1 5 Vaivundamendid Vaivundamente kasutatakse juhtudel, kui tavalise madalvundamendiga ei ole võimalik tagada piisavat kandevõimet või osutub madalvundamendi vajum liialt suureks. Mõnedel juhtudel võimaldab vaivundamendi kasutamine kergemalt lahendada vundamendi rajamise tehnoloogilisi probleeme. Näiteks kõrge pinnasevee taseme korral saab vältida kaeviku rajamist allapoole pinnasevee taset. Reeglina koosneb vaivundament vaiadest, mis läbivad nõrku pinnasekihte ning kannavad koormuse sügavamal asuvatele tugevamatele kihtidele ja rostvärgist, mis võtab vahetult vastu ehitise osadelt tuleva koormuse ja jaotab selle vaiadele. Vaivundament koosneb vaiadest ja rostvärgist. Vaiade ülesanne on kanda koormus läbi väikese tugevuse ja jäikusega pinnasekihtide sügavamal asetsevatele tugevamatele pinnastele. Rostvärgi ülesanne on jaotada ehitiselt seintelt ja postidelt tulevad koormused vaiadele. 5.1 Vaivundamentide liigid Kuju järgi võib vaivundamente liigitada üksik-, lint- ja lausvundamendiks. Üksikvundamente (joonis 5.1b)kasutatakse peamiselt ehitise postide all. Vaiade arv üksikvundamendis on tavaliselt 3 kuni 16. Suurem vaiade arv põhjustab liialt suure rostvärgi. Väga suure a) b) c) Joonis 5.1. Vaivundamentide liigid. a) lint; b) vaiarühm posti all; c) üksikvai posti all. Joonis 5.2 Kõrgrostvärgiga vaivundament koormuse puhul postile, mis tingib suurema vaiade hulga, tuleks kasutada pikemaid ning suurema läbimõõduga vaiu. Erandjuhtudel kasutatakse postide koormuse vastuvõtmiseks ka ühte (joonis 5.1c) või kahte vaia. Seintelt tuleva koormuse vastuvõtmiseks kasutatakse ühe või mitmerealise vaiade paigutusega ühes suunas arendatud vaivundamenti (joonis 5.1a). Otstarbekas on üherealine vaiade asetus seina all. Võrreldes mitmerealise asetusega on sellisel juhul rostvärgi maht oluliselt väiksem. Suuremate koormuste puhul tuleb kasutada siiski ka mitmerealist asetust. Vaiadest lausvundamenti ehk vaiavälja kasutatakse väga suure koormusega ehitiste all ja ka suure pinnaga ühtlast koormust andvate ehitise, näiteks reservuaaride puhul. Rostvärgi asendi järgi jaotatakse vaivundamendid kõrge ja madala rostvärgiga vundamentideks. Madalrostvärgi alumine pind on maapinnast sügavamal.
