Новые типы и конструкции свай: технологии их устройства при новом строительстве и реконструкции
Строительство в исторической и застроенной части города ставит перед застройщиком, проектировщиками и подрядными организациями жесткие требования по сохранению существующих зданий, примыкающих к площадке, минимизации технологического воздействия на них, обеспечению безопасного и ограниченного по времени, согласованного с администрацией города, срока выполнения комплекса строительно-монтажных работ. Устройство фундаментов — наиболее сложная часть строительного процесса, имеющая в своем составе максимальное число всевозможных рисков.
Общие положения
До начала 90-х гг., основным типом свайных фундаментов были сборные железобетонные сваи, применение которых оказалось весьма опасным для зданий старой застройки при строительстве около них новых сооружений. Многочисленные аварии и повреждения соседних зданий при забивке свай близ существующих зданий заставляло искать участников строительного процесса — проектировщиков и строителей — новые технологии, которые в наименьшей степени оказывали бы пагубное воздействие на окружающую застройку.
Первым шагом в этом направлении стало ограничение использования забивных свай на расстоянии до 20 м от зданий существующей застройки. И уже в конце 90-х гг. администрация города принимает решение о запрещении использования забивных свай в застроенной части. Этот период отмечается высокой активностью по выходу на рынок Санкт-Петербурга новых строительных кампаний, в том числе из стран Балтии и Европы.
Отказ от метода забивки в центральных районах Санкт-Петербурга привел, в свою очередь, к разработке и внедрению в строительную практику технологии статического вдавливания свай, а также к появлению в арсенале геотехнических фирм новых технологий изготовления свай в грунте.
В конце 80-х годов прошлого столетия основу парка буровых машин составляли советские модели: СКБ 4, УРБ 2А2, УРБ 3АМ, УГБ 50, ЛБУ, ПБУ 2, СБУ 100 и другие, предназначенные в основном для бурения геологических скважин и приспособленные под строительные цели для устройства скважин под защитой бентонитового (глинистого) раствора либо проходными шнеками.
Сегодня для изготовления свай в грунте на строительных площадках широко используются буровые станки таких зарубежных фирм, как Bauer, Casagrande, SoilMec, Fundex, которые позволяют создавать сваи диаметром от 350 до 1800 мм и длиной до 50 (80) м.
Именно применительно к технологиям устройства фундаментов в 90-е годы стало применяться выражение «щадящие технологии».
Следует отметить, что существенным условием реализации любого проекта является выбор профессионального субподрядчика по выполнению работ «нулевого цикла» и устройству фундаментов. Существуют примеры, когда неправильная оценка инженерных условий площадки приводила к аварийным последствиям. Достаточно много различных примеров, когда при устройстве фундаментов соседние дома получали существенные деформации с образованием трещин. Особое значение имеет в этом случае выполнение работ около зданий, имеющих техническое состояние III класса, при котором здание уже имеет предаварийное состояние, и любое незначительное воздействие может привести к нарушению его нормального функционирования. Данным вопросам в городе немало внимания уделяется как учебными и академическими учреждениями, так и комиссией по аварийным зданиям при Жилищном комитете администрации города. Много лет данной проблемой занималась и комиссия по основаниям и фундаментам при администрации Санкт-Петербурга, начавшая свою работу еще в 80-е годы прошлого столетия. В основании ее создания стоял заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор технический наук, заведующий кафедрой «Основания, фундаменты и механика грунтов» Ленинградского инженерно-строительного института (СПб ГАСУ) Борис Иванович Далматов (1910–2000 гг.).
В отечественной и зарубежной практике фундаментостроения свайные фундаменты получили широкое распространение, поскольку они позволяют возводить здания и сооружения на слабых грунтах с недостаточной несущей способностью. Во многих случаях это единственный способ возвести сооружение в сложных инженерно-геологических условиях.
Основными преимуществами свайных фундаментов является сокращение сроков строительства, высокая технологичность, снижение трудоемкости работ, уменьшение объемов земляных работ.
С середины 90-х гг. наряду с предварительно изготовленными сваями стали получать широкое применение сваи, выполненные в грунте (буронабивные и инъекционные). Их все чаще применяют в случаях, когда на фундаменты зданий или сооружений, возводимых на слабых грунтах, передаются большие сосредоточенные нагрузки при устройстве фундаментов вблизи существующих зданий и при усилении фундаментов эксплуатируемых сооружений, и др.
