CC BY
31Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624.151.1.001.8
А.Н. ГАЙДО, канд. техн. наук ([email protected])
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4)
Пути совершенствования технологических решений
о с» 1 с»
устройства свайных фундаментов жилых зданий в условиях городской застройки
Рассматриваются современные технологии устройства свайных фундаментов жилых зданий. Для строительных площадок, расположенных, в условиях плотной городской застройки, показаны преимущества применения технологии вдавливания свай заводского изготовления. Установлены основные ограничения технологии при погружении свай в разрезах с прослоями плотных пород, когда сопротивление грунта превышает максимальное усилие вдавливания. В таких случаях предлагается применять комбинированное воздействие на сваю статических нагрузок и крутильных моментов. Приводятся экспериментальные данные, подтверждающие эффективность способа по критерию снижения прикладываемого усилия вдавливания. Основным недостатком способа является разрушение оголовка сваи, вызванное длительным воздействием крутильных моментов. Для решения указанной проблемы автором разработаны технологические параметры и последовательность работ, обеспечивающие сохранность ствола сваи, реализуемые при установке вибратора на ее боковую поверхности.
Ключевые слова: свайный фундамент, вдавливание свай, вибрационно-вращательный момент.
A.N. GAYDO, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) Saint Petersburg State University ofArchitecture and Civil Engineering (4, 2-nd Krasnoarmeyskaya Street, 190005, St. Petersburg, Russian Federation)
Ways of Improving Technological Solutions of Construction of Pile Foundations of Residential Buildings Under
Conditions of Urban Development
Modern technologies of constructing pile foundations of residential buildings are considered. For construction site located in the high-density urban development, advantages of using the technology of pressing of factory made piles are shown. Main limitations of the technology in the course of pressing piles in sections with layers of dense rocks when the soil resistance exceeds the maximum force of pressing have been established. In such cases it is proposed to use the combined impact of static loads and torsion moments on the pile. Experimental data confirming the efficiency of this method according to the criterion of reducing the applied force of pressing are presented. Main disadvantage of this method is a destruction of the pile head caused by the long-term impact of torsion moments. To solve this problem, the author has developed the technological parameters and sequence of works ensuring the preservation of the pile shaft implemented when a vibrator is installed on its side surface.
Keywords: pile foundation, pile pressing, vibration-torsion moment.
В практике современного жилищного строительства актуальны вопросы разработки эффективных технологий устройства фундаментов, отвечающих различным критериям: оптимальной несущей способности по грунту, экономической привлекательности, экологической безопасности для окружающей среды, приемлемого качества, производительности и т. п. Особенно остро встает указанная проблема при выборе технологий на строительных площадках, расположенных в застроенных кварталах в непосредственной близости к зданиям и сооружениям, в том числе в историческом центре. Кроме того, решение указанных задач затрудняется при наличии в геологическом разрезе «сложных» грунтов, к которым традиционно относят неоднородные четвертичные отложения, мощность до 70-100 м. Верхнюю толщу до глубины 25-30 м слагают преимущественно слабые, водоносыщенные глинистые грунты, проявляющие тиксотропные свойства в виде нарушения структуры от дополнительного нагружения при строительстве новых зданий, снятия нагрузки при разработке котлованов, динамического воздействия, производимого при устройстве фундаментов [1, 2].
12| -
Для таких условий наиболее надежными конструктивно-технологическими решениями являются свайные фундаменты, объединенные монолитными ленточным или плитными ростверками различной жесткости и форм поперечных сечений. Следует отметить, что в настоящее время имеется много конкурентных технологий с различными показателями эффективности в конкретных инженерно-геологических условиях [3].
Эти технологии подразделяют на два вида: погружение в грунт различными методами сплошных свай (реже полых оболочек) заводского изготовления и устройство на месте производства работ буронабивных свай.
