Преимущества устройства буроинъекционных свай с многоместными уширениями с применением электроразрядных технологий

Ни для кого не секрет, что в последние десятилетия все больше увеличиваются объемы строительства и реконструкции в стесненных городских условиях, в том числе на слабых или переслаивающихся слабых и более прочных грунтах. Поэтому особенно остро стоит вопрос повышения несущей способности оснований и фундаментов с условием возможности использования техники, позволяющей работать в стесненных условиях, в том числе в подвалах существующих зданий.

При строительстве свайных и свайно-плитных фундаментов или при усилении фундаментов существующих зданий и сооружений одними из наиболее эффективных являются буроинъекционные сваи на мелкозернистом бетоне. Для их устройства в настоящее время в основном используется бурение под защитой глинистого раствора и шнековое. Однако первое представляется малоперспективным в связи со сложностью, а часто и невозможностью устройства зумпфов (накопителей обводненного материала в нижних частях скважин), с проблемами утилизации отработанного бурового раствора, с низкой несущей способностью созданных свай (поскольку глинистая корка на стенках скважины не позволяет обеспечить надежный контакт боковой поверхности сваи с грунтом) и т.д.

Недостатками же шнекового бурения являются большой объем остающегося на дне скважины бурового шлама и существенное ослабление несущих свойств грунта. Вертикальной нагрузки от веса затвердевающего инъецированного раствора и давления опрессовки недостаточно для качественного уплотнения шлама и возвращения свойств грунта на забое скважины в первоначальное состояние, что потом приводит к технологическим осадкам.

Наиболее перспективными являются способы, позволяющие увеличить площадь опирания свай под их нижними концами и на участках вдоль их боковой поверхности с соответствующей минимизацией осадок. К ним относятся следующие методы:

• использование электроразрядных технологий (разрядно-импульсной, электроразрядной, электроразрядной строительной и др.);
• изготовление набивных буровых свай;
• устройство свай с многоместными уширениями.

Буровые сваи с многоместными уширениями применяются давно. Опыт их использования есть у строителей Индии, ФРГ, Великобритании, Японии, России и др. Наличие, количество и объем уширений зависят от типа инженерно-геологических условий и требуемой несущей способности сваи. Но существуют разные методы их создания. Какой же лучше?

Например, использование механических уширителей неэффективно с точки зрения технологичности. Применение оборудования для изготовления таких свай за один проход бурового става невозможно вследствие ограниченных энергетических характеристик буровых станков. Создание свай в несколько этапов (бурение скважины, устройство уширений) экономически невыгодно из-за многооперационности и большой длительности технологического процесса (особенно в условиях работы в подвалах) [7].

Кроме того, использование механических уширителей является очень сложным в неустойчивых грунтах. В этом случае невозможно выполнить качественную очистку зон уширений от шлама, что приводит к разуплотнению и ослаблению несущих свойств грунтов под каждым уширением и значительным технологическим осадкам [12]. При этом очень большую проблему представляет неопределенность выбора мест устройства уширений в условиях перемежающихся слоев слабых и более прочных грунтов, поскольку такие разрезы очень изменчивы по площади, а шаг инженерно-геологических скважин при изысканиях не может быть беспредельно малым и не позволяет точно описать разрез в каждой точке.

Наиболее эффективным, как показала практика, является комбинированный способ устройства буровых свай, сочетающих в себе достоинства свай с многоместными уширениями и свай, выполненных с использованием электроразрядных технологий (ЭРТ) [4, 6–10]. Этот способ имеет следующие преимущества [3]:

• простота реализации;
• возможность устройства свай с применением доступных буровых станков, в том числе отечественных;
• обеспечение такого уплотнения грунта, при котором свая с многоместными уширениями работает как забивная;
• возможность точного определения мест создания уширений и их диаметров (по расходу бетонной смеси) для каждой сваи;
• возможность устройства необходимого количества уширений;
• минимизация технологических осадок;
• наибольшая несущая способность полученных свай по сравнению с буровыми сваями, созданными по любым другим технологиям.

Электроразрядные технологии уплотнения бетона буроинъекционных свай основаны на передаче кратковременных импульсов большой мощности через излучатель, опущенный на коаксиальном кабеле в тело скважины со свежеуложенной подвижной мелкозернистой бетонной смесью. Излучатель состоит из двух электродов с определенным расстоянием между ними. Для создания импульсов используются специальные установки, обеспечивающие повышение напряжения с 220–380 В до 4–10 кВ. При подаче на излучатель такого высокого напряжения образуется разряд, который сопровождается увеличением температуры и гидродинамического давления (до 10–100 млн МПа за 0,0001–0,00001 с). В результате такого гидравлического удара образуются сферические волны сжатия, которые проходят через жидкую бетонную смесь и распространяются в окружающем грунте, уплотняя его и расширяя стенки скважины. Таким образом, за счет кратковременного воздействия динамической нагрузки и повышения плотности грунта достигается уширение участка скважины (рис. 1). При этом динамическое воздействие за пределами зоны обработки скважины и окружающих ее грунтов незначительно и не оказывает вредного воздействия на усиливаемые конструкции фундамента и соседние со стройплощадкой здания и сооружения [1–3].

Рис. 1. Схема обработки скважины с использованием одной из электроразрядных технологий (по [1, 3]): 1 – ствол сваи после обработки; 2 – излучатель энергии; 3 – зона цементации грунта; 4 – зона уплотнения грунта

Преимущества электроразрядных технологий изготовления буроинъекционных свай рассмотрены, например, в статье В.М. Улицкого «Геотехническое сопровождение реконструкции городов» [14]. Эти технологии сами по себе экологически безопасны и позволяют [1]:

• формировать сваи разной конфигурации, создавая уширения на необходимых уровнях
• минимизировать земляные работы и операции по водопонижению при строительстве фундаментов;
• применять легкие малогабаритные станки и, соответственно, производить работы в стесненных условиях, в том числе из подвалов, цокольных или первых этажей, не создавая неудобств жителям находящихся выше этажей и соседних зданий;
• выполнять проходку в неустойчивых грунтах без обсадных труб;
• получать максимально возможную несущую способность свай при минимальном количестве выбуренного грунта и наименьшей длине свай.

Технологическая последовательность операций при изготовлении буроинъекционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядных технологий такова [1] (рис. 2):

• установка необходимого оборудования;
• бурение скважины;
• подача в скважину подвижной мелкозернистой бетонной смеси под давлением;
• установка электродной системы в забой скважины и обработка пяты сваи с использованием одной из электроразрядных технологий;
• электроразрядная обработка ствола сваи по расчетной схеме с дополнением бетонной смеси;
• погружение арматурного каркаса в еще не застывшую бетонную смесь;
• формирование оголовка сваи.

Рис. 2. Схематичная последовательность операций при изготовлении свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядной технологии [5]

Уширения, создаваемые на пяте и выше вдоль ствола сваи, увеличивают сопротивление грунта под ее нижним концом и по боковой поверхности, одновременно уплотняя примыкающий к свае грунт, причем это вполне контролируемые процессы. Правильно рассчитав количество, места расположения и объемы уширений (в зависимости от типа грунтовых условий), несущую способность сваи можно увеличить многократно.

В отношении эффективности работы свай с уширениями, изготовленных с применением электроразрядных технологий, проводилось много исследований. Например, полевые испытания статическими нагрузками, выполненные в лаборатории оснований и фундаментов Уральского института «Промстройинвестрпроект» [12], показали, что несущая способность сваи с одним и с двумя уширениями была больше в 1,5–2,5 и 3–4 раза соответственно по сравнению с такой же сваей без уширений.

Аналогичные испытания, выполненные авторами настоящей статьи, работающими в ООО НПФ «ФОРСТ», также показали, что сваи ЭРТ с многоместными уширениями обладают повышенной несущей способностью по сравнению со сваями без уширений (в 1,8–2,0 раза) [8].

Несущая способность обычной висячей буровой сваи по грунту определяется как сумма ее несущих способностей по пяте и по боковой поверхности. При вертикальном нагружении сначала вступает в работу боковая поверхность. При срыве сваи по боковой поверхности нагрузку на себя принимает пята [4, 6] (хотя в СП 24.13330.2011 [10] при определении несущей способности висячих свай почему-то принимается, что включение в работу грунта под нижним концом и по боковой поверхности происходит одновременно).

Сваи же с многоместными уширениями работают иначе. При вертикальном нагружении сначала в работу вступает верхнее уширение, а потом – нижележащие (последовательно сверху вниз). И каждое из них выполняет функцию дополнительной опоры, поскольку несущая способность грунтов при опирании на них значительно выше этого показателя для тех же грунтов при трении о них вертикальной боковой поверхности сваи.

Несущая способность таких свай по грунту представляет собой сумму несущих способностей оснований под каждым из уширений. Из таблиц 1 и 2 видно, что расчетное сопротивление грунта под каждым уширением в десятки раз выше сопротивления того же грунта по боковой поверхности сваи без уширений.

Таблица 1

Сравнение расчетных значений сопротивления грунта по боковой поверхности сваи без уширения и сопротивления того же грунта под уширением при показателе текучести IL=0,2 (по [8])

* По таблице 7.2 СП 50-102-2003 [11].

** По таблице 7.7 СП 50-102-2003 [11].

Таблица 2

Сравнение расчетных значений сопротивления грунта по боковой поверхности сваи без уширения и сопротивления того же грунта под уширением при показателе текучести IL=0,6 (по [8])

* По таблице 7.2 СП 50-102-2003 [11].