У индустриально развитых стран большой опыт качественного устройства фундаментов в виде буронабивных и инъекционных свай, а в настоящее время наиболее современные технологии стали широко использоваться и в России , в частности в Санкт-Петербурге. Так, современные технологии устройства свай в грунте, применяемые в нашем городе, разделены на три основных вида:
1) сваи, изготавливаемые с выемкой грунта;
2) сваи, изготавливаемые с частичной выемкой грунта;
3) сваи уплотнения, изготавливаемые без выемки грунта в результате его принудительного сжатия или вытеснения.
На сегодняшний день отечественный строительный рынок Санкт-Петербурга представлен достаточно большим количеством компаний, специализирующихся на устройстве различных типов фундаментов, в том числе и свайных.
Эти предприятия предлагают различные технологии выполнения свай, различное их качество и цены, и зачастую перед заказчиком стоит нелегкий выбор наиболее рациональных и безопасных технологий и конструкций свай. Этот выбор зависит от конкретных геологических и гидрогеологических условий, схемы и конструкции возводимого или реконструируемого сооружения, окружающей застройки и ее технического состояния. Существенную помощь в таком выборе должны оказать застройщику специалисты-геотехники на всех стадиях разработки и сопровождения проекта. Именно они должны оценить инженерно-геологические условия площадки строительства (напластование, вид и характеристики грунтов), предложить оптимальную конструкцию фундамента для проектируемого сооружения с учетом его чувствительности к неравномерным осадкам и рекомендовать наиболее эффективные технологии производства работ, в том числе щадящие для окружающей застройки.
В настоящее время Санкт-Петербург является одним из передовых городов России, где для промышленного и гражданского строительства нашли применение современные методы улучшения свойств грунтов, а также многочисленные современные технологии устройства фундаментов, в первую очередь, свайных. Предпосылкой этого во многом стали сложные инженерно-геологические условия нынешней территории города, претерпевавшей в разные геологические периоды прохождение многочисленных ледников с образованием морей и ледниковых озер.
За последние 15 лет в городе произошли существенные изменения и в отношении работ нулевого цикла. На строительный рынок пришли новые строительные организации, специализирующиеся на геотехнических работах, появились и широко внедряются современные машины и технологии.
Сваи вдавливания
С середины 70-х годов XX в. впервые в Советском Союзе, в частности в Ленинграде, стала применяться в промышленных масштабах технология погружения предварительно изготовленных свай вдавливанием.
Первая установка конструкции треста №101 Главленинградстроя представляла собой стационарную монтируемую при помощи крана платформу, которая позволяла при помощи двух гидравлических домкратов создавать усилие вдавливания до 2000 кН
(рис. 1, фото 1).
Размеры установки: длина — 10 м, ширина — 4,5 м, высота — 2,4 м. Установка проста в обслуживании, не энергоемка и позволет погружать сваи с несущей способностью до 2000–2500 кН в пылевато-глинистые грунты с показателем консистенции IL < 0,2.
Ее недостатки: низкая производительность (из-за необходимости перемонтажа всей конструкции на каждой новой точке вдавливания сваи), отсутствие корректировки направления сваи в процессе погружения и большие габариты, что не позволяет использовать ее в условиях плотной городской застройки.
Для ведения работ по вдавливанию свай в стесненных условиях плотной застройки, в том числе в исторической части города, Главленинградстроем совместно с ВНИИГС, НИИОСП им. Герсеванова и другими организациями в середине 80-х гг. была разработана самоходная сваевдавливающая установка УСВ 80 на базе экскаватора Э-6122.
Впервые данную машину применили при вдавливании свай на площадке строительства жилого дома на ул. Майорова, 37 (ныне Вознесенский пр., 37).
В настоящее время в эксплуатации у ЗАО «Строительный трест № 28» сваевдавливающие установки УСВ 120, УСВ 160 и УСВ 180.
Сваевдавливающая установка УСВ 120/180 состоит из базовой машины и пригрузочной тележки и обеспечивает вдавливание свай с размером грани от 30 до 40 см и длиной от 4 до 16 м с максимальным усилием 850 кН на расстоянии 1 м от существующего здания. На расстоянии 4,5 м от здания может выполняться вдавливание свай той же длины при сечениях 30x30 и 35x35 см с усилием до 1200 кН, а при сечениях 40x40 см — до 1800 кН. Производительность установки в грунтовых условиях Санкт-Петербурга составляет от 8 до 2 составных свай в смену, соответственно, длиной от 16 до 28 м.
