CC BY
22Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.154
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-37-42
С.А. ГУЛЫЙ, канд. техн. наук ([email protected])
Северо-Восточная Научно-исследовательская мерзлотная станция Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук (СВНИМС ИМЗ СО РАН) (685000, г. Магадан, ул. Портовая, 16)
Снижение стоимости фундаментов в Магадане за счет предпостроечных статических испытаний свай
Указаны основные причины, на основании которых самым надежным фундаментом в Магадане был признан свайный фундамент. Представлены результаты сравнения фактических расчетных сопротивлений под нижним концом комбинированных (набивных) и забивных свай для глинистых и песчаных грунтов, полученные на основании многочисленных статических испытаний свай в Магадане, по отношению к данным общероссийских СП. Установлено, что фактические расчетные сопротивления под нижним концом комбинированных (набивных) свай для песчаных и глинистых грунтов на глубине 5-15 м в среднем в 3,6 раза превышают данные в действующих СП. Для буродобивных свай эта разница достигает 1,5 раза. Технико-экономические расчеты показали, что проектирование свайных фундаментов в Магадане в период с 1975 по 1990 г. на основании предпостроечных испытаний свай позволяло экономить в среднем 100 млн р. в год. Такая же высокая эффективность от проектирования фундаментов на основании предпостроечных статических испытаний свай сохраняется и в настоящее время.
Ключевые слова: статические испытания свай, набивная свая, забивная свая, буродобивная свая, криоли-тозона, несущая способность, вечномерзлые грунты, экономическая эффективность.
Для цитирования: Гулый С.А. Снижение стоимости фундаментов в г. Магадане за счет предпостроечных статических испытаний свай // Жилищное строительство. 2019. № 9. С. 37-42. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-37-42
S.A. GULY, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]) North-Eastern Permafrost Station, Melnikov Permafrost Institute, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (16, Portovaya Street, Magadan, 685000, Russian Federation)
Reduction in the Cost of Foundations in the City of Magadan Due To Pre-construction Static Tests of Piles
The paper identifies the main reasons on the basis of which the pile foundation was recognized as the most reliable foundation in Magadan. The results of comparison of the actual calculated resistances under the lower end of the combined (cast-in-situ) and driven piles for clay and sandy soils, obtained on the basis of numerous static tests of piles in Magadan, in relation to the data of the all-Russian Construction Rules (CR), are presented. It is established that the actual design resistance under the lower end of the combined (cast-in-situ) piles for sandy and clay soils at a depth of 5-15 m on average 3.6 times higher than the data presented in the current CR. For pile driven in a predrilled hole, this difference reaches 1.5 times. For bored and cast-in-situ piles, this difference reaches 1.5 times. Technical and economic calculations showed that the design of pile foundations in Magadan in the period from 1975 to 1990 on the basis of pre-construction tests of piles made it possible to save an average of 100 million rubles per year. The same high efficiency of the design of foundations on the basis of pre-construction static tests of piles is maintained at the present time.
Keywords: static tests of piles, cast-in-situ pile, driven pile, pile driven in a predrilled hole, cryolithic zone, bearing capacity, permafrost soils, economic efficiency.
For citation: Guly S.A. Reduction in the cost of foundations in the city of Magadan due to pre-construction static tests of piles. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 9, pp. 37-42. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-9-37-42
Анализ публикаций, посвященных статическим и динамическим испытаниям свай, показал, что их проведение и в настоящее время продолжает оставаться неотъемлемой частью работ при возведении фундаментов как в нашей стране, так и за рубежом. Испытания свай проводятся в случае внедрения новых конструкций свай [1], для усиления свайного фундамента [2], при строительстве на вечномерзлых грунтах [3]. Большое количество публикаций посвящено
9'2019
сравнению результатов при использовании разных методик испытаний свай [4-8]. Обязанность проведения полевых статических и динамических испытаний свай для определения их фактической несущей способности установлена действующим законодательством. Однако в некоторых случаях испытания свай гарантируют не только надежность фундаментов, но могут и существенно снизить стоимость самого фундамента. Цель данной статьи - на примере г. Мага- 37
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
дана показать, как предпостроечные испытания свай могут оказать влияние на уменьшение стоимости возведения свайного фундамента.
Объекты исследований
Строительство первых капитальных каменных зданий в Магадане началось в 1930-х гг. Анализ появившихся первых деформаций зданий показал, что их причинами являются неравномерные осадки, вызванные просадками при оттаивании сильнольдистых мерзлых грунтов. Ни плитный, ни тем более столбчатый или ленточный фундаменты, запроектированные по принципу II (с допущением оттаивания мерзлых грунтов в процессе строительства и эксплуатации), неравномерных осадок воспринять не могли. Так как территория Магадана характеризуется островным распространением высокотемпературных мерзлых грунтов, имеющих температуру от -0,5 до -0,1оС, эксперименты с замораживанием грунтов и попытками сохранить их в мерзлом состоянии на весь период эксплуатации (принцип I) надежности фундаментов не обеспечивали. В связи с тем, что островная мерзлота в пределах города залегает на небольших глубинах (5-15 м), для того чтобы заведомо устранить причину возможных осадок грунта, в 1940-1950-х гг. было принято самое простое решение: просадочные при оттаивании мерзлые грунты стали механически удалять. Поэтому глубина заложения фундаментов большинства зданий в Магадане, построенных в те годы, доходит до 15 м.
Было понятно, что такой метод строительства хотя и гарантирует надежность - очень трудоемкий и до-
рогой. Большие надежды возлагались на метод пред-построечного оттаивания грунтов. Но и от этого способа впоследствии тоже отказались, применяя для оттаивания мерзлых грунтов в котлованах пожоги грунта, парооттайку либо механическое разрыхление клин-бабой или мощной бульдозерной техникой.
В дальнейшем в Магадане отказались не только от предпостроечной подготовки грунтов в котлованах, но и от других типов фундаментов, если предполагалось строительство на мерзлых льдистых грунтах. Оказалось, что с помощью свай можно легко прорезать слой просадочных при оттаивании мерзлых грунтов и опираться на талые или непроса-дочные при оттаивании мерзлые грунты. Основные виды применявшихся свайных фундаментов - это буродобивные (рис. 1, а), буроопускные комбинированные (рис. 1, б) и буроопускные с камуфлетными уширениями. Исключение составляли территории, где расположены полностью талые грунты. Там успешно применялись и до сих пор применяются обычные столбчатые и ленточные фундаменты. Массовое применение в Магадане свайных фундаментов позволило полностью устранить проблемы надежности. Сейчас в городе нет ни одного деформирующегося здания.
Впервые сваи в Магадане были применены в 1963 г. при возведении 40-квартирного жилого дома. В качестве свайного фундамента использовались буроопускные сваи с камуфлетными уширениями. За основу конструкции был взят опыт киевских строителей.
Основными недостатками свай с камуфлетными уширениями являлись: несовершенство контроля за
Рис. 1. Основные виды свайных фундаментов в Магадане: а — буродобивные сваи; б — буроопускные комбинированные сваи
Рис. 2. Схема испытательного стенда, использовавшегося в 1960—1990гг. для проведения статических испытаний свай в Магадане [9,10]: 1 — стальная упорно-распределительная балка; 2 — анкерная труба; 3 — гидравлический домкрат с монометром; 4 — испытуемая свая; 5 — анкерная свая; 6—реперная система с прогибомерами
38
9'2019
Научно-технический и производственный журнал
Кратность превышений расчетных сопротивлений под нижним концом забивных свай, определенных по ВСН 67-174-78 и ВСН 100-010-87 по отношению к СП 24.13330.2011, для талых песчаных грунтов на глубинах 5, 10 и 15 м в г. Магадане
2,5
1,5
1
0,5
10 м
15 м
ВСН-78
ВСН-8
ВСН-78
ВСН-8
ВСН-78
ВСН-8
Разновидность
песчаных
грунтов
гравилистый
□ крупный
средней — крупности
Г мелкий пылеватый
Рис. 3.