** По таблице 7.7 СП 50-102-2003 [11].

В своей работе [8] авторы предложили формулу для расчета несущей способности рассматриваемых свай на основе преобразования формул из свода правил [10] и рекомендаций [13]. Их несущая способность тем выше, чем больше они имеют уширений и чем выше площадь опирания каждого уширения и сопротивление грунта под ним.

Если изготавливать сваю так, чтобы уширения работали как дополнительные опоры при обеспечении коэффициентов уширений в соответствии с таблицей 2.3 технических рекомендаций [13], то при расчете несущей способности этой сваи по боковой поверхности расчетное сопротивление грунта под уширением следует принимать по таблице 7.3 свода правил [10]. 

В условиях перемежающихся слоев слабых и более прочных грунтов устройство каждого уширения осуществляется в слабом грунте над кровлей прочного.

В статье [8] авторы путем сравнительных расчетов показали, что при диаметре ствола 0,35 м и грунтовом разрезе, состоящем (сверху вниз) из суглинков с показателем текучести 0,6, суглинков с показателем текучести 0,3 и мелких песков средней плотности, несущая способность буроинъекционной сваи ЭРТ с уширенной пятой и двумя уширениями вдоль ствола больше в 1,79 раза по сравнению со сваей без уширений.

На одной из опытных площадок г. Санкт-Петербурга авторы принимали участие в изготовлении свай с применением одной из электроразрядных технологий [7]. Площадка была сложена пылеватыми суглинками с естественной влажностью 0,25%, удельным весом 19,4 кН/куб. м, углом внутреннего трения 23 град. и модулем деформации 6 МПа. Устраивались сваи диаметром 151 мм и длиной 3 м. При статическом нагружении буроинъекционной сваи с опрессовкой ствола максимальная нагрузка составила 75 кН (при общей осадке 5 см), а для сваи ЭРТ с двумя уширениями диаметром до 450 мм она была 150 кН (при осадке 2,45 см).

Таким образом, в отношении значительного (в зависимости от типа грунтовых условий) повышения несущей способности и минимизации технологических осадок свай при строительстве, реконструкции или усилении фундаментов на слабых основаниях или на переслаивающихся слабых и прочных грунтах наиболее перспективным является такой комбинированный способ, как создание свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядных технологий. Такие сваи имеют большие преимущества по сравнению с буронабивными и буроинъекционными сваями без уширений и могут быть созданы с использованием существующих маломощных буровых станков, предназначенных для работы в стесненных городских условиях.

Важно также то, что рассмотренный способ позволяет существенно снизить стоимость обеспечения необходимой несущей способности свай.

Список литературы

1. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П. Реконструкция жилых зданий. Часть 1. Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий. § 6.2.4. Усиление фундаментов буроинъекционными сваями с электроимпульсным уплотнением бетона и грунтов. М.: Изд-во Московского государственного областного университета, 2008. URL: https://studfiles.net/preview/5786785/page:58/.
2. Выбор сейсмобезопасных режимов работ, обеспечивающих сохранность окружающей застройки при производстве свай ЭРТ по адресу: Санкт-Петербург, ул. Смольного, д. 4. СПб.: Изд-во ЗАО «НПО “Геореконструкция-Фундаментпроект”», 2005.
3. Новейшая разрядно-импульсная технология укладки бетона. Сущность технологии // uchil.net. Дата обращения: 22.11.2018. URL: https://uchil.net/?cm=60763.
4. Рябинов В.М., Горбушин А.В. Возможности использования электроразрядной технологии при строительстве на слабых грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2008. № 6. С. 10–13.
5. Самарин Д.Г., Устюжанин В.Л. Способ изготовления сваи. М.: Роспатент, 29.05.2018 № 218.016.54F7. URL: https://edrid.ru/rid/218.016.54f7.html.
6. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об одном методе расчета несущей способности буроинъекционных свай ЭРТ // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2015. № 1. С. 10–13.
7. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28–32.
8. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уширениями // Геотехника. 2016. № 3. С. 60–65.
9. Соколов Н.С., Соколов С.Н., Соколов А.Н. Опыт восстановления аварийного здания Введенского кафедрального собора в г. Чебоксары // Геотехника. 2016. № 1. С. 28–32.
10. СП 24.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 2.02.03-8585). Свайные фундаменты. М.: Минрегион России, 2011.
11. СП 50-102-2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М.: Госстрой России, 2004.
12. Тетиор А.Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для Урала и Тюменской области: монография. Свердловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1971. 197 с.
13. ТР 50-180-06. Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности (сваи РИТ). М.: Департамент градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы, 2006.
14. Улицкий В.М. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. М.: Изд-во АСВ, 1997. 327 с.