Модернизированная установка УСВ-120М, успешно используемая в Санкт-Петербурге с конца 90-х гг., имеет повышенную собственную массу 117 т (вместо прежних 105 т). Установка оснащена крановым подкосом с крюк-блоком и буровым механизмом для создания лидирующей скважины или рыхления грунта шнеком (рис. 2). Кроме этого, у данной установки есть рычажный механизм зажима шпунта, позволяющий погружать и извлекать стальной шпунт «Ларсен-IV» и «Ларсен-V». Установка рассчитана на работу в условиях слабых грунтов с показателем консистенции IL > 0,3.
В настоящее время трест работает со сваевдавливающими установками, у которых усилие вдавливания достигает 1600 кН (фото 2), и дорабатывает установку с усилием до 2000 кН. Разрабатывается также установка мостового типа с торцевой передачей усилия на сваю УСВ-300.
В 2008 г. на площадках Санкт-Петербурга появились сваевдавливающие установки китайского производства, в составе которых крановая установка, пресс-группа, закрепленная на раме, с полыми опорными передвигающимися продольными и поперечными платформами, которые могут заполняться жидкостью и служить пригрузом с созданием усилия вдавливания до 3600 кН (фото 3, 4).
Преимущества технологии вдавливания свай заводского изготовления:
- контроль качества конструкции ствола сваи проводится до ее погружения;
- обеспечение высокой точности погружения, особенно при использовании лидерного бурения;
- исключены вибрационные воздействия как на расположенные рядом здания и сооружения, так и на саму конструкцию сваи;
- усилие вдавливания зависит от веса машины и может быть увеличено добавлением груза до 100–160 т; технология позволяет вести погружение свай в предварительно пробуренные скважины (использование лидерного бурения), что значительно снижает необходимое усилие вдавливания;
- практически полная бесшумность работы обеспечивается электрогидравлическим приводом машины;
- возможности проведения непрерывного контроля усилия вдавливания, а следовательно, и оценки несущей способности погружаемой сваи по имеющейся методике.
Недостатки метода вдавливания:
- большая по массе установка при движении близ существующей застройки создает динамические и вибрационные воздействия, что требует выполнять до начала работ специальную подготовку площадки с укладкой дорожных плит;
- ограничение применения метода при определенных грунтовых условиях, в частности, когда в слоях грунта содержатся крупные твердые включения или в разрезе площадки существуют слои песчаных разностей средней плотности (или плотных), а также при прохождении слоев глинистого грунта тугопластичной, полутвердой или твердой консистенций (в практике строительства для преодоления таких препятствий используют предварительное рыхление или бурение лидерных скважин сечением менее размера погружаемых свай);
- сложность создания большого по величине статического вдавливающего усилия;
- необходимо обеспечение стройплощадки значительным по мощности источником электроэнергии (до 200 кВт), что в построечных условиях в последнее время требует использования автономного источника электроэнергии (дизель-генератора);
- в определенных грунтовых условиях, в частности в грунтах с ленточной текстурой, погружение свай вдавливанием может привести к выпору грунта и дополнительным деформациям основания и фундаментов расположенных рядом (на дистанции до 3 м) зданий.
В качестве практического примера использования лидерного бурения при погружении свай вдавливанием можно привести опыт работы на объекте по адресу: ул. Шпалерная, д. 50. Этот метод применялся здесь при погружении 28-метровых свай поперечным сечением 35х35 см в непосредственной близости к существующим зданиям (фото 5), у которых до начала строительства были трещины в ограждающих конструкциях. Грунтовые условия площадки характеризовались как неблагоприятные ввиду их сильной сжимаемости и тиксотропности, в то время как в пылеватых супесях и суглинках встречались прослойки гравелистых песков с валунами и полутвердых супесей.
Первоначальное погружение свай без лидерной скважины показало, что погружение второй секции сваи привело к величинам ускорения колебаний грунта до 0,14 м/с2, что оказалось близко к предельно допустимой величине 0,15 м/с2 1. Динамические нагрузки связаны с тем, что при возрастании реактивного сопротивления грунта до 1400 кН и выше в момент перехвата сваи зажимным устройством установка всей массой ударялась о грунт.
В связи с этим дальнейшее погружение свай выполнялось установкой УСВ-120М с лидерным рыхлением грунта шнековым буром диаметром 380 мм на глубину 24 м. Это позволило снизить максимальные ускорения колебаний стены соседнего здания до 0,055 м/с2. С применение дополнительного пригруза в виде железобетонных плит, расположенных на кронштейнах на раме установки, привело к еще более существенному снижению ускорения колебаний — до 0,015 м/с2.
