CC BY
10УДК 624.154.5
Н.С. СОКОЛОВ1,2, канд. техн. наук, директор (forstnpf@mail.ru);
С.Н. СОКОЛОВ1, инженер, зам. директора по науке,
А.Н. СОКОЛОВ1, инженер, зам. директора по производству
1 ООО НПФ «ФОРСТ» (428000, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Калинина, 109а)
2 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова (428015, Россия, Чувашская Республика, г. Чебоксары, Московский пр., 15)
Мелкозернистый бетон как конструкционный строительный материал буроинъекционных свай ЭРТ
Прочность бетона поперечного сечения буроинъекционных свай ЭРТ является основополагающим показателем для определения ее несущей способности по грунту и по телу. Электроразрядная технология позволяет увеличить прочность мелкозернистого бетона. При этом она может превысить прочность необработанного бетона электрогидравлическим способом на 40-50%. Важную роль в процессе набора прочности бетона играет соблюдение технологического регламента изготовления свай ЭРТ. В геотехническом строительстве очень часты случаи несоответствия прочности бетона готовых свай проектным значениям. В статье приводится случай из геотехнической практики.
Ключевые слова: прочность мелкозернистого бетона, буровые сваи, электроразрядная технология, сваи ЭРТ, мелкозернистая бетонная смесь (БСМ), удобоукладываемость.
Для цитирования: Соколов Н.С., Соколов С.Н., Соколов А.Н. Мелкозернистый бетон как конструкционный строительный материал буроинъекционных свай ЭРТ // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 16-19.
N.S. SOKOLOV1,2, Candidate of Sciences (Engineering), Director(forstnpf@mail.ru); S.N. SOKOLOV1, Engineer, Deputy Director for Science, A.N. SOKOLOV1, Engineer, Deputy Director for Production
1 OOO PPF "FORST" (109a, Kalinina Street, Cheboksary, 428000, Chuvash Republic, Russian Federation)
2 I.N. Ulianov Chuvash State University (15, Moskovsky Avenue, Cheboksary, Chuvash Republic, Russian Federation)
Fine Concrete as a Structural Building Material of Bored-Injection Piles EDT
The concrete strength of cross-section of bored-injection EDT-piles is a fundamental index for determination of bearing capacity by soil and by shaft. Electric discharge technology makes it possible to increase the strength of fine concrete. Also it can exceed the strength of untreated concrete by 40-50% by using the electro-hydraulic method. An important role in the process of development of strength in concrete plays a compliance with technological regulations of EDT-piles manufacturing. Cases of the inconsistency of concrete strength with design values are very frequent in geotechnical construction. In the article below a case of geotechnical practice is given.
Keywords: strength of fine concrete, boring piles, electric discharge technology, EDT-piles, fine concrete mixture, workability.
For citation: Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Fine Concrete as a Structural Building Material of Bored-Injection Piles EDT. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 16-19. (In Russian).
Возведение любого сооружения предполагает пооперационный технический контроль качества строительства, позволяющий обеспечить безопасную эксплуатацию возводимого объекта. Особое беспокойство вызывает качество изготовления буровых свай. Известно, что технология изготовления буровых свай представляет сложную технологическую цепь, состоящую из бурения, бетонирования и армирования ствола. Если рассмотреть буроинъекционную сваю, изготавливаемую по электрогидравлическому методу (сваи ЭРТ), то к технологии ее изготовления добавляется еще электрогидравлическая обработка стенок скважины в теле свежеуло-женного бетона. Для свай ЭРТ технологическая цепь выглядит: бурение скважины — бетонирование — электрогидравлическая обработка — армирование ствола.
В настоящей статье рассмотрено влияние качества выполнения бетонирования ствола на несущую способность сваи.
Ниже приводится пример алгоритма подбора состава мелкозернистой бетонной смеси (БСМ) для изготовления свай ЭРТ.
Одной из стадий строительного проектирования конструкций железобетонного ствола буроинъекцион-ной сваи ЭРТ является подбор состава мелкозернистой бетонной смеси (БСМ) по ГОСТ 7423-2010 «Смеси бетонные. Технические условия».
Алгоритм подбора состава БСМ представляется в следующей последовательности:
1. По величинам проектной несущей способности сваи ЭРТ Fd по грунту назначается класс (марка) бетона
по прочности на сжатие. При этом согласно ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые» средняя прочность бетона закладывается при коэффициенте вариации К=13,5%, обеспеченности не менее 95% от назначенного значения. Например, при проектной марке мелкозернистого бетона М400 величина кубико-вой прочности должна составлять R=38,5 МПа.
2. По ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия» подбирается марка по удобоукладывае-мости бетонной смеси П и показатель подвижности (осадка конуса). К примеру, символ П4 означает осадку конуса 20 см.
3. Назначаются условия твердения. В основании ниже глубины промерзания условия твердения естественные. При осуществлении геотехнических работ в условиях отрицательных температур применяются или химическое твердение с применением формиата натрия, или электрический метод прогрева с помощью греющих проводов. Следует отметить, что электропрогрев из опыта производства работ нежелателен. Возможно возникновение усадочных трещин в теле бетона в результате быстрого набора прочности и, как результат, отрыв части сваи ЭРТ прогреваемой от части твердеющей естественным путем.
4. Подбираются компоненты к мелкозернистому бетону — цемент, мелкий заполнитель, добавки к бетону и вода.
4.1. Портландцемент, как правило, на объект поставляется с ближайшего цементного завода. В Средне-волжском регионе используется цемент производства ОАО «Мордовцемент». Согласно ГОСТ 31108-2003 «Цементы общестроительные» контролируемыми пара-
16
научно-технический и производственный журнал
май 2017
¡SrrotfjSjiaiiJbds
122 121 120 119 118 117 116 115 114 113 112 111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез испытательного полигона и свай, выполненных по электроразрядной технологии, с многоместными уширениями (слева) и только с уширенной пятой (справа); вертикальная ось - высотные отметки, м
метрами являются: прочность на сжатие в возрасте 28 сут R=50 МПа; нормальная густота цементного теста 27%; сроки схватывания: начало — 2 ч 35 мин, конец — 4 ч 25 мин; истинная плотность р=2,63 г/см3.
4.2. В качестве мелкого заполнителя принимается природный речной песок по ГОСТ 8736—2014 «Песок для строительных работ. Технические условия (с Поправкой)» с модулем крупности не более Mk =2. Определяется процентное содержание фракций крупнее Mk>2 мм и плотность минеральных частиц
4.3. Для увеличения прочности бетона и увеличения подвижности используются добавки. Например, добавка ЭМБЭЛИТ 8-100 — модификатор бетона по ТУ 5870-176-46854090-04 (ООО «Предприятие Мастер Бетон», Москва) одновременно является пластификатором и модификатором.
4.4. К воде также предъявляются особые требования согласно ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов и растворов».
5. В строительной лаборатории под назначенные прочность, подвижность, удобоукладываемость, условия твердения согласно ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава бетона» проектируются:
5.1. Водоцементное отношение, например В/Ц=0,51, где В — масса воды.
5.2. Соотношение материалов по массе, например Ц:П=1:2,1, где Ц — масса цемента; П — масса песка.
5.3. Содержание добавок в % от массы цемента, например содержание ЭМБЭЛИТ8-100 = 10%.
5.4. Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси.
Для примера, на одном из объектов использованы:
цемент — 850 кг; песок — 810 кг; добавка ЭМБЭЛИТ 8-100 — 85 кг; вода — 465 кг.
Кроме характеристик номинального состава мелкозернистого бетона в алгоритме подбора состава приво-
Рис. 2. Фрагменты выполненных контрфорсов
дится раздел фактически возможного расхода материалов на 1 м3 бетонной смеси.
6. Физико-механические свойства бетона, обязательные для подтверждения правильности подбора состава на объекте, — это средняя плотность бетона (р) в серии образцов размером 10x10x10 см и прочность при сжатии в возрасте 7 и 28 сут.
Далее рассмотрен случай из строительной практики. Проектом под десятиэтажное здание гостиницы было предусмотрено устройство буроинъекционных свай, изготавливаемых по электроразрядной технологии (ЭРТ). Эта технология включает бурение, бетонирование, электрогидравлическую обработку, армирование и доливку бетона. Вследствие того, что данные стадии работ выполняли четыре подрядные организации и отсутствовал должный поэтапный контроль набора прочности бетона, был нарушен технологический цикл и более чем половиной свай не была достигнута проектная несущая способность. Поэтому возникла необходимость перепроектирования свайного поля.
Строительство объекта велось в сложных инженерно-геологических условиях в старом русле реки Волги. Геологический разрез на этом участке представлен следующими инженерно-геологическими элементами (ИГЭ) (сверху вниз) (рис. 1): ИГЭ-1 — насыпной грунт (несле-жавшийся суглинок с супесью и строительным мусором); ИГЭ-2 — непросадочный туго- и мягкопластичный лессовый суглинок; ИГЭ-3 — непросадочный текучепластич-ный лессовый суглинок; ИГЭ-4 — туго- и мягкопластич-ный суглинок; ИГЭ-5 — твердая и полутвердая пестро-цветная глина; ИГЭ-6 — глинистый полимиктовый песок.
Для площадки строительства характерен высокий уровень грунтовых (ненапорных) вод.
Строительство объекта было начато за пять лет до начала основного строительства с возведения ограждения котлована (глубиной 9 м) из двух рядов буроинъекцион-ных свай диаметром 450 мм с шагом 1 м. Подпорная стена котлована была устроена вдоль улиц. Непосредственно к котловану примыкает 10-этажный крупнопанельный жилой дом, возведенный на забивных сваях.
Недостатком построенного ограждения оказалось отсутствие монолитного обвязочного железобетонного пояса по верху буроинъекционных свай. Это выявилось лишь при отрывке котлована. Ряд свай ограждения со стороны примыкающего здания наклонился в сторону котлована (максимальное горизонтальное перемещение достигло 55 мм). В результате создавшейся ситуации на наружных стенах жилого дома возникли деформационные трещины. При этом установленные гипсовые маяки разорвались и продолжали рваться.
< \ научно-технический и производственный журнал
май 2017 17
Нагрузка на сваю Р, кН
130 260 390 520 650 780 910 1040 1170 1300 1430 1560 1690 1820 1950 2080
"1 ■1 1 1 ; ' Г--—] 1 1
г I- 1 * ! Ьа 3
N , 1 г 'п к, 1
1 Л г4; К 75 —4
к 1 > ;
> 1 1 2 ! к
и £ £ - Ч К*
1 Ь- Г Ч Л
N
"1 1 К ■1
1 3 :
■1 Е 1
г ч " "1 N 1 1 1
> 1
ч J
Рис. 3. Графики результатов испытаний статической нагрузкой буроинъекционных свай ЭРТ: 1, 2 - только с уширенной пятой; 3, 4 - с многоместными уширениями
Результаты испытаний свай ЭРТ на статическую нагрузку
№ сваи Несущая способность Fd, кН Расчетная нагрузка, N кН Прочность бетона тела сваи, кПа Причина недостаточной несущей способности сваи
789 62,8 52,3 60 Низкая прочность бетона
710 75,9 63,3 65
579 95 79,1 78
822 251,2 209,1 1200 Срыв сваи
728 565,2 471 2500
767 376,8 314 2600
803 251,2 209,3 1300
Созданная в связи с этим чрезвычайная комиссия поручила головной проектной организации срочно разработать противоаварийные мероприятия для стабилизации деформаций как возведенной подпорной стены, так и примыкающего здания. В качестве таких мер была разработана схема усиления подпорной стены в виде распорных конструкций из труб диаметром 1000 мм, расположенных на двух уровнях во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 2). Эти мероприятия позволили стабилизировать ситуацию. Гипсовые маяки на жилом доме перестали рваться, горизонтальные перемещения подпорной стены были приостановлены. При этом геотехнический мониторинг продолжался.
При проектной глубине котлована 9 м распорные крепления были размещены на глубине 4,5—6,5 м. Поэтому во избежание негативных последствий для примыкающего жилого дома при дальнейшей откопке котлована был разработан проект устройства монолитных железобетонных контрфорсов на дополнительных буроинъекционных сваях ЭРТ диаметром 0,35 м и длиной от 12 до 19 м в зависимости от инженерно-геологических условий в той или иной части строительной площадки. Работы по устройству свай ЭРТ приходилось вести в очень сложных условиях между трубами, а удаление грунта из котлована производилось только вручную.
Для обеспечения безопасной эксплуатации подпорной стены при строительстве нулевого цикла, а также для создания условий для демонтажа стальных труб распорных конструкций был разработан алгоритм устройства контрфорсов.
Выполнение работ по реализации вышеуказанного алгоритма позволило поэтапно демонтировать распорные трубы. Дальнейших деформаций подпорной стены и жилого дома не было обнаружено.
Устройство буроинъекционных свай ЭРТ [1—14] под фундаменты контрфорсов, контрфорсы, а также сами ростверки производились одной подрядной организацией. При этом мониторинг горизонтальных перемещений подпорной стены и деформаций осадочных марок жилого дома проводился ежедневно, благодаря чему на данном участке не было нарушений в технологической цепочке «бурение — бетонирование -электрогидравлическая обработка стенок и пяты скважины — монтаж армокаркасов».
Обязательными этапами, подтвердившими соответствие проекту запроектированных свай ЭРТ под фундаменты контрфорсов, были:
1. Испытания на прочность заранее изготовленных кубиков мелкозернисто -го бетона, предназначенного для изготовления свай, согласно алгоритму, приведенному выше.
2. Испытания статической нагрузкой опытных свай ЭРТ.
На испытательном полигоне (в пределах участка изготовления контрфорсов) были выполнены два свайных куста по электроразрядной технологии. В одном из них сваи были изготовлены без уширений, а в другом — с многоместными уширениями (вертикальную привязку свай см. на рис. 1). Результаты испытаний несущей способности свай ЭРТ с помощью статической нагрузки приведены на рис. 3.
По мере удаления распорных конструкций освободилась значительная часть площади котлована для устройства свайного поля.
В связи с сокращением инвестором сроков возведения здания заказчик решил увеличить скорость возведения нулевой части, разделив устройство буроинъекцион-ных свай ЭРТ на этапы. При этом одна строительная организация подрядилась выполнить буровые работы, другая — бетонирование мелкозернистым бетоном, третья — электрогидравлическую обработку стенок и пяты скважины, четвертая — изготовление и погружение армокаркасов в готовые скважины, заполненные мелкозернистым бетоном и обработанные по электроразрядной технологии.
Соответственно качество выполнения работ на разных этапах контролировалось разными подрядными организациями и как результат резко повысилась вероятность его снижения. Результаты испытаний свай на статическую нагрузку подтвердили эти опасения (см. таблицу). Для более чем 50% испытанных свай не была достигнута проектная несущая способность. Основной причиной этого оказалась низкая прочность мелкозернистого бетона вследствие отсутствия должного надзора за ее набором. Следует отметить, что одна из подрядных организаций, ответственная за бетонирование свай, использовала бето-носмесительную установку РМ-750, которая при больших оборотах насыщает бетон воздухом, что и привело к недобору проектных значений прочности. В то же время подбор состава БСМ был произведен правильно.
Для обеспечения проектной несущей способности ростверков с бракованными сваями принято решение дополнить их сваями с многоместными уширениями. Было перепроектировано все свайное поле (и все ростверки) с учетом результатов испытаний опытных свай на их несущую способность. Благодаря этому удалось обеспечить проектную несущую способность всего фундамента здания в целом.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
научно-технический и производственный журнал С* Г-Л-л) ЦЛ ?
11 май 2017 Ы-
В заключение хотелось бы подчеркнуть, что из-за выполнения разных этапов работ по устройству свай ЭРТ четырьмя подрядными организациями не был обеспечен необходимый поэтапный контроль их качества и для исправления негативных последствий были потрачены дополнительные материальные средства. Для обеспечения надежной эксплуатации возводимых сооружений заказчики и подрядные организации не должны допускать возникновения подобных ситуаций.
Список литературы
1. Патент РФ № 2250958. Устройство для изготовления набивной сваи / Н.С. Соколов, В.Ю. Таврин,
B.А. Абрамушкин. Заявл. 14.07.2003. Опубл. 27.04.2005. Бюл. № 12.
2. Патент РФ № 2250957. Способ изготовления набивной сваи / Н.С. Соколов. В.Ю. Таврин, В.А. Абрамушкин. Заявл. 14.07.2003. Опубл. 27.04.2005. Бюл. № 12.
3. Патент РФ № 2282936. Генератор импульсных токов / Н.С. Соколов. Ю.П. Пичугин. Заявл. 4.02.2005. Опубл. 27.08.2006. Бюл. № 24.
4. Патент РФ № 2318960. Способ возведения набивной сваи / Н.С. Соколов. Заявл. 26.12.2005. Опубл. 10.03.2008. Бюл. № 7.
5. Патент РФ № 2318961. Разрядное устройство для изготовления набивной сваи / Н.С. Соколов. Заявл. 10.07.2007. Опубл. 10.03.2008. Бюл. № 7.
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. Метод расчета несущей способности буроинъекционных свай-РИТ с учетом «подпятников» // Материалы 8-й Всероссийской (2-й Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (НАСКР-2014). 2014 г. Чебоксары. С. 407—411.
8. Соколов Н.С., Викторова С.С., Федорова Т.Г. Сваи повышенной несущей способности // Материалы 8-й Всероссийской (2-й Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (НАСКР-2014). 2014. Чебоксары. С. 411—415.
9. Соколов Н.С., Петров М.В., Иванов В.А. Проблемы расчета буроинъекционных свай, изготовленных с использованием разрядно-импульсной технологии // Материалы 8-й Всероссийской (2-й Международной) конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (НАСКР-2014). 2014. Чебоксары. С. 415—420.
10. Соколов Н.С, Соколов С.Н., Соколов А.Н. Опыт восстановления аварийного здания Введенского кафедрального собора в г. Чебоксары // Геотехника.
2016. № 1. С. 60—65.
11. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28—32.
12. Патент РФ на полезную модель № 161650. Устройство для камуфлетного уширения набивной конструкции в грунте / Н.С. Соколов, Х.А. Джантимиров, М.В. Кузьмин, С.Н. Соколов, А.Н. Соколов. Заявл. 16.03.2015. Опубл. 27.04.2016. Бюл. № 2.
13. Соколов Н.С, Рябинов В.М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уширениями // Геотехника. 2016. № 3. С. 4—8.
14. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Технология устройства буроинъекционных свай повышенной несущей способности // Жилищное строительство. 2016. № 9.
C. 11—15.
References
1. Patent RF 2250958. Ustroistvo dlya izgotovleniya nabivnoi svai [The device for production of a stuffed pile]. N.S. Sokolov, V.Yu. Tavrin, V.A. Abramushkin. Declared 14.07.2003. Published 27.04.2005. Bulletin No. 12. (In Russian).
2. Patent RF 2250957. Sposob vozvedeniya nabivnoi svai [The method of production of a stuffed pile]. Sokolov N.S., Tavrin V.Yu. , Abramushkin V.A. Declared 14.07.2003. Published 27.04.2005. Bulletin No. 12. (In Russian).
3. Patent RF 2282936. Generator impul'snykh tokov [Generator of pulse currents]. Sokolov N.S., Pichu-gin Yu.P. Declared 4.02.2005. Published 27.08.2006. Bulletin No. 24. (In Russian).
4. Patent RF 2318960. Sposob vozvedeniya nabivnoi svai [The method of production of a stuffed pile]. Sokolov N.S. Declared 26.12.2005. Published 10.03.2008. Bulletin No. 7. (In Russian).
5. Patent RF 2318961. Razryadnoe ustroistvo dlya izgotovleniya nabivnoi svai [Discharge device for production of a stuffed pile]. Sokolov N.S. Declared 10.07.2007. Published 10.03.2008. Bulletin No. 7. (In Russian).
6. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About one method of calculation of bearing capacity of bored-injection EDT-piles. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2015. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
7. Sokolov N.S. Method of calculation bearing capacity of the bored-injection EDT-piles taking into account «thrust bearings». Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstructions» conference (NASKR-2014). Cheboksary - 2014, pp. 407-411. (In Russian).
8. Sokolov N.S., Viktorova S.S., Fedorova T.G. Piles of increased bearing capacity. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstructions» conference (NASKR-2014). Cheboksary - 2014, pp. 411-415. (In Russian).
9. Sokolov N.S., Petrov M.V., Ivanov V.A. Calculation problems of bored-injection piles manufactured with the use of electric discharge technology. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstructions» conference (NASKR-2014). Cheboksary - 2014, pp. 415-420. (In Russian).
10. Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Experience of restoration of an emergency building of Vvedensky cathedral in Cheboksary. Geotechnica. 2016. No. 1, pp. 60-65. (In Russian).
11. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About Effectiveness of Installation of Bored-Injection Piles with Multiple Enlargements with Using of Electric Discharge Technology. Geotechnica. 2016. No. 2, pp. 28-32. (In Russian).
12. Russian Federation patent for utility model No. 161650. Ustroistvo dlya kamufletnogo ushireniya nabivnoi kon-struktsii v grunte [The device for camouflage broadening of a stuffed design in soil]. Sokolov N.S., Dzhantimirov H.A., Kuzmin M.V., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Declared 16.03.2015. Published 27.04.2016. Bulletin No. 2. (In Russian).
13. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. Features of Installation and Calculation of Bored-Injection Piles with Multiple Enlargements. Geotechnica. 2016. No. 3, pp. 4-8. (In Russian).
14. Technique of Construction of Bored-Injection Piles of Increased Bearing Capacity. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2016. No. 9, pp. 11-15. (In Russian).
®
научно-технический и производственный журнал
май 2017
19
