CC BY
101-----мшпшццдь
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.153.7
А.Г. МАЛИНИН, канд. техн. наук, технический директор, Д.А. МАЛИНИН, инженер, ГК«ИнжПроектСтрой» (Пермь)
Анкерные сваи «Атлант»
Приведена отечественная технология устройства анкерных свай «Атлант» и результаты экспериментального исследования данного типа свай. Показано, что применение свай «Атлант» с использованием штанг, оснащенных гомогенизаторами, повышает диаметр цементного тела и несущую способность конструкции.
Ключевые слова: анкерная свая, несущая способность, временное сопротивление, предел текучести
Российские строительные предприятия в рамках современного экономического кризиса вынуждены искать способы удешевления строительно-монтажных работ. При этом часто бы-
вает, что выполнение работ с применением отечественных материалов и технологий не является технически возможным, а применение современных зарубежных технологий и материалов - экономически невыгодным.
Группой компаний «ИнжПроектСтрой» разработана и успешно применяется новая технология устройства анкерных свай «Атлант», которая в настоящее время является отечественной альтернативой известной технологи «Titan».
В отличие от своего зарубежного аналога технология имеет более низкую стоимость благодаря применению стандартных высокопрочных труб, массово выпускаемых российскими металлургическими заводами.
Область применения технологии достаточно широка. Как своеобразный тип буроинъекционных свай они могут применяться для строительства свайных фундаментов, а также для усиления фундаментов реконструируемых зданий и сооружений, а как анкеры -для крепления бортов котлованов, откосов, подпорных стен и т. д.
«Атлант®» - это запатентованная авторами технология устройства анкерных свай [1-3], основанная на использовании в качестве специальных теряемых буровых штанг полых высокопрочных труб, которые по окончании бурения оставляют в скважине в качестве армирующего элемента сваи
или тяги анкера. Трубы соединяются между собой муфтами с конусной резьбой, обеспечивающей высокую прочность соединения.
В сущности, технология «Атлант» является отечественным аналогом технологии «Titan». В обоих случаях основой технологии является бурение скважин с помощью штанг, которые после окончания бурения не извлекают, а оставляют в скважине. После твердения цементного раствора в грунте формируется цементная свая, армированная центрально расположенной штангой (рис. 1).
Технология устройства анкерных свай «Атлант» включает следующие технологические операции.
1. Бурение скважины до проектной отметки с использованием цементного раствора с В/Ц=1. Цементный раствор выполняет две функции. Во-первых, данный раствор является буровым раствором, транспортирующим частицы разрушенного грунта на поверхность. Во-вторых, цементный раствор является первичным инъецирующим раствором, который заполняет пустоты, трещины и пропитывает окружающий грунт. Именно поэтому особенно важно, чтобы в процессе бурения раствор постоянно изливался из устья скважины, так как наличие выхода раствора на поверхность гарантирует качество инъекции окружающего грунта.
Рис. 1. Конструкция анкерной сваи «Атлант»: 1 — долото буровое; 2 — муфта; 3 — труба; 4 — переход; 5 — шпилька; 6 — пластина; 7 — шайба; 8 — гайка
Рис. 2. Анкерные штанги «Атлант»
Рис. 3. Установка рабочих анкеров
-|g'201Q
1
--------- Ц П ШЦ Ы П Е
СТРОИТЕЛЬСТВО
Таблица 1
Расчетные характеристики материала штанг «Атлант»
Диаметр, мм Толщина стенки, мм Предел текучести, МПа Нагрузка на пределе текучести, кН Временное сопротивление, МПа Предельная нагрузка на разрыв, кН
60 5 491 410 687 573
73 5,5 491 554 687 776
89 6,5 491 804 687 1125
114 7 491 1125 687 1575
Таблица 2
Тип нагружения свай Количество испытаний Средняя несущая способность, кН
Вдавливание 3 565
Выдергивание 4 582
2. Опрессовка скважины более густым цементным раствором В/Ц=0,4-0,6, в процессе которой формируется оболочка из чистого цементного камня высокой прочности. В том случае, если технология применяется для устройства анкеров, дополнительно используется система крепления анкера к обвязочному поясу.
По сравнению с другими технологиями устройства микросвай или анкеров разработанная технология имеет ряд преимуществ:
- упрощение процесса за счет одновременного бурения скважины, устройства и армирования тела анкерной сваи;
- повышение производительности труда приблизительно в 5-10 раз по сравнению с устройством традиционных буроинъекционных свай или грунтовых анкерных конструкций;
- возможность устройства анкеров и свай в неустойчивых грунтах без применения обсадных труб;
- возможность применения малогабаритных буровых станков для работ по усилению фундаментов из подвалов существующих зданий, в стесненных пространствах подземных сооружений;
- отсутствие негативного воздействия на существующие фундаменты здания;
- возможность производства работ в заводских цехах без остановки производственного процесса;
- снижение затрат ручного труда.
Конструкция штанг «Атлант». В технологии «Titan» в качестве штанг используются полые трубчатые элементы с накатанной волновой поверхностью, обеспечивающей качественный контакт между трубчатым элементом и цементным камнем. Между тем высокая стоимость накатки, определяющая стоимость всей технологии, ограничивает распространение технологии в нашей стране, особенно в условиях экономического кризиса.
В технологии «Атлант» предлагается использовать в качестве штанги трубу с гладкой поверхностью. Подобное решение позволяет значительно
уменьшить стоимость технологии за счет применения стандартных труб, выпускаемых отечественной промышленностью.
Из всего многообразия сортамента труб в табл. 1 приведены характеристики только одной категории труб, изготовленных из легированной конструкционной стали и широко применяемых предприятием «ИнжПроект-Строй».
Практика показывает, что использование гладких труб не снижает существенно несущую способность свай (анкеров). Это объясняется достаточным по величине сцеплением между поверхностью трубы и цементным камнем. Следует иметь в виду, что прочность контакта обеспечивается не только шероховатостью поверхности, но и действием обжимающих усадочных напряжений в цементном камне, возникающих в процессе твердения раствора, а также действием гидростатического давления грунта на цементную оболочку. Совокупность всех факторов приводит к тому, что в большинстве случаев свая (анкер) срывается по грунту, а не по контакту труба - цементная оболочка.
Важной конструктивной особенностью штанг «Атлант» являются специальные анкерные элементы (гомогенизаторы). Они выполняют несколько функций:
- улучшение проработки скважины при бурении и увеличение ее диаметра;
- гомогенизация цементной смеси при опрессовке;
- повышение несущей способности анкерной сваи.
В случае устройства анкера гомогенизаторы целесообразно монтировать только на штангах, которые будут расположены в корневой части анкера, а в случае сваи это достаточно сделать только на тех частях трубы, которые в последующем будут расположены в наиболее прочном слое грунта.
Испытание анкерных свай с использованием гладкой трубы. В Екатеринбурге ГК «ИнжПроектСтрой» выполне-
ны работы по усилению фундамента жилого дома сваями «Атлант» с использованием трубы диаметром 73X5,5 мм с гладкой поверхностью. Трубы длиной 1 м соединяли муфтами диаметром 89 мм. Перед началом работ проводились испытания, которые включали испытания свай вдавливающей и выдергивающей нагрузкой.
Сваи длиной 30 м были устроены в глине от мягкопластичной до полутвердой консистенции с прослоями разрушенных скальных пород. Работы по устройству свай производили из подвала здания. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Несущая способность на вдавливание получилась несколько ниже, чем на выдергивание. Это объясняется тем, что в одном случае испытательный стенд потерял устойчивость при вдавливающей нагрузке, близкой к предельной нагрузке по материалу штанг «Атлант», составлявшей 573 кН.
Таким образом, несущая способность свай при вдавливании и выдергивании является практически одинаковой (в рамках погрешности испытаний). Это объясняется малым диаметром свай и их большой длиной. Основной вклад дает сцепление сваи с грунтом, а сопротивление грунта под подошвой сваи является малой величиной, не влияющей на конечный результат. Именно по этим причинам данный тип свай получил наименование «анкерная свая», т. е. эти сваи можно рассматривать как традиционные буроинъекцион-ные, а также как анкеры.
Испытания подтвердили возможность применения гладкой трубы для достижения высокой несущей способности при вдавливающей и выдергивающей нагрузке, сопоставимой с предельной прочностью трубы на пределе текучести.
Сравнение анкеров «Атлант» и анкеров «Titan». При реконструкции межшлюзовых причальных сооружений Волго-Балтийского канала выполнялись опытные работы по проверке несущей способности грунтовых анкеров для крепления шпунтовой стенки.
В рамках испытаний были устроены 3 анкера «Атлант» длиной 12 м и 10 анкеров «Titan» различной длины. Всего было выполнено три опытных
5'2010
61
ЖИЛИЩНОЕ
Таблица З
Таблица 4
Номер анкера Тип анкера Длина анкера, м Тип грунта Предельная нагрузка, кН Характер разрушения
3 Titan 40/16 12 Супесь 534 Разрушение по материалу
A1 Атлант 89x6,5 12 Супесь 550 Разрушение опорной плиты
5 Titan 40/16 12 Глина 404 Срыв анкера по грунту
6 Titan 40/16 12 Глина 269 Срыв анкера по грунту
9 Titan 40/16 12 Глина 387 Срыв анкера по грунту
A2 Атлант 89x6,5 12 Глина 505 Предельное усилие домкрата
A3 Атлант 89x6,5 12 Глина 455 Разрушение опорной плиты
BÜrtr. - чРччЦ»
Рис. 4. Откопанная опытная анкерная свая «Атлант»
участка в различных геологических условиях (в супесях и мягкопластич-ных глинах), присутствующих в рамках строительной площадки. Диаметр бурового долота у всех анкеров составлял 150 мм, а анкеры «Атлант» были оснащены гомогенизаторами.
Из результатов испытаний анкеров выдергивающей нагрузкой видно, что несущая способность анкеров «Атлант» в глинистых грунтах выше несущей способности «Titan» (табл. 3). Это связанно с наличием в конструкции гомогенизаторов, которые в процессе бурения улучшают качество проработки скважины и соответственно, увеличивают диаметр тела анкера.
По результатам испытаний анкеры «Титан» в зоне глинистых грунтов пришлось удлинить с 12 м до 15 м для обеспечения проектной несущей способности, чего не потребовалось бы в случае применения анкеров «Атлант».
Сопоставление свай с использованием гладкой трубы и трубы с допол-
Тип сваи Диаметр буровой головки, мм Фактический диаметр сваи, мм Коэффициент увеличения диаметра Средний коэффициент увеличения диаметра
127 128 1,01
А 150 162 1,08 1,05
180 192 1,07
127 178 1,4
Б 150 172 1,15 1,21
180 196 1,09
100 110 120 130 140 150160 170 180 190 Диаметр буровой головки, мм
Рис. 6. Изменение несущей способности сваи от диаметра буровой головки: 1 — тип А; 2 — тип Б
нительными анкерными элементами. В Перми при строительстве административно-торгового здания были выполнены работы по ограждению котлована с применением анкеров «Атлант» (рис. 2, 3). Грунтовый массив в пределах площадки сложен из песка с верхним метровым слоем насыпного грунта. Для определения влияния дополнительных анкерных элементов были выполнены опытные работы по выдергиванию свай «Атлант» длиной 3 м с различными конструктивными особенностями.
Опытные анкеры различались диаметром буровой головки (114 мм, 150 мм, 180 мм) и типом армирования:
- тип «А»: труба 073X5,5 мм с гладкой поверхностью;
- тип «Б»: труба 073X5,5 мм с отрезками арматурных стержней, приваренных попарно на равном расстоянии по всей длине трубы.
Сваи испытывали выдергивающей нагрузкой. Впоследствии все сваи бы-
ли откопаны (рис. 4) для измерения фактического диаметра. Результаты измерений приведены в табл. 4.
Анализ результатов измерений показывает, что при использовании труб с анкерными элементами диаметр свай увеличивается на 21% в отличие от гладких труб, у которых увеличение диаметра составляет всего 5%.
Анкерные элементы по сути являются «лопастями» своеобразного линейного миксера. В той области, где они работают, формируется тело сваи из чистого цементного камня высокой однородности и прочности. За пределами этой области цементная оболочка может содержать непромешанный грунт (рис. 5).
На рис. 6 показан график несущей способности анкерных свай с использованием гладкой трубы и трубы, оснащенной анкерными элементами. Установлено, что применение анкерных элементов повышает несущую способность свай в 1,5-2 раза.
Новая технология устройства анкерных свай успешно применена на десятках объектов: при устройстве геотехнических экранов; при устройстве свайных фундаментов для технологического оборудования на ряде промышленных предприятий; при анкерном креплении бортов котлованов; при усилении фундаментов аварийных зданий и т. д.
Список литературы
1. Патент на полезную модель №74645. Свая / А.Г. Малинин, П.А.Малинин, Д.А. Малинин // Опубл. 10.07.2008. Бюл. № 18.
2. Патент на полезную модель №83517. Грунтовый анкер / А.Г. Малинин // Опубл. 10.06.2009. Бюл. № 19.
3. Патент на полезную модель №89538. Грунтовый анкер / А.Г. Малинин, Д.А. Малинин // Опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34.
62
5'2010