2 Kõrgrostvärgi korral asub rostvärk maapinnast kõrgemal (joonis 5.2). Vaiade ülemised otsad ulatuvad üle maapinna ja moodustavad pinnasesse kinnitatud postide süsteemi. Kõrgrostvärke kasutatakse sageli sillavundamentide puhul. 5.2 Vaiade liigid Vaiu liigitatakse mitmesuguste tunnuste järgi: materjal, kuju, asend, valmistamisviis ja koormuse pinnasele ülekandmise iseloom. 5.2.1 Vaiade liigitus materjali järgi Tänapäeval valmistatakse vaiad valdavalt raudbetoonist. Juhul kui vaiale mõjub ainult survejõud, kasutatakse ka armeerimata betoonvaiu või osaliselt armeeritud vaiu. Järjest laieneb terasvaiade kasutamine. Puitvaiade, mis enne raudbetooni leiutamist olid ainuvõimalik vaia materjal, kasutamine on tunduvalt vähenenud. 5.2.2 Vaiade liigitus valmistamisviisi järgi Valmistamisviisi järgi jaotatakse vaiad kahte suurde gruppi. 1. Valmisvaiad, mis valmistatakse eelnevalt maapeal ja seejärel süvistatakse rammimise, vibreerimise, kruvimise või surumise teel pinnasesse. Enimlevinud süvistusviisi järgi nimetatakse neid ka rammvaiadeks. 2. Vaiad, mis betoneeritakse vahetult pinnasesse tehtud süvendisse. Selliseid vaiu nimetatakse kohtvaiadeks. 5.2.3 Raudbetoonist valmisvaiad Enamlevinud raudbetoonist valmisvaiad valmistatakse pikisuunas ühtlase ruudukujulise ristlõikega 200x200 mm kuni 450x450 mm ja pikkusega kuni 20m. Pikemate vaiade kasutamist piiravad raskused transpordil, nõtkekindlus Joonis 5.4 Spiraalse põikiarmatuuri ja tömbi otsaga vai rammimise algul ja omakaal. Eestis on enamlevinud 300x300 vaiad pikkusega kuni 16 m Armeeritakse 4 (ka 8) pikivardaga või pingebetoonist vaiade korral ühe pingevarda või pingevarraste kimbuga vaia ristlõike Joonis 5.3 keskel. Pingebetoonist vaiadel ei ole vajalik põikiarmatuur. Raudbetooni Vajalikud on siiski tugevdusvõrgud vaia otstes. Armatuuri hulk st valmisvai määratakse lähtudes vaia transpordil horisontaalasendis või vaia tõstmisel tekkivast omakaalust põhjustatud paindemomendist. Vertikaaljõudu on kasulikum vastu võtta betooniga. Vaia kui
3 raudbetoonelemendi kandevõime arvutamisel muidugi armatuuri poolt vastuvõetavat jõudu arvestatakse. Horisontaaljõuga koormatud vaia puhul võib olla vajalik armatuuri hulga suurendamine võrreldes omakaalust tingitud momendi jaoks vajaliku armatuuri ristlõikega. Põikiarmatuuriks võivad olla rangid või spiraalarmatuur (joonis 5.4) läbimõõduga 4 8 mm. Põikiarmatuuri samm vaia tüves ei tohiks olla väiksem vaiakülje mõõdust. Vaia pea ja jalaosas peab põikarmatuuri samm olema väiksem 50 kuni 100 mm. Vaia pea on otstarbekas täiendavalt tugevdada traadist võrkudega. Vaia alumine ots vaia põhi tehakse kas tasapinnaline või püramiidne. Vaiapõhja kaitseks kasutatakse mitmesuguse konstruktsiooniga vaiakingi. Juhul, kui vaia põhi toetub kaljule, Joonis 5.5 Kaljuotsik peaks kasutama erilist kaljuotsikut (joonis 5.5). Püramiidse vaia põhja puhul koondatakse pikiarmatuur kokkukeevitatud kimbuks, mis ulatub vaia põhjast välja (joonis 5.3). 5.2.3.1 Liitvaiad Geoloogilised tingimused nõuavad mõnikord pikemate vaiade kasutamist, kui seda võimaldab ühest tükist valmisvai. Sellisel juhul kasutatakse liitvaiu, mille osad Ümarteras φ 30 mm Süvend alumises vaialülis Joonis 5.6 Šarniirne vaiajätk ühendatakse vaiajätkuga. Vaia jätk peab tagama vajalike jõudude ülekande ühelt osalt teisele ja olema seejuures tehnoloogiliselt otstarbekohane. See tähendab, et jätkamine toimuks piisavalt kiiresti ilma pikemate seisakuteta süvistamisel. Vertikaalsed vaiad töötavad peamiselt survele. Paindemomendid vaia peast sügavamal on pigem juhuslikku laadi. Seepärast on Eestis varem edukalt kasutatud lihtsat šarniirset jätku (joonis 5.6), mis tagab ainult liitvaia osade teljelisuse, ei taga aga tõmbejõu ja paindemomendi ülekandmist. Sellise jätku kasutamine võib põhjustada vaia kandevõime vähenemist kahel põhjusel. Esiteks võib juhuslikule takistusele (rahn, maetud puutüvi) sattunud vaia ots kõrvale kalduda ja põhjustada edasisel süvistamisel kogu vaia kõrvalekalde vertikaalist. Kõverdunud vai ei tööta enam ainult survele, vaid ka pinnasesurvest tingitud momendile (joonis 5.7). Suure kõverdumise korral ei tarvitse pinnase tugevus olla piisav vaia külje poolt avaldatava külgsurve vastuvõtmiseks.