Следует, однако, отметить, что при предварительном рыхлении плотных слоев грунта, особенно гравелистых прослоек с валунами, величина динамических нагрузок оказывается сопоставимой с величинами нагрузок от погружения свай. Частичное извлечение грунта из скважин при использовании шнековой колонны для рыхления грунта, как правило, приводит к подвижкам грунта на горизонте проходки, что, по результатам наблюдений СПб ГАСУ, сказывается на осадках соседних зданий.
В геотехнической практике: сооружение разделительных стенок при строительстве встроенных зданий, а также устройство ограждающих конструкций котлованов вызывают необходимость погружения шпунта. В строительной практике: для погружения шпунта в застроенной части города ранее широкое применение получил метод вибропогружения безрезонансным вибратором с регулируемой частотой. Несмотря на все предосторожности при использовании данного метода, в конструкциях рядом расположенных зданий возникали деформации и появлялись трещины.
Несколько лет назад в городе впервые появилось оборудование российского изготовления для вдавливания шпунта. Представленное установкой на базе кранового оборудования ДЭК весом до 15 тонн, оно позволяет производить вдавливание шпунтовых свай собственным весом.
Более совершенное оборудование, изготовленное в Германии, впервые использовалось при вдавливании шпунта Z-профиля при строительстве второй очереди гостиницы «Невский Палас». Установка немецкого производства BANUT 655 представляет собой копровую машину, имеющую специальную навеску, позволяющую выполнять вдавливание шпунта в виде кассет из 4-х шпунтовых свай, заранее собранных вместе на стенде (фото 6).
Основные параметры машины: вес — 120 т, изменяемая ширина гусеничной базы — от 2400 до 3800 мм, длина базовой машины — 9,5 м, мощность двигателя CAT — 261 кВт.
Данная машина позволила выполнить ограждение котлована длиной 210 м за 14 дней, что соответствовало средней производительности вдавливания шпунта 200 пог. м в смену. Длина вдавливаемого шпунта определяется возможностями базовой машины (высоты мачты) и составляет для установки BANUT 655 не более 16 м.
Для погружения шпунтовых свай типа АRCELOR длиной до 25 м в непосредственной близости от существующей стены здания (30 см) в Санкт-Петербурге в 2008 г. появились японские установки GV-ECO700S и Giken Silent Piler SCZ 100 (фото 7, 8.).
Эти установки могут создавать усилие вдавливания до 1100 кН и погружать шпунтовые сваи со скоростью от 1,5 до 35 м/мин. Так, в 2008–2009 гг. в Санкт-Петербурге с помощью установки GV-ECO700S был огражден котлован под трехэтажное подземное пространство внутри двора по адресу: набережная р. Мойки, 75 2.
Буроинъекционные сваи
Буроинъекционные сваи в городе на Неве применяются с 1986 года. За это время работа таких свай в массиве грунта и технология их изготовления постоянно изучались, и к настоящему времени мы обладаем достаточно широким спектром технологических приемов и конструктивных решений, которые и позволили данные сваи выделить в отдельный раздел.
Буроинъекционные сваи преимущественно используются при усилении оснований и фундаментов существующих реконструируемых и реставрируемых зданий и сооружений, в частности памятников архитектуры. Помимо этого, буроинъекционные сваи могут применяться и при строительстве новых сооружений рядом с существующими зданиями.
За рубежом их называют «корневидными сваями» из-за формы ствола, имеющего по длине многочисленные местные уширения, получаемые при нагнетании раствора в скважину под давлением. Буроинъекционные сваи обладают большим относительным заглублением, которое характеризует отношение длины сваи к ее диаметру.
Для устройства буроинъекционных свай используют растворы различного типа (в зависимости от условий строительства и характера работы свай в конструкции), а также мелкозернистые бетоны. Для буроинъекционных свай могут использоваться цементно-песчаные, цементно-бентонитовые и цементные растворы. В необходимых случаях возможно также применение растворов других специальных составов.
Для заполнения скважин при бурении применяют глинистый буровой раствор, состав, удельный вес и другие показатели которого обеспечивают стенкам скважин устойчивость к оплыванию и обрушению. Плотность глинистого (бентонитового) раствора обычно принимают равной ρ=1,05–1,25 г/см3.
Во многих случаях усиления оснований существующих зданий и сооружений их фундаменты используются в качестве ростверка в новом фундаменте. Устройству буроинъекционных свай в этих случаях, как правило, предшествует укрепительная цементация фундаментов. Заделка буроинъекционных свай в тело усиливаемого бутового фундамента должна быть не менее их 6 диаметров. Технологический цикл цементационно-укрепительных работ включает бурение в грунте или теле существующего фундамента инъекционных скважин, цементацию фундамента и зоны контакта фундамента с грунтом, опрессовку скважин. Бурение цементационных скважин выполняется, как правило, колонковым бурением станками вращательного действия. При малых диаметрах (до 42 мм) допускается перфораторное бурение с использованием сжатого воздуха. Диаметр скважин назначают в зависимости от условий работы, состояния кладки существующего фундамента и его размеров.
При усилении существующих фундаментов цементацию выполняют, как правило, в два этапа. На первом этапе цементационную скважину бурят в пределах фундамента, не доходя до его подошвы 0,5 м.
В устье скважины для предотвращения выхода из нее нагнетаемого раствора устанавливают тампон (обтюратор), а затем выполняют цементацию фундаментов. По окончании цементации скважину выдерживают в течение 2–3 сут.
На втором этапе повторно разбуривают ствол скважины или тела фундамента до его подошвы и далее в грунт на 0,4–0,5 м, а затем цементируют зону контакта фундамента с грунтом. В этом случае тампон размещают в кладке фундамента на уровне 0,5 м выше подошвы.
Давление нагнетания при цементации фундаментов не превышает 0,1 МПа, при цементации зоны контакта — 0,2 МПа. Нагнетание прекращают, если расход цементационного раствора в течение 10 мин. при давлении 0,2 МПа не превышает 1 л/мин.
Вид и состав цементационных растворов зависят от конструкции, материала, состояния существующих фундаментов, геологических и гидрогеологических условий площадки. В каждом конкретном случае состав раствора подбирает лаборатория.
Технологический цикл устройства буроинъекционных свай (рис. 3):
1) бурение кладки фундаментов и (в случае необходимости) стен, а также других конструктивных элементов зданий и соору-жений;
2) установка трубы-кондуктора;
3) бурение скважины в грунте до проектной отметки;
4) заполнение скважины раствором;
5) установка арматурного каркаса;
6) опрессовка скважины.
Бурение скважин при устройстве буроинъекционных свай выполняется станками колонкового бурения с продувкой сжатым воздухом. При проходке неустойчивых, обводненных грунтов бурение ведется с промывкой скважин глинистым (бентонитовым) раствором или под защитой обсадных труб. Скважины в пределах конструкций реконструируемого здания производятся так, чтобы в них можно было устанавливать трубы-кондукторы, внутренний диаметр которых больше или равен расчетному диаметру буроинъекционных свай.
Заполняются скважины через трубу-кондуктор цементным раствором до излива его из устья скважины. Раствор подается через рабочий орган бурового станка или трубу-инъектор, опущенную до дна забоя скважины. При понижении уровня раствора в скважине более чем на 1 м ее выдерживают в течение суток и затем доливают до устья цементным раствором с меньшим водоцементным соотношением.
До начала схватывания раствора в скважину устанавливают трубу-кондуктор. Через двое суток выполняют разбуривание цементного камня в трубе-кондукторе с продувкой сжатым воздухом. После этого ведут бурение скважины до проектной отметки нижнего конца сваи. По окончании бурения скважину через буровой став промывают от шлама свежим буровым раствором в течение 3–5 мин. Заполнение скважины раствором производится через буровой став или трубу-инъектор от забоя скважины снизу вверх — до полного вытеснения глинистого раствора и появления в устье скважины чистого цементного раствора. Непосредственно после заполнения скважины раствором в нее устанавливают арматурный каркас, который опускают отдельными секциями. Стыковку секций армокаркаса выполняют с помощью сварки.
После установки армокаркасов в проектное положение и при отсутствии утечек раствора из скважин (снижение уровня раствора в скважине не более чем на 0,5 м) выполняют опрессовку сваи (рис. 4, фото 9).
Для выполнения опрессовки сваи в верхней части трубы-кондуктора устанавливают тампон (обтюратор) с манометром и через инъектор нагнетают раствор под давлением в 0,2–0,3 МПа в течение 3–4 мин. Опрессовка может быть прекращена, если в ее процессе суммарный расход раствора не превышает 200 л. При большем расходе необходимо выдержать сваи в течение суток и после этого опрессовку повторить.
Продолжение следует СтройПРОФИль № 7-11
| Автор: Р. А. Мангушев Дата: 12.09.2011 Журнал Стройпрофиль 6-11 Рубрика: геотехнологии, фундаменты Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |