CC BY
23
Методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных
анкеров
А.Р. Халитова, С.А. Синенко Московский государственный строительный университет
Аннотация: В данной статье приведены существующие технологии устройства грунтовых анкеров - с обсадной трубой, без применения обсадной трубы и под глинистым раствором. Вследствие чего разработана методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных анкеров.
Ключевые слова: котлован, грунтовые анкера, ограждающие конструкции котлована, технология устройства.
Введение
Освоение подземных площадей в условиях плотной городской застройки является одним из самых важнейших и динамично развиваемых направлений в сфере строительства зданий и сооружений [1, 2].
На сегодняшний день подземное пространство используется не только для размещения инженерных коммуникаций и объектов транспортной инфраструктуры, но также и для строительства многоэтажных подземных автостоянок, заглубленных частей жилых или офисных зданий, общественно-бытовых комплексов, торговых предприятий, для строительства которых требуется устройство котлованов глубиной до 30м с ограждающими конструкциями [3].
Одним из методов крепления ограждающих конструкций глубоких котлованов при строительстве зданий и сооружений являются грунтовые инъекционные анкера [4, 5].
К преимуществам применения грунтовых анкеров относится удобство организации работ, возможность несимметричной разработки грунта котлована, экономичность для котлованов значительной площади, экономия
трудовых и материальных ресурсов, уменьшение продолжительности строительства [6,7].
Впервые данные конструкции были разработаны и применены немецкой компанией Bauer для крепления стен подвальных помещений новой студии Баварской радиовещательной корпорации, не прибегая к использованию распорок. Так, в 1958 году впервые была применена технология грунтовых анкеров для обеспечения устойчивости стен подвальных помещений новой студии Баварского радио в Мюнхене [8].
Позже, лицензия на патент была приобретена фирмами других стран, причем буроинъекционная технология стала бурно развиваться во Франции, Англии, США, Италии, Японии, Чехии, Словакии и т.д. В практике отечественного строительства технология крепления ограждающих конструкций котлованов грунтовыми анкерами применяется лишь в последние 30 лет [9].
Материалы и методы
Целью работы является разработка методики выбора технологии устройства грунтовых анкеров для крепления ограждающих конструкций котлована при строительстве зданий и сооружений.
Для достижения заданной цели были решены следующие задачи:
- анализ существующих технологий устройства грунтовых анкеров;
- определение факторов, влияющих на выбор технологии устройства грунтовых анкеров;
- установление зависимостей между выявленными факторами;
- расчет необходимых ресурсов для производства работ;
- расчет показателей калькуляции труда.
Результаты и обсуждение
Существуют три основные технологии устройства грунтовых анкеров
[10]:
- с обсадной трубой;
- без применения обсадной трубы;
- под глинистым раствором.
Технология устройства инъекционного анкера методом погружения обсадной трубы состоит из следующих операций:
1. Проходка скважины под защитой обсадной трубы с теряемым наконечником (рис.1а);
2. Погружение анкерной тяги внутри обсадных труб с последующей выбивкой теряемого наконечника (рис.1б);
3. Нагнетание инъекционного цементного раствора в корневую зону под давлением и заливка по свободной длине через обсадную трубу по мере ее подъема (рис.1в);
4. Натяжение анкера (рис.1г);
5. Закрепление анкера на проектное усилие после набора прочности цементным камнем корня (рис.1д);
Технология устройства инъекционного анкера без применения обсадной трубы состоит из следующих операций:
1. Бурение скважины (рис.2,а);
2. Погружение анкерной тяги с инъекционной трубкой в скважину (рис.2,б);
3. Заполнение скважины цементным раствором и технологическое ожидание в течение суток (твердение раствора в скважине) (рис.2,в);
4. Нагнетание воды под давлением по инъекционной трубке для прорыва цементной обоймы с последующим нагнетанием цементного раствора по инъекционной трубке (рис.2,г);
5. Натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности и его закрепление на ограждающей конструкции котлована (рис.5,д).
Рис. 1. - Последовательность устройства грунтовых анкеров с обсадной трубой; 1 - теряемый наконечник, 2 - корень, 3 - тяга, 4 - защитная труба, 5 - ограждающая конструкция,6 - опорный столик, 7 - стопорная гайка
Технология устройства грунтового анкера под глинистым раствором:
1. Бурение скважины под глинистым раствором;
2. Погружение анкерной тяги в скважину с изолирующей оболочкой и с инъекционными трубками;
3. Заполнение скважины цементным раствором и извлечение инвентарной инъекционной трубки;
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/7006
4. Технологическое ожидание в течение суток (твердение раствора в скважине);
5. Нагнетание воды под давлением по инъекционной трубке для прорыва цементной обоймы;
6. Натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности и его закрепление на ограждающей конструкции котлована.