4 Teine oht on seotud vaia, eriti ülemise lüli, tõusmisega. Valmisvaiad on niinimetatud pinnast väljatõrjuvad vaiad. Vaia mahu ulatuses tõrjutakse pinnas vaiade vahele jäävasse pinnasesse. Kohevate liivade puhul tiheneb vaiu ümbritsev pinnas. Vaia mahu võrra väheneb pinnase poorsus. Väikese veejuhtivusega savipinnases ei jõua vaia kiire süvistamise vältel vesi pooridest väljuda ning pooride maht ei saa seetõttu väheneda. Kogu vaia poolt väljatõrjutud pinnas peab mahtuma vaiadevahelisse ruumi. Ainuke võimalus on selle ruumi mahu suurenemine ja see saab toimuda ainult maapinna kerkimise teel. Pinnase tõusmine võib hõõrdejõududega võtta kaasa ka varem süvistatud vaiad. Jätkatavad vaialülid Terashülss Joonis 5.7 Vertikaalist kõrvalekaldunud šarniirse jätkuga liitvai Joonis 5.8 Terashülsiga liitvai Tervikvaia tõusmist takistab alumise otsa kinnitus sügavamates kihtides. Kuigi on täheldatud ka tervikvaiade tõusmist isegi mõnekümne sentimeetri võrra, on oht liitvaia ülemiste lülide tõusmiseks ilmselt suurem. Sellise vaia koormamisel ehitise kaaluga surutakse esmalt välja jätku vahele varisenud pinnas ja alles seejärel hakkab vai täiel määral jõudu kandma alumistele lülidele. Teatud määral töötab paindele metallist hülsiga jätk (joonis 5.8), kuid ei taga tõmbejõudude vastuvõtmist. Kasutatud on keevisjätke. Sellise jätku korral on vaia lülide otstes betooni ankurdatud teraslehed, mis keevitatakse perimeetri ulatuses. Puuduseks on suhteliselt palju aega nõudev keevise tegemine. Sama puudus on poltjätkudel, lisaks veel suur metallimahukus. Käesoleval ajal enamkasutatava jätku põhimõte on näidatud joonistel 5.9. Selline jätk tagab paindemomendi ja tõmbejõu ülekandmise ning on teostatav väga väikese ajakuluga. Jätk nõuab suurt täpsust valmistamisel. 5.2.3.2 Õõnesvaiad Vaiadena on kasutusel raudbetoontorud läbimõõduga 0,3 kuni 0,8 m. Sillavundamentides on kasutatud ka tunduvalt suurema läbimõõduga toruvaiu. Võrreldes täispõiklõikega on toruvaial sama betooni mahu ja kaalu juures oluliselt suurem vaia põhja ja külje pindala ning seepärast ka suurem kandevõime. Vaiad võivad olla suletud või lahtise alumise otsaga (joonis 5.10). Viimasel juhul peab olema tagatud, et pinnase ja toru sisepinna vahel tekkiva hõõrde tõttu tekkiv nn
5 pinnasekork võimaldaks vaia põhja arvestada täispõiklõikega. Pikkade vaiade puhul liidetakse torulülid poltliitega. Toruvaiade puuduseks on suhteliselt kõrged valmistamiskulud, mistõttu neid kasutatakse võrdlemisi harva. Eestis on toruvaiadele rajatud Viru hotell Tallinnas. Joonis 5.9 Centrum Pæle a/s liitvaia jätk Betooni kokkuhoiu huvides on kasutatud õõnsusega ruudukujulise põiklõikega vaiu (joonis 5.11). Viimased on otstarbekad juhul, kui täispõiklõikega vaia enda tugevus ületab oluliselt pinnase omadustest sõltuva kandevõime. Joonis 5.11 Õõnega valmisvai Joonis 5.10 Toruvai
6 5.2.3.3 Muutuva pikilõikega vaiad Pikisuunas ühtlase põiklõikega vaiade kõrval kasutatakse mõnikord ka muutuva põiklõikega vaiu püramiidseid, kiilukujulisi, laiendatud pea või põhjaga, pinnasesse kruvitavad, süvistamisel hargnevad jne. Joonisel 5.12 on esitatud mõned näited sellistest vaiadest. Püramiidsed ja kiilvaiad tihendavad pinnasesse rammimisel ümbritsevat pinnast suurendades Joonis 5.12 Muutuva põiklõikega vaiade näited Joonis 5.13 Kiilvai posti all selle vastupanuvõi met ja kannavad koormust pinnasele lisaks hõõrdele külgpindadel ka normaalpingetega külgpindadel. Seetõttu on paljudel juhtudel selliste vaiade kandevõime betooni mahuühiku kohta suurem kui ühtlase põiklõikega vaiadel. Juhul kui vaia kandevõime määrab peamiselt vaia põhja vastupanu, ei ole taolised vaiad otstarbekad. Eestis on laialdaselt kasutatud kiilvaiu, millel kaks külge on kaldsed ja kaks paralleelsed. Selliste vaiade eeliseks püramiidsete vaiadega võrreldes on lihtne valmistamine rõhtasendis. Kiilvaiu on kasutatud kergete ühekorruseliste karkasshoonete puhul. Ins. A. Needo poolt juurutatud kiilvaiad on 2, 2,5 ja 3 m pikkused. Vaia laius on 300 mm, põhja ristlõige 80x300 mm ja külgpindade kalle ligikaudu 1:7,7. Kergete karkasshoonete puhul on kasutatud ühte vaia posti all (joonis 5.13). Joonisel on näidatud üks võimalik posti ja kiilvaia ühendus. Suuremate koormuste korral võib kasutada ka kahte või enamat vaia. Olenevalt pinnasest ja vaia pikkusest on kiilvaia kandevõime enamasti piires 150 kuni 400 kn. Kasutatud on kiilvaiu kandvate seintega ehitiste puhul (joonis 5. 14). Kiilvaiad võimaldavad võrreldes tavalise üksikvundamendiga vastu võtta sama betooni mahu juures suuremat koormust. Tunduvalt väheneb mullatööde maht.
7 Joonis 5.14 Kiilvai rostvärgi all 5.2.3.4 Terasvaiad Terasvaiadeks kasutatakse enamasti torusid või paksuseinalisi valts- ja liitprofiile. Kasutatud on ka raudteeroopaid. Terasest suure läbimõõduga (600 1600 mm) Joonis 5.14 Terastoruvaiad Muuga konteinerterminaali kai Joonis 5.15 Terastoruvaiade süvistamine akvatooriumil toruvaiu on sageli kasutatud sadamakaide ehitamisel (joonised 5.14 ja 5.15). Kaide puhul on sageli vajalik kasutada suhteliselt pikki suure paindemomendiga koormatud vaiu. Raudbetoonvaiade, ka toruvaiade, kaal kujuneb sellisel juhul liialt suureks. Torud süvistatakse kas lahtise või kinnise otsaga. Viimasel juhul kasutatakse olenevalt pinnasest erinevaid otsikuid (joonis 5.16). Vajadusel jätkatakse torud keevituse keevitamise teel (joonis 5.17). Terasvaiade eeliseks on suur kandevõime väikese Joonis 5.16 Terastoruvaia omakaalu juures. Neid on seetõttu hõlbus otsikud käsitseda ja süvistamine ei nõua ülemäära raskeid seadmeid vaiaramme ega vibraatoreid. Puuduseks on terase korrodeerumine, sellega seotud ristlõike ja kandevõime vähenemine. Uurimised on näidanud, et pinnases areneb roostetamine kiirusega 0,02 0,03 mm aastas. Tunduvalt kiiremini areneb
