг ее нижних наклонных 
граней. Благодаря продольной форме на ромбовидную сваю можно 
передавать большие вертикальные и горизонтальные нагрузки, чем на 
призматическую сваю, при их равной длине или одинаковых объемах. 
Следовательно, при одинаковой несущей способности в одних и тех 
же грунтовых условиях длина ромбовидной сваи может приниматься 
меньшей, чем у призматической сваи. 

Полые круглые сваи. Полые круглые сваи в зависимости от 

размера наружного диаметра ствола подразделяются на следующие 
виды [1, 6]:
трубчатые (диаметром 80 см и меньше); 

сваи – оболочки (диаметром свыше 80 см).
Трубчатые сваи изготавливают методом центрифугирования в 

заводских условиях из тяжелого бетона класса не ниже В30. Сваи 
изготовляются в виде отдельных секций длиной 4-8 м с толщиной 
стенок 8-12 см. В последующем секции свай соединяются между собой 
при помощи болтовых или сварных соединений. Болтовой стык 
применяется в основном только в тех случаях, когда наращивание свай 
осуществляется в полевых условиях, после забивки их нижних секций.