Бетонирование монолитных железобетонных буронабивных свай
Освещается опыт инж. Лукичёва Р. А. по возведению свай в вечномерзлых грунтах
В районах вечной мерзлоты, в зоне контакта с мерзлым основанием, остро встает вопрос выбора метода возведения монолитных буронабивных свай и ленточных фундаментов.
Монолитные буронабивные сваи диаметром 650, 800 и 1000 мм из бетона с добавкой Nа2NО2 + СаСl2 (3,5% от массы цемента) марки М300 возводились при строительстве промышленного комплекса (в Норильске), опор на центральном и восточном участках трассы БАМа и ленточных фундаментов (в Воркуте). Бетонная смесь с подвижностью 10–12 см и начальной температурой 12–16 °C практически непрерывно укладывалась в заранее пробуренные скважины.
Для наблюдения за фактическим температурным режимом выдерживания бетона в зоне контакта сваи с грунтом в скважину устанавливалась стальная труба с датчиками температуры (по всей высоте сваи). После окончания бетонирования выступающую над поверхностью земли часть сваи утепляли слоем опилок в 25 см. Бетон в основании сваи до нижней границы сезонно-промерзающего грунта выдерживали по методу термоса. Верхнюю часть сваи, в том числе часть над поверхностью земли, подвергали электропрогреву.
Наблюдения показали, что характер остывания бетона во всех точках нижней части сваи был примерно одинаков. Однако скорость остывания была выше у основания сваи (по сравнению с основной массой бетона) из-за интенсивного потока тепла от торца сваи вследствие большей доли охлаждаемой поверхности, приходящейся на единицу объема бетона. У торца сваи на контакте с вечномерзлым грунтом температура в бетоне 0 °C зафиксирована через 4–5 суток, а в основной массе — через 7–8 суток. В течение 20–30 суток температура бетона в обеих зонах на контакте с грунтом была -2 – -3 °C.
В нижней части отмечалось постоянное снижение температуры, а в верхней — увеличение до 35–40 °C в течение 40–48 час. с последующим снижением до 0 °C в течение 6–8 сут. Такой режим прогрева обес-печил в верхней части сваи на контакте с грунтом получение прочности бетона, превышающей 70% марочной (удельный расход электроэнергии — 120–150 кВт . ч/м3). В нижней части сваи, включая нижнюю границу сезонно-промерзшего грунта, бетон на контакте с грунтом к этому времени имел меньшую прочность. Благодаря введению добавки, позволяющей твердеть вяжущему при температуре -3 –-4 °C, бетон в этой части сваи приобретал прочность не ниже 70% марочной через 25 сут., а через 60 сут. она приближалась к расчетной. Этот способ прост, надежен и экономически доступен в различных районах.
Однако несмотря на то, что введение химических добавок расширяет границы области применения метода термоса, возможная миграция солей из уложенного бетона в мерзлый грунт резко понижает их эффект при использовании в основании по этому принципу, и это требует дополнительных исследований. Поскольку бетон твердеет до -5 °C, а температура вечномерзлого грунта на глубине более 5 м, как правило, выше, то в случаях большой массивности конструкций при возведении буронабивных свай возможно применение метода термоса без добавок. Этому способствует и продолжительный период остывания бетона до 0 °C — благодаря эффекту термоса, возникающему вследствие накопления грунтом тепла, вносимого бетонной смесью, и тепловыделения цемента при твердении бетона.
Опыт возведения свайных опор (через реки Кованта и Левый Орокот) при строительстве трассы БАМа подтвердил справедливость этого положения. При сооружении опор моста через р. Кованта применяли сваи диаметром 1 200 мм и длиной 15 м из бетона марки М300 с В/Ц = 0,5
и ОК = 16–20 см. На рисунке 1 показано температурное состояние грунта во время бетонирования скважин. К арматурному каркасу с помощью деревянных прокладок крепили три электрода. Бетонирование производили в осенний период методом ВПТ (вибропротяжки) с начальной температурой смеси 15–20 °C.
В процессе выдерживания в течение первых трех суток имело место повышение температуры на 5–10 °C, а в последующие 15–18 сут. — понижение до 3 °C.
В 28-суточном возрасте прочность при сжатии кернов, взятых с глубины 5 м, составила 100–105% от проектной при расходе цемента марки М400–450 кг/м3.
Аналогичные данные были получены при сооружении свайных опор диаметром 1 500 мм и длиной до 15 м для моста через р. Левый Орокот.
Таким образом, при температуре вечномерзлого грунта, близкой к 0 °C, количество тепла, выделенного бетоном, оказывается достаточным для приобретения требуемой прочности без введения химических добавок. Если сроки набора проектной прочности бетоном по методу термоса не удовлетворяют темпам строительства или возникает опасность его раннего замораживания (особенно в оголовке сваи), то необходимо применение активного прогрева бетона (например, электродного) на глубину до 3–5 м. Однако электротермо-обработка бетона в условиях вечномерзлого грунта имеет особенности, ограниченные процессами тепломассопереноса.