8 Tabel 5-1: Pinnases (pinnaseveega või ilma)asuvate vaiade ja sulundseinte korrosioonist põhjustatud paksuse vähenemise [mm] soovitavad väärtused Nõutav projektikohane kasutusiga 5 aastat 25 aastat 50 aastat 75 aastat 100 aastat Rikkumata looduslik pinnas (liiv, möll, savi, kildad) Reostatud looduslikud pinnased ja tööstusalad Agressiivsed looduslikud pinnased (soo, turvas, ) Tihendamata ja mitteagressivsed täited (savi, kilt, liiv, möll, ) Tihendamata ja agressivsed täited (tuhk, räbu, ) MÄRKUS: 0,00 0,30 0,60 0,90 1,20 0,15 0,75 1,50 2,25 3,00 0,20 1,00 1,75 2,50 3,25 0,18 0,70 1,20 1,70 2,20 0,50 2,00 3,25 4,50 5,75 1) Korrosiooni kiirus tihendatud täites on väiksem kui tihendamata täites. Tihendatud täite puhul võiks tabelis toodud väärtused jagada kahega 2) Väärtused 5 ja 25 aasta kohta põhinevad mõõtmistel, samal ajal kui teised väärtused on ekstrapoleeritud. korrosioon soolases merevees vahetult veepiirist kõrgemal kuni 0,3 mm aastas. Seega pinnases võib ristlõike paksus väheneda 100 aasta jooksul kuni 6 mm ja suletud ristlõike korral, kui rooste tekib ainult ühel küljel, 3 mm aastas. Korrosioonist tingitud ristlõike vähenemisega tuleb arvestada vaia kui teraselemendi arvutuskandevõime määramisel. Suhteline ristlõike vähenemine on väiksem suurema seinapaksusega profiilidel. Seepärast peaks kasutama profiile, mille seinapaksus on vähemalt 12 mm. Suletud ristlõike korral, kui rooste areng sisepinnal on takistatud, või kasutada elemente seinapaksusega kuni 9 mm. Korrosiooni suletud profiili sisepinnal saab vältida näiteks toru täitmisega betooniga. Kai seinte puhul täidetakse betooniga vaia ülemine osa ja armeeritakse sedavõrd, et ka terase täielikul läbiroostetamisel suudaks ristlõige taluda arvutuskoormust. Joonisel 5.18 on näidatud Muuga sadama söeterminali toruvaiad koos väljaulatuvate ülemise osa armatuurvarrastega.
9 Tabel 5-2: Magedas või merevees asuvate vaiade ja sulundseinte korrosioonist põhjustatud paksuse vähenemise [mm] soovitavad väärtused Nõutav projektikohane kasutusiga 5 aastat 25 aastat 50 aastat 75 aastat 100 aastat Tavaline magevesi (jõgi, laevatuskanal, ) kõrge korrosioonitoimega tsoonis (veepiiril) Väga reostatud magevesi (kanalisatsiooni ja tööstuse heitveed kõrge korrosioonitoimega tsoonis (veepiiril) Merevesi mõõdukas kliimas kõrge korrosioonitoimega tsoonis (madala veetaseme ja pritsmetsoonis) Merevesi mõõdukas kliimas alaliselt veega kaetud tsoonis või tõusu-mõõna tsoonis. MÄRKUS: 0,15 0,55 0,90 1,15 1,40 0,30 1,30 2,30 3,30 4,30 0,55 1,90 3,75 5,60 7,50 0,25 0,90 1,75 2,60 3,50 1) Kõrgeim korrosioonikiirus on tavaliselt pritsmetsoonis või tõusu-mõõna madalama veetaseme juures. Kuid suurimad paindepinged on tavaliselt suurimad alaliselt veega kaetud tsoonis, vt joonis 4-1. 2) Väärtused5 ja 25 aasta kohta põhinevad mõõtmistel, samal ajal kui teised väärtused on ekstrapoleeritud. 1 Joonis 5.17 Terastoruvaia jätkamine keevitusega Joonis 5.18 Süvistatud terastoruvaiad Muuga söeterminaalis. Korrosiooni tõkestamiseks väiksema põiklõikega terasvaiadel võib kasutada tsementmördiga injekteerimist. Viimasel ajal on hakatud kasutama väikese läbimõõduga terastoruvaiu suhteliselt kergete vähekorruseliste ehitiste või muude rajatiste vundeerimiseks. Eelisteks on suhteliselt kerged ja mobiilsed paigaldusseadmed, võimalus oluliselt vähendada aega vundamendi rajamiseks ja vältida mahukaid vee-eemaldus- ja kaevetöid. Joonisel 5.19 on näidatud pinnasesse rammitav nn RR vai.