Рис. 2. - Последовательность устройства грунтовых анкеров без применения
обсадной трубы
1 -обсадная труба, 2 - несущий элемент анкера, 3 - инъекционные трубки; 4 - обойменный цементный раствор, 5 - инъекционный цементный раствор; 6
- узел закрепления В зависимости от вида грунта, уровня грунтовых вод, конструкции грунтового анкера, наличия близлежащей застройки и инженерных коммуникаций определяется технология устройства грунтовых анкеров [11].
В слабых грунтах или при наличии близко расположенного уровня грунтовых вод используется наиболее безопасная технология устройства грунтовых анкеров - с применением обсадной трубы.
и
Технология устройства анкерных конструкций под глинистым раствором применяется при возведении зданий и сооружений в неустойчивых и водонасыщенных грунтах. Глинистый раствор создает избыточное давление, тем самым позволяя удерживать стенки скважин от разрушения.
Устройство анкерных конструкций без использования обсадной трубы осуществляется на стабильных грунтах, не склонных к обвалам, а также при низком уровне грунтовых вод.
На рис. 3 приведен алгоритм выбора технологии устройства грунтовых анкеров.
Рис. 3. - Алгоритм выбора технологии устройства грунтовых анкеров После определения технологии устройства грунтовых анкеров и в зависимости от наличия близлежащей застройки определяется способ проходки скважин.
При проходке скважин в сухих и устойчивых грунтах, где отсутствует возможность обрушений стенок скважины, как правило, используют вращательное бурение (шнек, ковшовый бур) без применения обсадной трубы.
Бурение скважин ударно-вращательным и виброударным способом осуществляется в глинистых грунтах, а также в плотных песках и супесях с твердыми включениями.
Выбор способа проходки скважин в зависимости от грунтовых условий приведен в таблице №1.
Таблица №1
Выбор способа проходки скважин в зависимости от грунтовых условий
Грунтовые условия Способ проходки скважин Технология устройства грунтовых анкеров
Глинистые грунты: твердые, полутверде и тугопластичные С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Без применения обсадной трубы
Без выемки грунта -вращательный способ пнев-мопробойником, раскатчиком
Сухие и маловлажные супесчаные грунты, смешанные грунты песчаного типа С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором
Без выемки грунта -пневмопробойником, раскатчиком, забивными или вибропогружными трубами с теряемым наконечником Под глинистым раствором
Слабые водонасыщенные песчаные и неоднородные глинистые грунты -мягкопластичные и текучие с прослоями песков и супесей С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором
Без выемки грунта - забивными или вибропогружными трубами с теряемым наконечником, ударно-вращательный способ Без применения обсадной трубы
Техногенные грунты, скальные включения, наличие существующих фундаментов и т.д. Вращательное, ударно-вращательное колонковое бурение, шарошечное долото с промывкой или продувкой Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором
Вращательное бурение скважин шнеками или ковшовыми бурами производится в условиях стесненной городской застройки, где возникает опасность возникновения динамических нагрузок.
После определения технологии устройства грунтовых анкеров выполняется расчет необходимых ресурсов для производства работ:
1. Составление перечня применяемых машин и механизмов
Определение перечня применяемых машин и механизмов осуществляется в зависимости от объема, технологии устройства грунтовых анкеров, климатических условий, стесненности строительной площадки.
Подбор количества и типа машин и механизмов для производства работ ведется в два этапа.
На первом этапе производится определение требуемых технических характеристик ведущих машин и механизмов с предварительным подбором типов и марок техники.
На втором этапе рассматриваются наиболее оптимальные комплекты машин и механизмов.
Определение типа и количества основных машин и механизмов осуществляется путем сопоставления общей машиноемкости и требуемой продолжительности ведения работ.
Для устройства грунтовых анкеров применяются следующие виды машин и механизмов:
• Оборудование для образования скважин;
В качестве оборудования для образования скважин применяются буровые установки. Буровая техника подбирается в зависимости от глубины бурения, угла наклона, диаметра бурения и габаритов.
Устройство грунтовых анкеров, как правило, осуществляется с использованием универсальных буровых установок, которые помимо
бурения скважин позволяют выполнить установку несущего элемента анкера, подачу цементного раствора и извлечение обсадных труб.
• Оборудование для приготовления и нагнетания цементирующих растворов
Для приготовления цементирующих растворов применяются растворосмесители, для нагнетания смеси - растворонасосы.