В рамках настоящей статьи рассмотрены свайные технологии, применяемые в условиях городской застройки. К ним предъявляют требования не только достижения высоких технических и экономических показателей, но и стремятся обеспечить целостность конструкций рядом расположенных зданий и сооружений, снизить производимый уровень шума и динамических воздействий в грунте, загрязнение территорий, в том числе при транспортировании с пятна застройки разрабатываемого грунта и бурового шлама и т. п.
^^^^^^^^^^^^^ 92015
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
4
3
2
Таким условиям среди технологий погружения свай заводского изготовления отвечает способ статического вдавливания, реализуемый как на самоходных, так и на переставляемых кранами установках с максимальными усилиями вдавливания от 700 до 2000 кН. Вертикальные статические усилия передают на торец или боковую поверхность свайного элемента посредством гидравлических или полиспастных зажимных устройств [4].
Для изготовления буронабивных свай непосредственно на строительной площадке применяют следующие технологии [3, 5].
А. Сваи, выполняемые с извлечением грунта. Скважины устраивают различными буровыми инструментами - проходными шнеками, желонками, ковшебурами и т. п. Для удержания стенок скважин от обрушения применяют обсадные трубы, а также заполняют их водой или глинистым раствором. При формировании тела сваи бетонную смесь подают на забой выработки через полые проходные шнеки, или инвентарные бетонолитные трубы.
Б. Сваи, устраиваемые без извлечения грунта. Выемки в грунте выполняют при погружении буровых труб, оснащенных режущими коронками (шнековыми ребордами) или теряемыми наконечниками. По мере извлечения которых образуемая полость в грунте заполняется бетонной смесью.
Каждое из перечисленных технологических решений в конкретных инженерно-геологических условиях строительной площадки, наличия близко расположенных зданий имеет свои преимущества и недостатки [2, 6-9].
С учетом выполненного анализа опыта строительства и научных публикаций автором установлено, что для достижения проектной несущей способности сваи по грунту до 1300-1800 кН (в зависимости от грунтовых условий) и длине элементов 28-32 м вдавливание успешно конкурирует по производительности и в ценовом отношении с бурона-бивными технологиями [4].
Кроме того, применение такой технологии имеет следующие основные преимущества:
- качество материала ствола (проектная марка бетона) сваи обеспечивается и гарантируется заводом-изготовителем;
- регистрация усилия вдавливания по манометру гидравлической системы позволяет определять несущую способность сваи по процессу вдавливания на конечной стадии на основании методики РТМ 36.44.12.2-90 «Проектирование и устройство фундаментов из свай, погружаемых способом вдавливания» (ВНИИГС, 1992).
В этой связи следует практически важный вывод о необходимости дельнейшего совершенствования технологии, достаточно востребованной в настоящее время. При этом на основании опыта работ установлено, что для нее существуют ограничения, а в некоторых случаях они препятствуют практическому применению. Например, при погружении сваи в геологическом разрезе с прослоями плотных пород (модуль деформации Е>14 МПа, показатель текучести ^<0,3) при ее сопротивлении погружению, превышающем максимальное усилие вдавливающей установки, невозможно достижение сваей несущего слоя грунта.
На практике в таких случаях традиционно применяют способ, обеспечивающий снижение сопротивления породы
W
PBrsinfflt
•Ж"
Iw.
•"V
nj
■"V
О-.
f\j Tj
R
•ж
Tj PBrsinfflt
■"о
Рис. 1. Технологические схемы вибровращательного вдавливания свай: а — экспериментальная установка на базе копра; б, в — схема приложения сил на погружаемую призматическую сваю при закреплении вибрационного погру-жателя соответственно на торце и на боковой поверхности элемента (предложение В.В. Верстова и А.Н. Гайдо): 1 — свая; 2, 6 — соответственно вибропогружатель традиционного конструктивного решения и с проходным отверстием; 3 — корпус молота; 4 — стрела (мачта) копра; 5 — зажимное устройство установки вдавливания; РС — статическая сила вдавливания; РВг — крутящий момент от вынуждающей силы; г — плечо приложения крутящего момента; R — сопротивление грунта погружению сваи; ю — круговая частота колебаний; t — время
в виде ее лидерного бурения (рыхления) шнеком. Однако применение такого способа приводит к снижению производительности труда более чем в два раза, увеличению стоимости работ на 40%.
Другой путь повышения эффективности технологии лежит в области изменения режимов вдавливания, а именно их комбинации с другими воздействиями, например с приложением к свае моментов крутильных колебаний. Следует отметить, что вопросами преодоления сопротивления грунта при вибровращательном вдавливании свайных элементов уже давно интересовались российские ученые. Исследования, проведенные в лабораторных условиях на опытных площадках ВНИИГС и ЗАО «Строительный трест № 28» В.О. Изо-фовым, О.Ш. Кенциным, Б.В. Лейкиным, Б.В. Певзнером, И.И. Ханович, М.Г. Цейтлиным и др., подтвердили эффективность вибрационно-вращательного вдавливания в грунт свайных элементов. Установлено, что требуемая для погружения статическая вдавливающая сила в 5-7 раз меньше, чем при вдавливании. А по сравнению с вибрационным погружением в режиме действия продольных колебаний суммарная амплитуда виброперемещений грунта уменьшается в 8-10 раз [10].
Кроме того, было установлено, что с увеличением скорости вращательных колебаний уменьшается вдавливающая сила, необходимая для погружения трубчатого элемента. Минимальная статическая сила при погружении трубчатого элемента диаметром 219 мм в маловлажный песок средней плотности со скоростью 0,0053 м/с составила 14% усилия статического вдавливания или суммарного бокового и лобового сопротивления грунта [10]. Эксперименты также показали, что для вибрационно-вращательного вдавливания квадратных (призматических) свай необходимо приложить
9'2015
13
б
в
2
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 2. Схема вибровращательного вдавливания сваи: а — установка вдавливания (на разрезе I—I отображено изменение упругопластического сопротивления грунта при его вибрационном уплотнении в периферийной зоне в процессе вращательных колебаний); б — е — этапы погружения свай; 1 — установка вдавливания; 2 — механизм вдавливания; 3 — свая; 4 — вибропогружатель с проходным центральным отверстием; 5, 6 — соответственно слои плотного и слабого грунтов
в 3-5 раз меньшее значение усилия вдавливания по сравнению с элементами с круглым поперечным сечением.
Для практической проверки полученных результатов, используя производственные мощности ЗАО «Строительный трест № 28», была создана опытная установка на базе гидравлического копра фирмы Юнттан (ПМ-25), предназначенного для забивки свай заводского изготовления (рис. 1, а, б). На стрелу копра под гидромолот навешивали виброустановку ВШ-1В (патент РФ № 2017895, E02D7/18). Максимальное значение усилия вдавливания при погружении элементов составило 300 кН, частота колебаний деба-лансов 10-20 Гц, статический момент их масс 25 кгм, масса вибропогружателя 4,2 т.
На основании обработки значений экспериментальных данных автором установлено, что при частоте колебаний дебалансов 1200 кол/мин скорость погружения почти в два раза больше, чем при 600 кол/мин. Однако последний режим является более предпочтительным с точки зрения сохранности бетонного ствола сваи за счет снижения интенсивности воздействия знакопеременных крутильных моментов.
В процессе экспериментов выполняли замеры колебаний поверхности грунта на расстояния 1,5-2 м от места погружения свай. При частоте колебаний дебалансов вибрационного погружателя в 600 кол/мин среднее геометрическое значение ускорения колебаний поверхности грунта составило 270 мм/с2, соответственно при 800 кол/мин - 362 мм/с2, при 1200 кол/мин - 440 мм/с2. Эти значения не превышают допустимых уровней колебаний грунта, установленных действующими нормами.
С учетом выполненных на целом ряде строительных объектов исследований установили, что в процессе погружения свай, изготовленных по типовым сериям, в ее теле возникают опасные деформации, вызванные продолжительными воздействиями на оголовок элемента вибровращательных моментов. Их приложение к торцу сваи не позволяет равномерно распределить динамические воздействия по всей поверхности сваи, что приводит к разрушению элемента и препятствует погружению на проектную глубину.