10 Joonis 5.19 Kerge terastoruvai Joonis 5.20 Kruvivai Joonisel 5.20 on kujutatud kruvivai. Joonisel 5.21 on toodud kergete toruvaiade võimalikud ühendussõlmed ehitisega. Joonis 5.21 Väikese toruvaia ja ehitise ühendussõlmed
11 5.2.3.5 Puitvaiad Ajalooliselt on puit kõige varem kasutatud vaiamaterjal. Käesoleval ajal kasutatakse puitu vaiadeks väga harva. Inseneride probleemiks on aga sageli vanade puitvaiadele rajatud ehitiste säilitamine. Puitvaiade eeliseks on väike kaal, piisav tugevus ja valmistamise lihtsus. Puudusteks on lühike iga pinnasevee tasemest kõrgemal, piiratud läbimõõt ja pikkus. Puitvaiadeks kasutatakse männi- või kuusepalke. Eriti tähtsate hoonete puhul on varasematel aegadel kasutatud ka tamme. a) b) c) d) e) f) Joonis 5.22 Puitvaia detaile. a) vaia teravdatud ots, b) metallist kingaga ots, c) vaia pea tugevdusrõngas, d) vaia jätk, e) palkidest pakettvai, f) liimpuidust vai Minimaalne peenema otsa läbimõõt peaks olema vähemalt 150 mm. Vaia pikkus normaalselt võib olla kuni 16 m. Suurema kandevõime saavutamiseks võib kasutada poltidega ühendatud palkidest pakette või isegi liimpuitu. Vajadusel kasutada suurema pikkusega vaiu võib palke jätkata. Puitvaia pea kaitstakse purunemise vastu tugevdusrõngaga. Vaia alumine ots teritatakse ja juhul, kui tuleb läbistada kruusa või kive sisaldavaid pinnaseid, kaitstakse metallist kingaga. Puitvaiade detaile on toodud joonisel 5.22. 5.2.3.6 Valmisvaiade süvistamine Valmisvaiad süvistatakse pinnasesse rammimise, vibreerimise, kruvimise või surumisega. Levinuimaks viisiks on rammimine. Rammimiseks kasutatakse mehaanilisi ramme (rippvasaraid), auru-õhkramme, diiselramme või hüdroramme. Rammiseadme valikut mõjutavad vaia mass, kandevõime, materjal, pinnase iseärasused. Mehaanilise rammi vasara kaal peaks ületama vaia kaalu vähemalt 1,25, parem kui 1,5 korda. Nõrkades pinnastes ja pikkade liitvaiade korral võib vasara kaal võrduda vaia kaaluga. Diiselvasarate löögiosa kaal peaks olema 0,7 0,8 vaia kaalust. Piisava võimsusega rammi puudumisel, vajadusel läbida suhteliselt õhukesi väga tugevaid pinnasekihte ja dünaamiliste mõjutuste vähendamiseks võib rammimise hõlbustamiseks kasutada liiderpuurauke või veejoaga uhtumist.