• Оборудование для натяжения и закрепления анкеров
Гидравлические домкраты используются для натяжения и закрепления
тяги грунтовых анкеров: пряди, каната или стержневой рифленой арматуры.
Домкрат снабжен устройствами для захвата, натяжения и фиксации тяги грунтового анкера: пряди, каната или стержневой рифленой арматуры.
• Глиносмесительный узел
При устройстве грунтовых анкеров под глинистым раствором необходимо использование глиносмесительного узла.
Приготовление и очистка глинистого раствора производится на технологическом комплексе, который включает в себя: узел для приготовления глинистого раствора, в составе смесителя и дозатора, емкостей для хранения приготовленного глинистого раствора, насосов для перекачки глинистого раствора, складов для хранения глины и реагентов, узел очистки глинистого раствора.
• Оборудование для подачи материалов
Подача материалов и конструкций на монтажный горизонт осуществляется при помощи грузоподъемного крана. Подбор крана осуществляется исходя из максимальной массы поднимаемого элемента и необходимого вылета стрелы.
• Машины для доставки материалов и строительных конструкций на строительную площадку
М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/7006
Для доставки материалов и строительных конструкций на строительную площадку применяют автомобиль грузовой бортовой, автосамосвал или седельный тягач с полуприцепом.
2. Определение количества рабочих
Количественный состав рабочих определяется из соответствующей трудоемкости работ, квалификационный состав рабочих определяется из тарифно-квалификационного справочника.
Рациональный количественный состав звена при устройстве грунтовых анкеров приведен в таблице №2. Определение разряда рабочих осуществляется по действующему "Тарифно-квалификационному справочнику работ и профессий рабочих, занятых в строительстве и на ремонтно-строительных работах".
Таблица №2
Определение количественного и квалификационного состава рабочих
№ Наименование Разряд Кол-во, чел.
п/п
1 Машинист автокрана 5 1
2 Водитель автосамосвала - 1
3 Машинист бурового оборудования 5 1
4 Оператор растворонасосной установки 4 1
5 Оператор гидродомкратной установки 4 1
6 Монтажник 4 1
7 Монтажник 3 1
8 Монтажник 2 2
3. Определение количества материалов
Расчет количества материалов и конструкций, необходимых для устройства грунтовых анкеров, производится с учетом объемов работ и норм расхода, принятого в соответствующих нормативных документах.
и
После расчета необходимых ресурсов при устройстве грунтовых анкеров выполняется расчет показателей калькуляции труда:
1. Трудоемкость работ
Трудоемкость работ - это количество трудозатрат на объем работ в чел.-ч.
Трудоемкость работ определяется по формуле:
Т = Н вр-V,
где V - объем работ, Н^ - норма времени на единицу объема работ.
2. Машиноёмкость работ
Показатель машиноемкости работ отражает количество машинного времени на выполнение рассматриваемой работы в маш.-ч. Машиноемкость работ определяется по формуле:
Т = Н ■V,
м м.вр '
где V - объем работ; Нж вр - норма машинного времени на единицу объема работ.
3. Продолжительность работ
Продолжительность отражает количество времени, затрачиваемое на выполнение рассматриваемой работы.
Продолжительность работ зависит от показателя общей трудоемкости, количества рабочих в бригаде, количества бригад и сменности. Продолжительность работ вычисляется по формуле:
т
г =-,
N ■ п ■ к
где Т - трудоемкость работ; N - количество человек в бригад; п -количество бригад; к - количество смен.
4. Производительность работ
Производительность производства работ определяется объемом выполненных работ, произведенной за определенный период.
и
Производительность работ вычисляется по формуле:
р=V,
г
где V - объем работ в натуральном выражении; г - количество затрачиваемого времени.
5. Выработка
Выработка представляет собой объем строительно-монтажных работ, выполненный за определенный период времени и приходящийся на одного рабочего. Выработка рассчитывается по формуле:
V
V = —,
N
где V - объем работ в натуральном выражении; N - количество рабочих.
Выводы
Выбор технологии устройства грунтовых анкеров при строительстве зданий и сооружений зависит от ряда факторов: наличия близлежащей застройки и инженерных коммуникаций, геологических и гидрогеологических условий, конструкции грунтового анкера.
На основании вышеприведенных факторов была разработана методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных анкеров с определением выбора проходки скважин и расчетом необходимых ресурсов для производства работ и показателей калькуляции труда.
Перспективой развития исследований в данном направлении является апробация и внедрение разработанной методики на примере крепления ограждающей конструкции котлована при строительстве Многофункционального жилого комплекса в г. Москва.