В этой связи в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете автором под научным руководством д-ра техн. наук В.В. Верстова для гидрофицированных установок циклического действия (УСВ-120(160), ГСЗМ-250, Sunward и т. п.) предложена технология вибровращательного вдавливания с установкой вибрационного погружателя на боковой поверхности сваи.
Принципиальные схемы описанных выше технологических решений погружения свай с установкой вибрационного погружателя на ее торце и на боковой поверхности представлены на рис. 1, б, в.
Согласно предложению авторов предварительно на поверхности грунта под механизмом вдавливания соосно погружаемой сваи устанавливают вибропогружатель вращательных колебаний с проходным центральным отверстием, в котором при достижении слоя плотного грунта жестко фиксируют сваю, а ее погружение выполняют в режиме вибрационно-вращательного вдавливания при действии вращательных моментов до достижения проектной глубины (рис. 2).
Авторами разработана следующая технология вибрационного вдавливания, представленная на рис. 2, б-е. Первоначально сваю краном загружают в механизм вдавливания установки и жестко фиксируют в зажимном устройстве. В пределах толщи слабых грунтов сваю вдавливают посредством рабочего хода штоков соответствующих гидроцилиндров (рис. 2, б, в). При достижении сваей слоя плотного грунта, в котором сопротивление породы достигает величины, превышающей максимальное усилие вдавливания, движение останавливают. Ее ослабляют в зажимном устройстве механизма вдавливания, которое затем поднимают на холостом ходу на величину хода штоков его гидроцилиндров без извлечения сваи из грунта. Далее вибропогружатель поднимают на некоторое расстояние от поверхности грунта до ближайшего торца механизма вдавливания (рис. 2, г).
Затем сваю жестко закрепляют в центральном проходном отверстии вибропогружателя (рис. 2, д). Дальнейшее ее погружение выполняют в режиме вибрационного вдавливания при действии вращательных моментов и минимальных значениях усилия вдавливания до достижения проектной глубины (рис. 2, г). Таким образом, предлагаемая технология обеспечивает понижение точки приложения вращательных колебаний при одновременном снижении сил бокового трения сваи о грунт, что приводит к созданию щадящего режима вибровращательного вдавливания за счет уменьшения значения «плеча» при действии знакопеременных моментов. Таким образом достигают равномерного распределения вращательных моментов по всей поверхно-
14
92015
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
сти погружаемой сваи, что позволяет повысить надежность процесса бездефектного погружения сваи в грунт.
Представленный в настоящей статье материал позволяет сделать вывод о перспективах развития технологии вдавливания свай заводского изготовления при устройстве фундаментов вблизи существующих зданий и сооружений. Перед современными буронабивными технологиями вдавливание имеет большое преимущество при производстве работ в геологическом разрезе с напластованиями слабых водонасыщенных глинистых грунтов. Качество вдавливаемого элемента гарантируется заводом-изготовителем и контролируется до начала погружения.
Исследования автора направлены на повышение надежности процесса вдавливания свай, в условиях когда сопротивление породы превышает максимальные усилия вдавливания, развиваемые установкой. Предлагается прикладывать к погружаемому элементу вращательные (крутильные) колебания, генерируемые вибрационным погру-
Список литературы
1. Абелев К.М., Бахронов Р.Р., Некрылов В.Б. Результаты исследования особенностей строительства зданий и сооружений на территориях с водонасыщенными глинистыми грунтами // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 8. С. 57-59.
2. Мангушев Р. А. Геотехническое сопровождение строительства жилого здания с примыканием к соседним в центре Санкт-Петербурга // Жилищное строительство.
2011. № 9. С. 11-16.
3. Гайдо А.Н. Цели и задачи исследований технологических решений устройства фундаментов многоэтажных зданий и сооружений // Вестник гражданских инженеров. 2011. № 4 (29). С. 81-90.
4. Гайдо А.Н. Исследование технологических параметров вдавливания свай // Вестник гражданских инженеров.
2012. № 4 (33). С. 129-137.
5. Верстов В.В., Гайдо А.Н. Обоснование выбора рациональных способов устройства свайных фундаментов по критерию технологичности в различных условиях строительства // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2013. № 4. С. 6-12.
6. Щерба В.Г. Учет стесненных условий при строительстве монолитных многоэтажных жилых зданий на слабых грунтах // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 6. С. 55-57.
7. Щерба В.Г., Луняков М.А. Уменьшение влияния осадок строящегося здания на близрасположенные сооружения при устройстве свайных фундаментов // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 1. С. 57-59.
8. Шашкин А.Г., Богов С.Г., Туккия А.Л. Адаптация технологии изготовления свай без извлечения грунта к инженерно-геологическим условиям Санкт-Петербурга // Жилищное строительство. 2012. № 11. С. 18-22.
9. Мангушев Р. А., Конюшков В.В., Дьяконов И.П. Анализ практического применения завинчиваемых набивных свай // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2014. № 5. С. 11-16.
10. Цейтлин М.Г., Кенцин О.Ш., Изофов В.О. Вибрационно-вращательное вдавливание трубчатых элементов в грунт // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1992. № 1. С. 13-17.
9'2015 ^^^^^^^^^^^^^
жателем с проходным центральным отверстием, который закрепляют на боковой поверхности сваи. Указанными действиями достигают значительного снижения значений усилий вдавливания, необходимых для достижения свайного элемента несущего слоя.
В отличие от существующих технологических решений новый способ вибровращательного вдавливания позволяет повысить надежность процесса погружения сваи за счет предотвращения развития опасных для целостности ее тела деформаций. Это достигается в результате понижения точки приложения к свае усилий вибровращательного вдавливания, что обеспечивает их равномерное распределение по всей поверхности погружаемой сваи. Одновременно обеспечивают циклическое уплотнение (обжатие) боковыми гранями сваи грунта в периферийной зоне и исключают его «налипание» (образование присоединенной массы) к поверхности, что приводит к уменьшению сил бокового трения элемента о породу.
References
1. Abelev K.M., Bakhronov R.R., Nekrylov V.B. The results of studies of the construction of buildings and structures in areas with water-saturated clay soils. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. No. 8, pp. 57-59. (In Russian).
2. Mangushev R.A. Geotechnical supervision of the construction of a residential building adjacent the nearby in the center of St. Petersburg. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 9, pp. 11-16. (In Russian).
3. Gaido A.N. Objectives of research technology solutions unit foundations of multi-storey buildings. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2011. No. 4 (29), pp. 81-90. (In Russian).
4. Gaido A.N. Investigation of technological parameters indentation piles. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2012. No. 4 (33), pp. 129-137. (In Russian).
5. Verstov V.V., Gaido A.N. The choice of rational ways pile foundations for manufacturability criteria in different conditions of construction. Montazhnye i spetsial'nye raboty v stroitel'stve. 2013. No. 4, pp. 6-12. (In Russian).
6. Shcherba V.G. Accounting cramped conditions in the construction of monolithic multi-storey residential buildings on soft soils. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. No. 6, pp. 55-57. (In Russian).
7. Shcherba V.G. Lunyakov M.A. Reduce the impact of sediment building under construction on nearby structures in the device of pile foundations. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2011. No. 1, pp. 57-59. (In Russian).
8. Shashkin A.G., Bogov S.G., Tukkiya A.L. Adapting the technology of driving without removing the soil to the geotechnical conditions of St. Petersburg. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 11, pp. 18-22. (In Russian).
9. Mangushev R. A., Konyushkov V.V., D'yakonov I.P. The analysis of the practical application of screw-piles. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2014. No. 5, pp. 11-16. (In Russian).
10. Tseitlin M.G., Kentsin O.Sh., Izofov V.O. Vibrational-rotational indentation tubular elements in the soil. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 1992. No. 1, pp. 13-17. (In Russian).
- 15