МИСИ и НИИЖБ проводили на объектах БАМа научно-производственные эксперименты по выявлению режима выдерживания бетона при возведении буронабивных свай. Буронабивные сваи диаметром 1000 мм и длиной 8 м на площадке УПТК треста «Мостострой-10» в Тынде бетонировали в зимний период. Для устройства скважины использовались станки ударно-канатного бурения БС-1М. Скважины в верхней части укрепляли стальными трубами и закрывали деревянными щитами. Повторным бурением перед бетонированием свай установлено в скважинах наличие воды до отметки 3,5 м от поверхности грунта, слой льда толщиной 40–50 см — над водой и 10–15 см — по стенкам.
В сухую скважину с арматурными каркасами за два приема укладывали бетонную смесь температурой 8–18 °C путем свободного ее сброса из автобетоносмесителя и с последующим виброуплотнением в верхней части сваи. Для буронабивных свай применяли бетон марки М300 без добавок состава Ц : П : Щ=1 : 1,9 : 2,2 с расходом портландцемента М400 450 кг/м3, В/Ц = 0,5 и ОК = 8–12 см. Во избежание интенсивной потери тепла при прогреве и выдерживании бетона оголовок сваи, выступающий над землей, утепляли минеральной ватой. Для ускорения твердения бетона использовали электропрогрев на всю глубину сваи. Электродами служили три стальных стержня диаметром 20 мм, располагаемые в вершинах правильного треугольника (рис. 2).
По графику строительства необходимо было получить прочность бетона не ниже 80% проектной в возможно более короткий срок без учета набора прочности бетоном к моменту смерзания его с вечномерзлым грунтом. Электропрогрев осуществляли со скоростью подъема температуры, не превышающей 8 °C/ч, при температуре изотермического выдерживания 45–50 °C.
К электродам подводилось напряжение 103 V от трехфазного трансформатора ТМОБ-63. Для оценки температурного режима в различных сечениях сваи устанавливали термодатчики, помещенные в стальную трубу диаметром 50 мм и длиной 8 м с заглушенным нижним торцом.
На рисунке 3 приведен температурный режим, который обеспечивается сочетанием сквозного (до 1,5 м) и периферийного (на всю глубину фундамента) прогрева электродами диаметром 8 мм, устанавленными с шагом 350–400 мм. Электроды для периферийного электропрогрева фиксировали на контакте с грунтом (бетонированием враспор) или на опалубке. Подводимое к электродам напряжение 110 V оставалось неизменным на всем протяжении активного прогрева и обеспечивало режим прогрева, состоящий из подъема температуры до 50 °C в течение 3–4 сут. и остывания до 0 °C в течение 15–20 сут. Наблюдение показало, что уже через 5–6 сут. остывания бетон в основной массе на контакте с мерзлым грунтом приобретал прочность 75–80% от R28.
Общая продолжительность активного прогрева составила 2–3 сут. При этом в первые сутки в зоне контакта с мерзлым грунтом температура бетона была на 5–8 °C ниже, чем в зоне арматурного каркаса (35–45 °C). А при прогреве в течение 4–6 сут. различия практически не наблюдались. После прекращения электропрогрева бетон сваи остывал до 0 °C в течение 12–18 сут. Такой режим выдерживания позволил достигнуть прочности 80–85% и 70–75% R28 в основной части и в оголовке сваи соответственно.
Аналогичные эксперименты проведены НИИЖБ при возведении монолитных фундаментов в Воркуте. В этом районе до 1976 г. в основном были распространены ленточные фундаменты толщиной стенки 0,4–0,9 м и глубиной залегания 4–7 м.
Бетон марок М150–200 на воркутинском портландцементе марки М400 с ОК = 2–8 см и начальной температурой 10–15 °C укладывался враспор с грунтом или в опалубку, установленную в открытом котловане или в траншее.
После установки и выверки арматуры бетонирование производили непрерывно.
Затем открытую поверхность фундамента укрывали толью в два слоя и утепляли опилками.
Выводы
При возведении монолитных буронабивных свай глубиной до 50 м и диаметром свыше 600 мм достаточно применять метод термоса без введения или с введением в бетон незначительного количества добавок. Выступающую над поверхностью земли сваю целесообразнее подвергать электропрогреву на глубину, превышающую границу сезонно-промерзшего грунта на 1 м. При бетонировании свай и ленточных фундаментов с залеганием до 7 м рекомендуется использовать электропрогрев.
Литература
1. Семенов А. И., Полуэктов Б. Е., Павленко О. И. и др. «Опыт применения буронабивных свай в вечномерзлых грунтах». // «Промышленное строительство», №11, 1974 г.
2. «Руководство по устройству буронабивных свай большого диаметра». — М.: «Стройиздат», 1977 г.
| Автор: Б. А. Усов, М. Д. Савин Дата: 20.09.2010 Журнал Стройпрофиль 6-10 Рубрика: геотехнологии, фундаменты Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |