CC BY
6УДК 624.21
Ю.П. СМОЛИН, В.Ф. СКОРКИН
К ВОПРОСУ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ ФУНДАМЕНТОВ АВТОДОРОЖНОГО МОСТА ЧЕРЕЗ р. МОСКВУ НА ТРАССЕ КРАСНОПРЕСНЕНСКОГО
ПРОСПЕКТА
Автодорожный мост через р. Москву в районе Краснопресненской набережной в г. Москве стоит на двух опорах арочного пилона, который поддерживает на вантах 850-метровый пролет моста. Арочные опоры опираются на свайный ростверк. Буронабивные сваи опор диаметром 1,5 м погружены в трещиноватые закарстованные известняки. Для проведения цементации известняков ниже острия свай была использована технология, разработанная российскими строителями. Эта технология и описана в настоящей статье.
Правительством Москвы по итогам открытого конкурса, проведенного в 2003 г., был одобрен проект моста через р. Москву в районе Краснопресненской набережной в Серебряном бору. В 2008 г. мост был построен, но для ввода в эксплуатацию необходимо было осуществить независимую экспертизу и сделать по ее результатам заключение. В качестве экспертов были назначены авторы настоящей статьи. Изучив и проектную документацию, и технологии производства строительных работ, авторы посчитали необходимым рассказать об этом уникальном и передовом опыте строительства в отечественном мостостроении, который представляет научный и практический интерес в фундаментостроении.
Мостовой переход через р. Москву состоит из трех частей:
— левобережная эстакада до проспекта Маршала Жукова длиной 202,58 м;
— прибрежная эстакада длиной 375 м, расположенная на 15 опорах;
— центральная часть — собственно вантовый мост.
На рис. 1, 2 показаны план и общий вид мостового перехода.
^ Оп, 1
0БМ-0104-П1 - участок Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова. Мостбой переход через р.Москбу. Мост.
Рис. 1. План мостового перехода через р. Москву с пролетными опорами
Рис. 2. Общий вид моста со стороны левобережной эстакады
Часть моста, непосредственно расположенная над рекой, стоит на шести пролетных опорах и двух опорах арочного пилона. Опоры с третьей по шестую, включительно, и опоры арочного пилона расположены в русле реки. Первая и вторая опоры частично находятся в русле и на берегу.
Все указанные выше опоры моста опираются на свайный ростверк. Ростверки пролетных опор с первой по шестую опору имеют одинаковый размер в плане (длина — 36,5 м, ширина — 7,0 м). Высота ростверков — 3,0 м. Для ростверков предусмотрен бетон по прочности В30, по морозостойкости F 300 и водонепроницаемости W 8. Арматура ростверков изготовлена из стали А III 25 Г 2С.
Все ростверки опираются на буронабивные железобетонные сваи диаметром 1,5 м. Сваи заходят в тело ростверка на глубину 100 мм. Для жесткой заделки свай в ростверке из свай в ростверк заведена арматура каркаса сваи на глубину 750 мм. В ростверках следующее число свай: опора 1 — 16 шт., опора 2 — 18 шт., опора 3 — 21 шт., опора 4 — 25 шт., опора 5 — 25 шт., опора 6 — 23 шт.
Правобережная и левобережная опоры арочного пилона (рис. 3) сваи расположены: 5 свай в ряду вдоль моста, 12 свай в ряду поперек моста (всего 60 свай в каждой опоре).
В результате инженерно-геологических изысканий, проведенных под русловыми опорами и опорами арочных пилонов до глубины 45 м, было установлено, что до 22-25 м залегают пески и глинистые отложения (песчанистые супеси, суглинки и тяжелые глины). Ниже дисперсных грунтов на неопределенную глубину распространяются карбонатные отложения закарстованных известняков.
Существование зон разуплотнения, разрушения и карстовых пустот, конечно, повлияло бы отрицательно на работу основания под нагрузкой, поэтому проектом и предусматривалось укрепление этих зон. Но особенно важно
ответить на вопрос: продолжаются ли процессы суффозии в известняках, и если да, то с какой скоростью, или же процесс приостановился. На наш взгляд, в настоящее время в известняках данного объекта суффозные процессы практически не происходят. Подземные воды в горизонте известняков имеют гидравлическую связь с р. Москвой, уровень которой зарегулирован и практически не меняется. Подземные воды находятся в квазистатическом состоянии, концентрация растворенных элементов в воде предельная, и поэтому дальнейшее растворение известняков не происходит. Из-за трещиноватости и закарстован-ности известняков в основании свай проектировщики приняли верное решение — известняки инъектировать цементным раствором.
Рис. 3. Вид левобережной арочной опоры в процессе строительства
Сваи опор арочного пилона погружены до скального основания и рассматриваются как сваи-стойки. Шнековое бурение скважин в обсадных трубах для буронабивных свай производилось таким образом, чтобы концы свай углублялись в скальный массив на величину >2 м. После окончания бурения устанавливался арматурный каркас. Каркас оборудовался двумя стальными трубками: одна — диаметром 0,76 мм, другая — 121...133 мм. Трубки диаметром 0,76 мм нужны для контроля сплошности буровых столбов неразрушающими методами (ультразвуковой метод). Трубки диаметром 121.133 мм необходимы для цементации известняков в основании свай. (Трубки приваривались к каркасу.)
После установки арматурного каркаса в скважину опускалась бетонолитная труба диаметром 240.325 мм на глубину, не доходящую до дна скважины на 20.30 см. (Трубки зачеканивались снизу, чтобы в них не попал раствор.)
Укладка бетонной смеси в скважину производилась на всю глубину скважины. Обсадная труба постепенно производила возвратно-поступательное движение: на 20-30 см приподнималась вверх, а затем на 10-15 см опускалась вниз.
Таким образом формировалась рифленая боковая поверхность сваи. К заполнению скважины бетоном приступали через 24 ч после окончания бурения.
Фактическое погружение свай в скальную породу устанавливалось по результатам штамповых испытаний. Штамповые испытания производились выше проектной отметки при бурении скважины, на расстояние примерно 2...2,5 м. Первые испытания проводились в соответствии с требованиями, заложенными в проекте, по результатам которых устанавливалась прочность известняков под штампом. Если прочность известняка не отвечала прочности, принятой по проекту, то бурили ниже, примерно на один метр, и вновь производили штамповое испытание. Если известняк соответствовал проектной прочности, то эта отметка пробуренной скважины принималась как фактическая отметка погружения сваи. Если прочность грунта вновь была ниже проектной, то бурили ниже и снова определяли прочность известняка.
Штамповые испытания проводились на каждой опоре:
опоры 1, 2, 4, 5 — по трем сваям в двух отметках;
опора 3 — по трем сваям на шести отметках;
опора 6 — по трем сваям на трех отметках.
Важнейшей операцией в технологии изготовления свай-столбов является цементация трещиноватых и закарстованных обводненных известняков в их основании.
Для закрепления трещиноватых и закарстованных известняков рекомендовано было использовать инъекционный раствор на основе В/Ц + бентонит = 0,5, прочностью 15 000 кПа (15,0 МПа). Состав: вода — 599 л, цемент — 1164 кг, бентонит — 35 кг. Плотность инъекционного раствора составляла р = 1,8 г/см3.
Через трубку диаметром 121-133 мм производилось бурение известняков с прямой промывкой водой буровой установкой УРБ 2А2 (СКБ-4) с захватками по 1,5.2,0 м.
Диаметр зоны закрепления грунта должен быть равен 2,6 м; толщина слоя закрепления — 7,0 м. Если в забое скважины сильнотрещиноватые известняки, скважина добуривается до глубины 10 м (до прочных известняков).
Технология инъектирования предусматривала:
— бурение скважины на величину заходки;
— промывку скважины;
— определение удельного водопоглощения;
— инъекцию известняков до «отказа»;
— разбуривание цементного камня в захватке и определение удельного водопоглощения, по результатам которого принимается решение о разбурива-нии цементного камня последующей захватки или о повторном инъектировании;
— бурение скважины на величину второй захватки и повторение предыдущих операций.
Опытные работы по инъектированию грунтов, проведенные на первых скважинах, показали, что можно отказаться от описанной выше методики, а для осуществления цементации принять методику, разработанную ОАО «ЦНИИС НИЦ "Тоннели и метрополитены"». По этой методике цементация кавернозных известняков производится в два этапа (основной и контрольно-заключительный). Цементация выполняется через направляющие металлические трубки диаметром 108 мм, находящиеся в свае (о них упоминается выше, хотя диаметр
принимается 121-133 мм). Через эти трубки производится бурение скважин одной заходкой 7 и 10 м буровой установкой УРБ 2 АГ.
Фактическое состояние известняков и расход цементного раствора для закрепления грунтов определялись по провалам бурового инструмента, поглощению промывочного раствора и коэффициенту фильтрации, установленному методом налива.
Для ограничения распространения цементного раствора в грунтовом массиве в раствор добавлялось до 20 % силиката натрия. Нагнетание цементного раствора в скважину производилось последовательно в две фазы: раствор в скважину подавался самоизливом и нагнетанием с помощью инъекционно-смесительной установки «Турбо-100».
Нагнетание раствора соответствовало давлению «отказа». Под «отказом» принималось нулевое поглощение или сокращение расхода раствора до 5,0 л/ мин. При выполнении основного контрольно-заключительного этапа цементации 15 кг/см2 (0,15 МПа) за отказ принималось нулевое поглощение или расход раствора меньше 0,5 л/мин.
Контроль качества и оценку достаточности объема материала по цементации грунта необходимо проводить на всех этапах работ по нагнетанию раствора в скважину с составлением актов об освидетельствовании скрытых работ.
После проведения цементации в скважине и после набора прочности цементом, в закрепленном грунте производились испытания на удельное водо-поглощение при гидроопробовании контрольных скважин. Закрепленный грунт считается водонепроницаемым, когда фильтрация не превышает 0,050,1 л/мин-м2 водного столба. При этом на основном этапе работ по цементированию на всех сваях опор был получен отказ при 0,10 МПа, расход раствора в скважинах колебался от 0,2 до 20 м3.
При контрольном инъектировании при 0,15 МПа отказ имел место только для отдельных свай.
Как уже было сказано выше, имеется опасность существования в основании карстовых полостей и зон пониженной плотности и разрушения известняка до состояния щебня и даже «муки». Геофизические исследования показывают, что такие зоны весьма обширны. Представляет практический интерес вопрос эффективности инъектирования в основание свайных столбов при их устройстве.
Для решения этого вопроса по указанию авторов данной статьи строителями было пробурено пять контрольных скважин: три у левобережной опоры и две у правобережной. Скважины пробурены глубиной по 42 м, т.е. ниже концов свай не менее 2 м. Бурение колонковое — с выкладкой керна из всей скальной и полускальной толщи.
На рис. 4 а, б, в показано типичное состояние керна в зоне концов столбов, а на рис. 5 — стенд для испытания кернов известняка на одноосное сжатие.
Контрольное бурение в основном подтверждает результаты инженерно-геологических изысканий.
При контрольном бурении у правобережной опоры пилона обнаружилось, что обратная засыпка котлована выполнена некачественно, появились провалы грунта от веса бурового станка в виде воронок.
Рис. 4. Состояние керна в одной из скважин: а — на глубине 33 м; б — на глубине 40 м; в — на глубине 42 м
Рис. 5. Стенд для испытания кернов известняка на одноосное сжатие
Контрольное бурение не выявило в основании фундаментов пилонов обширных зон разрушения известнякового массива, не было обнаружено и карстовых пустот. Поэтому в кернах отсутствовали следы раствора инъектирования.
В разрушенные щебенистые зоны массива раствор не поступил, по-видимому, потому, что эти зоны замкнутые и не сообщались с инъекционным каналом. По данным исполнительной документации можно сделать вывод, что значительные объемы раствора поглощались скальным грунтом. В трещиноватом массиве всегда бывают сквозные трещины, по которым возможно перемещение раствора, и не обязательно эти пути пересекутся скважинами малого диаметра.
В скважинах контрольного бурения на уровне пяток столбов и ниже на 2 м отбирались керны известняка для испытания на одноосное сжатие, проводимое в соответствии с ГОСТ 17245-79. Результаты испытаний на одноосное сжатие Лс и значения модуля упругости Еу сведены в таблицу.
Результаты испытаний кернов на одноосное сжатие
№ п/п № скважины Глубина отбора, м Rc, МПа Еу, МПа
1 1к 40 26 20100
2 1к 42 70 17300
3 2к 40 26 9600
4 2к 42 70 20500
5 3к 40 30 11000
6 3к 42 60 26700
7 4к 40 28 7500
8 4к 42 55 20000
9 5к 40 60 30000
10 5к 42 28 9900
Нормативная величина 45,3 16900
Коэф. вариации 0,42 0,47
В расчете свайного фундамента опоры правого арочного пилона использовались данные, взятые из проекта. В результате были определены: осадки свай; горизонтальные перемещения головы сваи; угол поворота; вертикальные усилия (моменты) и поперечные силы в уровне подошвы ростверка; прочность грунта по длине сваи.
Предельная прочность дисперсного грунта ниже дна реки по длине сваи была проверена по рекомендации СП 50-102-2003 г. «Проектирование и устройство свайных фундаментов». Максимальное значение давления свай на грунт близко к предельной прочности грунта, поэтому для обеспечения надежной работы фундаментов арочного пилона проектировщики рекомендовали оставить шпунтовую стенку со стороны берегов на весь период эксплуатации моста.
Несущая способность свай в расчетах принята по несущей способности грунта основания — 15 063,93 кН. Указывается, что предельная нагрузка на голову сваи в уровне подошвы ростверка равна 9 253,0 кН, максимальная нагрузка равна 7 759,0 кН. Это значит, что прочность грунта под столбом больше прочности сечения железобетонной сваи.
Так как керн закрепленного грунта в основании сваи не отбирался, то для определения несущей способности сваи значение сопротивления известняка одноосному сжатию было взято из отчета по инженерно-геологическим изысканиям, где указывается, что прочность известняков колеблется от 5 до 36 МПа. Для расчета приняли прочность известняка 8,5 МПа. Необходимо было в
основании острия свай отобрать керн скального закрепленного грунта (как уже говорилось выше, в рамках проведения данной экспертизы) и испытать его на одноосное сжатие. Эта работа была выполнена при контрольном бурении в марте 2008 г. Прочность известняка составила 16,5 МПа.
Опоры 7, 8, 9 левобережной эстакады запроектированы на свайном фундаменте. Сваи буронабивные железобетонные диаметром 800 мм. На опорах ростверки объединяют висячие сваи: на опоре 7 — 79 свай, на опоре 8 — 24 сваи, на опоре 9 — 66 свай.
В острие свай залегают глинистые грунты — суглинки и глины от полутвердой до твердой консистенции.
Технология изготовления буронабивных свай состояла в следующем. Пробуривалась скважина диаметром 800 мм шнековым бурением без обсадной трубы. В центре бурового шнека проходит бетонолитная труба диаметром 240325 мм, в которую после окончательного бурения и постепенного извлечения шнека из скважины непрерывно подавался бетон до полного заполнения скважины. Затем в скважину, заполненную еще не схватившимся бетоном, погружался металлический каркас. Для контроля качества бетона и сплошности бетонного столба приваривались к кольцам жесткости арматурного каркаса две металлические трубки диаметром 57 мм. Трубки, приваренные к каркасу снизу, имеют заглушки, чтобы бетон не попал в полости трубок.
На опорах 7, 8, 9 проводились штамповые испытания для определения несущей способности свай. На каждой опоре было проведено по три статических испытания штампами.
После проведения штамповых испытаний на опоре 7 установлено, что предельная несущая способность глин в основании острия свай составила 103 кПа (среднее значение, рассчитанное по результатам четырех испытаний). На опоре 9 прочность грунтов составила 50,0 кПа. По результатам штамповых испытаний пришли к выводу, что необходимо заменить сваи диаметром 1500 мм на сваи диаметром 800 мм и при этом увеличить число свай в ростверке.
Для свай такого диаметра, использованных в фундаменте, были произведены выборочные статические испытания. Нагрузку на сваю создавали при помощи гидравлического домкрата грузоподъемностью 500 тс, установленного на голове сваи и упирающегося в наддомкратную балку.
На каждой опоре проведено два статических испытания. За предельную несущую способность сваи на опоре 7 была принята нагрузка 2 535,0 кН. На опоре 9 испытывались три сваи, предельная нагрузка была установлена равной 2 787,0 кН, что и соответствует предельной несущей способности этих свай.
При испытаниях свай статической нагрузкой предельная нагрузка принималась по последней ступени нагрузки, кроме одной сваи на опоре 9. Испытания были прекращены с согласия проектной организации. Ее устраивала расчетная несущая способность свай, равная 2 000 кН, которая обеспечивала значительный запас несущей способности опоры по грунту.
Правобережная эстакада моста насчитывает 15 опор. Фундаменты опор состоят из железобетонных ростверков и забивных призматических свай сечением 35x35 см.
Опора 1 (устой) заделана в два свайных ростверка, в каждом — 49 свай.
Опоры со 2-й по 15-ю имеют также два ростверка, 36 свай в каждом. Всего под эстакаду было забито 1106 свай.
Сваи в ростверках размещены в 2 и 3 ряда, расстояние между их осями составляет 1,2 м. Сваи жестко закреплены в теле ростверка. Головы свай заходят в ростверк на 10 см с выпуском арматуры. Под ростверк укладывается слой щебенки толщиной 10 см.
На площадке строительства эстакады мостового перехода в пределах опор 7 и 8 была забита опытная свая сечением 35x35 см и длиной 14,0 м для проведения испытаний статической нагрузкой с целью определения ее несущей способности по несущей способности грунта.
Строительная площадка в месте расположения опытной сваи по данным инженерно-геологических изысканий характеризуется залеганием в поверхностном слое песков, тугопластичного суглинка и полутвердой (до твердой консистенции) глины. Опытная свая забивалась на глубину 13,6 м, в острие сваи залегали глины.
В ходе испытаний нагрузка на сваю была доведена до 2 000,0 кН, и свая получила осадку 8,7 мм. Критической нагрузки в опыте не достигли. За несущую способность сваи по грунту приняли максимально достигнутую при испытании нагрузку 2 000,0 кН.
В пределах опор 12 и 13 испытали сваю сечением 40x40 см длиной 14,0 м. Нагрузка на сваю была также доведена до 2 000,0 кН, осадка произошла на 6,2 мм.
Кроме указанных выше свай для испытаний статической нагрузкой было забито еще по четыре сваи около опор 1, 2, 4 и 10. Все сваи забивались и испытывались гидромолотом. Полученные «отказы» свай после «отдыха» более 10 дней составили от 1,5 до 5,0 мм. При этих отказах подсчитывалась несущая способность свай. Для свай сечением 35x35 см несущая способность составила 1 100,0...1 830,0 кН, для свай 40x40 см — от 1 590,0 до 1 930,0 кН.
На основании проведенных исследований проектной организацией ОАО «Метрогипротранс» для проектирования свайных фундаментов были приняты сваи сечением 35x35 см длиной 11,0 м.
При расчете свайного фундамента опор 1, 2 была принята несущая способность свай 800,0 кН. На опорах 3.15 несущая способность сваи принята 1100,0 кН.
Расчет свайного фундамента показал, что максимальное усилие в голове свай составляет: на опорах 1.2 — 740,5 кН, а на опорах 3.15 — 867,0 кН, что примерно в два раза меньше предельной нагрузки сваи по грунту.
Проверка расчетов свайных фундаментов по первой группе предельных состояний, по результатам статических и динамических испытаний показала, что фундаменты всех 15 опор правобережной эстакады устойчивы.
На основании экспертного заключения были сделаны выводы:
1. Проектно-изыскательские работы, проведенные перед сооружением оснований и фундаментов, выполнены на достаточно хорошем уровне и в основном отвечают требованиям и рекомендациям действующих строительных норм.
2. Строительные работы по сооружению фундаментов произведены в соответствии с проектом, о чем свидетельствует исполнительная документация.
3. Несущая способность основания обеспечена с некоторым запасом. Это подтверждается контрольными исследованиями основания фундаментов в опорах арочного пилона.
4. Негативные геологические процессы, такие как суффозии, карстообразо-вание, стабилизированы и в обозримой перспективе не будут представлять опасности.
5. Учитывая большую значимость и уникальность сооружения, необходимо продолжать мониторинг за поведением оснований и фундаментов в течение 23 лет специализированной организацией с последующей передачей этой функции эксплуатирующей организации. Реализация комплекса мер по осуществлению наблюдения, контроля за состоянием данного объекта позволит быстро отреагировать на появление недопустимых осадок опор, угрожающих устойчивости моста, и вовремя укрепить основание.