Литература
1. Петрухин В.П., Колыбин И.В., Разводовский Д.Е. Ограждающие конструкции котлованов, методы строительства подземных и заглубленных сооружений // В книге: Российская архитектурно-строительная энциклопедия. Абрамчук В. П. и др., RUS, 2008. С. 212-219.
2. Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Освоение подземного пространства больших городов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 9. С. 157-160.
3. Аликрицких Е.Г., Казанков А.П., Васильчикова З.Ф. Проектирование ограждающих конструкций глубоких котлованов // В сборнике: Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. Самара, 2016. С. 229-231.
4. Осмачкин А. Применение грунтовых анкеров для укрепления строительных конструкций // Инженерная защита. 2014. № 5. С. 68-75.
5. Xanthakos P.P. Ground anchors and anchored structures. John Wiley & Sons — Inc. New York. 1991. 704 p.
6. Brandl H. Special Lecture: Underpinning // Proceeding of the Twelfth International Conference on Soil Mechsnics and Foundation Engineering. Rotterdam, 1992.
7. Аванесов В.С. Взаимодействие анкеров с окружающим грунтом и ограждающей конструкцией с учетом их линейных, нелинейных и реологических свойств // дис. канд. техн. наук. М., 2015.122 с.
8. Самохвалов М.А., Гейдт А.В., Паронко А.А. Обзор существующих конструкций буроинъекционных анкерных свай // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 12. С. 1530-1554.
9. Коньков Н.К., Матяшевич И.А., Солодников А.А. Применение анкеров в грунте для крепления стен подземной части гаража в Москве // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1977. № 4.С. 12-13.
10. Вахрушева Г.В., Кучукбаева К.А., Калошина С.В. Технологии устройства грунтовых анкеров // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2017. Т. 2. С. 166-173.
11. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И., Сапин Д.А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах // уч. пос. М.; СПб.: Изд-во АСВ, 2012. 266 с.
References
1. Petruhin V.P., Kolybin I.V., Razvodovskij D.E. Ograzhdayushchie konstrukcii kotlovanov, metody stroitel'stva podzemnyh i zaglublennyh sooruzhenij [A deep excavation construction experience using the jet grouting technology]. V knige: Rossijskaya arhitekturno-stroitel'naya enciklopediya. Abramchuk V. P. i dr., RUS, 2008. pp. 212-219.
2. Lerner V.G., Petrenko E.V., Petrenko I.E. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2000. № 9. P. 157-160.
3. Alikrickih E.G., Kazankov A.P., Vasil'chikova Z.F. Proektirovanie ograzhdayushchih konstrukcij glubokih kotlovanov. V sbornike: Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arhitekture. Ctroitel'stvo. Samarskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. Samara, 2016. pp. 229-231.
4. Osmachkin A. Inzhenernaya zashchita. 2014. № 5. P. 68-75.
5. Xanthakos P.P. Ground anchors and anchored structures. John Wiley & Sons — Inc. New York. 1991. 704 p.
6. Brandl H. Special Lecture: Underpinning // Proceeding of the Twelfth International Conference on Soil Mechsnics and Foundation Engineering. Rotterdam, 1992.
7. Avanesov V.S. Vzaimodejstvie ankerov s okruzhayushchim gruntom i ograzhdayushchej konstrukciej s uchetom ih linejnyh, nelinejnyh i reologicheskih svojstv [Interaction of anchors with surrounding soil and enclosing structure taking into account linear, nonlinear and rheological properties]. diss. cand. tech. sciences. Moscow, 2015; P.122.
8. Samohvalov M.A., Gejdt A.V., Paronko A.A. Obzor sushchestvuyushchih konstrukcij buroin"ekcionnyh ankernyh svaj. Vestnik MGSU. 2019. T. 14. № 12. pp. 1530-1554.
9. Konkov N.K., Matyashevich I.A., Solodnikov A.A. Primenenie ankerov v grunte dlya krepleniya sten podzemnoj chasti garazha v Moskve. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 1977. № 4. pp. 12-13.
10. G.V. Vakhrusheva, K.A. Kuchukbaeva, S.V. Kaloshina Sovremennye tekhnologii v stroitel'stve. Teoriya i praktika. 2017. T. 2. P 166-173.
11. Mangushev R.A., Nikiforova N.S., Konyushkov V.V., Osokin A.I., Sapin D.A. Proektirovanie i ustrojstvo podzemnyh sooruzhenij v otkrytyh kotlovanah [Design and construction of underground structures in open pits] uch. pos. M.; SPb.: Izd-vo ASV, 2012. 266 p.