в ВСН-
Сравнение данных расчетных сопротивлений под нижним концом забивных свай для песчаных грунтов, представленных 174-78и ВСН-110-010—87по отношению к данным СП24.13330.2011
Кратность превышений расчетных сопротивлений под нижним концом комбинированных (набивных) свай, определенных по ВСН 67-174-78 и ВСН 100-010-87 по отношению к СП 24.13330.2011, для талых глинистых грунтов с различной на глубинах 5, 10 и 15 м
□ 0
10,1
□ 0,2
и 0,3 □ 0,4
ВСН-78
ВСН-
Рис. 4. Сравнение данных расчетных сопротивлений под нижним концом комбинированных (набивных) свай для глинистых грунтов, представленных в ВСН-174-78и ВСН-110-010-87по отношению к данным СП24.13330.2011
качеством их устройства, ограниченность их применения в условиях города (взрывы), невозможность создания расчетного уширения в водонасыщенных и мерзлых грунтах. Статические испытания (рис. 2) буронабивных и буроопускных свай с камуфлетными уширениями показали, что при идеальном исполнении их несущая способность превышала 1000 кН (100 тс) на одну сваю. Уже тогда было замечено, что если для этих свай сделать расчет несущей способности по расчетным значениям сопротивлений грунтов под
нижним концом свай, используя общесоюзные нормативные стандарты (тогда СНиП 11-Б. 5-67* «Свайные фундаменты. Нормы проектирования»), то при проектировании закладывался заведомо неоправданно большой запас прочности [9]. Из-за сейсмических условий высота 90% жилых зданий в Магадане не превышает пяти этажей. Для панельных и крупноблочных зданий такой этажности проектная расчетная нагрузка на одну сваю при расстановке их с шагом 3 м находится в пределах 500-600 кН (50-60 тс). Восприятие
92019
39
2
0
L
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
этой нагрузки вполне обеспечивали буроопускные комбинированные сваи без уширения или буродобив-ные сваи.
К 1975 г. в Магадане были собраны данные более трехсот статических испытаний различных типов свай. Это позволило определить расчетные сопротивления для различных грунтов на глубинах от 4 до 15 м. Полученные результаты были представлены в ВСН 67-174-78 (Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов в Магадане). К середине 1980-х гг. число статических испытаний свай превысило тысячу. Уточненные данные расчетных сопротивлений для различных грунтов и видов свай были внесены в ВСН 110-010-87 (Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов в талых и оттаивающих грунтах Магаданской области) [10].
Результаты и обсуждение
Сравнение данных расчетных сопротивлений под нижним концом комбинированных (набивных) свай для глинистых грунтов, представленных в ВСН 174-78 и ВСН 110-010-87, которые были получены на основании фактических данных статических испытаний свай, по отношению к данным СП 24.13330.2011 (СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 с изменениями 3 декабря 2016 г.) показало, что в среднем для различных грунтов с /¿=0-0,4 на глубинах 5-15 м их превышение кратно 1,8 и 3,6 соответственно. Для забивных свай разница расчетных сопротивлений песчаных грунтов под нижним концом свай достигает 1,3 и 1,5 раза соответственно. Результаты сравнения показаны на рис. 3, 4.
Обсуждение полученных результатов
Рассмотрим более подробно, какие факторы сыграли решающую роль в том, что проектирование свайных фундаментов в Магадане на основании статических испытаний свай экономически эффективнее, чем при использовании стандартных норм. Во-первых, грунты в Магадане, как показано выше, обладают более высокой прочностью к восприятию внешней нагрузки, чем это принято по общероссийским нормам. Есть несколько гипотез, объясняющих причину повышенной прочности талых песчаных и глинистых грунтов, залегающих в зоне островного и прерывистого распространения мерзлых грунтов. Наиболее достоверное объяснение этому, что такие свойства грунтов сформировались в результате более плотной упаковки частиц грунта при совместном воздействии сейсмических колебаний грунта и многократных циклов промерзания-оттаивания.
Во-вторых, при прочих равных условиях, используя в расчетах несущей способности грунтов данные предпостроечных испытаний свай статической нагрузкой (т. е. данные ВСН 110-010-87), можно условно принять, что буроопускные комбинированные сваи воспримут в среднем требуемую проектную нагрузку на глубине в 3,6 раза меньше, чем по расчету, выполненному на основании данных СП 24.13330.2011. Соответственно для забивных свай, опираемых в песчаные грунты, глубина сократится в среднем в 1,5 раза.
К сожалению, ВСН 110-010-87 в настоящее время не считается действующим нормативным документом. Но даже если бы он и был действующим, то и тогда расчетную способность свай было бы необходимо определять по СП 24.13330.2011, так как он имеет наименьшее из рассматриваемых значений расчетных сопротивлений грунтов под концом свай в нормативных документах.
Но и в 1970-1990 гг. ВСН 1978 и 1988 годов издания также использовались только для предварительных расчетов, а все проектирование в г. Магадане велось по результатам предпостроечных статических испытаний свай.
За последние 25 лет в Магадане не проведено ни одного статического испытания свай. Практика проектирования на основе данных предпостроечных испытаний свай в Магадане утрачена полностью. В настоящее время заказ на проектирование получают те, кто выиграл конкурс или аукцион. И не всегда это местные специалисты. Но даже если и местные, то знают ли они, что грунты в Магадане обладают существенно более высокой прочностью по сравнению с той, которая представлена в действующей нормативной литературе (СП 24.13330.2011)?
Проектирование в Магадане на основании данных предпостроечных статических испытаний свай
Количество построенных многоквартирных домов в Магадане по годам
Год постройки
Рис. 5. Динамика изменения строительства жилых домов в Магадане
40
92019
Научно-технический и производственный журнал
(или с использованием данных ВСН 100-010-87) по сравнению с проектированием по СП 24.13330.2011 давало значительную экономию капитальных вложений. Подсчитаем, какая экономия средств была получена за счет указанного предложения при строительстве жилых домов на свайных фундаментах за период с 1975 по 1990 г., когда в Магадане была возведена почти половина общего количества жилых зданий (рис. 5).
Данных о количестве зданий, их этажности, размерах и типе фундамента были взяты на сайте общественного проекта «Дом.МинЖКХ.РУ» (http://dom. mingkh.ru/magadanskaya-oblast/magadan#stats).
Всего за 1975-1990 гг. было возведено 425 жилых зданий, или в среднем по 26 зданий в год. 394 здания были этажностью 5-9 этажей, из них 90% приходилось на пятиэтажные здания. Из общего количества зданий 179 было построено на свайных фундаментах. Их суммарная площадь пятна застройки (соответствует общей площади котлованов под всеми зданиями) составила 141438 м2. Приняв, что в среднем в фундаменте пятиэтажного жилого здания размером 12x30 м на два подъезда устанавливалось 55 свай (шаг свай 3 м) можно установить, что средняя плотность свай в фундаменте равняется 0,15 свай/м2. Таким образом, за период 19751990 гг. было установлено примерно 21 тыс. свай. Магаданским заводом крупнопанельного домостроения изготавливались инвентарные железобетонные сваи длиной от 4 до 12 м. Точные данные о том, какие и какой длины применялись сваи на объектах, отсутствуют, поэтому в расчетах используем среднюю длину свай - 8 м. В современных ценах 1 п. м сваи в Магадане в среднем стоит 10 тыс. р. и включает работы по подготовке котлована, ударно-канатное бурение скважин диаметром 450 мм, стоимость изготовления свай, доставку их в Магадан, устройство в скважинах, стоимость устройства монолитного ростверка вместе с материалом. Несложно посчитать, что в нынешних ценах затраты на свайный фундамент, возведенный в 1975-1990 гг., равнялись бы 1680 млн р. Полагаем, что это были затраты при проектировании с использованием данных предпостроечных испытаний свай. Теперь определим стоимость свайного фундамента при его
Список литературы
1. Ahmed S. Al-Suhaily, Ahmed S. Abood, and Mohammed Y. Fattah. Bearing capacity of uplift piles with end gates // Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering (SSGG). 2018.
9'2019
проектировании по СП 24.13330.2011. Применив к буродобивным сваям коэффициент 1,5, а к буроо-пускным комбинированным 3,6, получаем, что их длина по СП 24.13330.2011 должна быть 12 и 28,8 м соответственно. В Магадане соотношение объектов, где использовались буродобивные и буроопускные комбинированные сваи, составляло примерно четыре к одному. Тогда на рассматриваемый период времени общая стоимость буродобивных свай по расчету, выполненному по СП 24.13330.2011, составила 1890 млн р., буроопускных комбинированных - 1512 млн р. Общая разница затрат - 1722 млн р. Среднегодовой экономический эффект от внедрения предпостроечных испытаний свай - 108 млн р., а на каждом «усредненном» здании (пятиэтажном жилом здании с четырьмя подъездами) только за счет фундамента в среднем можно экономить 9,6 млн р. Вероятно, это небольшие деньги. Но если строить на свайном фундаменте в Магадане не одно жилое здание, а в среднем по 11 домов в год, как это было в 1975-1990 гг., то эффект уже заметен. К сожалению, ни заказчики, ни проектировщики, ни строители в Магадане в настоящее время не заинтересованы в снижении расходов на строительство, в частности за счет свайного фундамента. Причины их отказа неясны, и это требует специального исследования.
Выводы
На основании данных многочисленных статических испытаний свай установлено, что в специфических мерзлотно-грунтовых условиях территории Магадана фактические расчетные сопротивления под нижним концом комбинированных (набивных) свай для песчаных и глинистых грунтов на глубинах 5-15 м в среднем превышают данные, представленные в СП 24.13330.2011, в 3,6 раза. Для забивных свай эта разница достигает 1,5 раз.
Расчеты показали, что проектирование в Магадане свайных фундаментов на основании предпостро-ечных испытаний свай по сравнению с проектированием на основании общероссийского (всесоюзного) стандарта (СНиП или СП) в период с 1975 по 1990 г. позволяло экономить в среднем примерно 100 млн р. ежегодно (в ценах 2019 г.).
References
1. Ahmed S. Al-Suhaily, Ahmed S. Abood, and Mohammed Y. Fattah. Bearing capacity of uplift piles with end gates. Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering (SSGG). 2018.
- 41
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Vol. 2, pp. 893-897. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-97115-5_3.
2. Jiajin Zhou, Xiaonan Gong, and Rihong Zhang. Field tests on behavior of pre-bored grouted planted pile in soft soil area with existing pile foundation // Proceedings of China-Europe Conference on Geotech-nical Engineering. SSGG. 2018, pp. 1106-1110. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-97115-5_49.
3. Ji-Liang Wang, Chen-xi Zhang. Experimental study on bearing capacity of pile foundation in permafrost area // Permafrost Engineering, Proceedings of the IX International Symposium. Mirny. 2011. Vol. 1, pp. 364-368.
4. Пономарев А.Б., Безгодов М.А. Сопоставление результатов натурных испытаний свай с результатами статического зондирования в слабых во-донасыщенных глинистых грунтах с учетом фактора времени // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 2 (43). С. 79-85.
5. Коломийцев Д.Е., Булатов Г.Я. Методика испытаний буронабивных свай повышенной несущей способности методом Остенберга // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 3. С.142-144.
6. Жусупбеков А.Ж., Лукпанов Р.Е., Омаров А.Р. Опыт применения методов статических испытаний свай на площадке строительства EXP0-2017 // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2016. № 4. С. 19 - 22.
7. Жусупбеков А.Ж., Чанг Дер-Вен, Утепов Елбек, Борбекова Карлыгаш, Омаров А.Р. Оценка несущей способности забивных свай // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2019. № 2. С. 26.
8. Tulebekova A.S., Zhusupbekov A.Zh., Mussa-bayev T., Mussina S. Geotechnical issues of testing piles on construction site of Astana. International Congress and Exhibition «Sustainable Civil Infrastructures: Innovative Infrastructure Geotechnolo-gy» GeoMEast 2018: Sustainability Issues for the Deep Foundations. 2018. pp. 116-124. DOI: https:// doi.org/10.1007/978-3-030-01902-0_11.
9. Конаш В.Е. Свайные фундаменты в условиях островного распространения вечномерзлых грунтов (на примере Магадана). Л.: Стройиздат, 1977. 135 с.
10. Власов В.П. Особенности свайного фундамен-тостроения в талых и оттаивающих грунтах Магаданской области. Якутск: ИМЗ СО РАН, 1992. 176 с.
42| -
Vol. 2, pp. 893-897. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-97115-5_3.
2. Jiajin Zhou, Xiaonan Gong, and Rihong Zhang. Field tests on behavior of pre-bored grouted planted pile in soft soil area with existing pile foundation. Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering. SSGG. 2018, pp. 1106-1110. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-97115-5_49.
3. Ji-Liang Wang, Chen-xi Zhang. Experimental study on bearing capacity of pile foundation in permafrost area. Permafrost Engineering, Proceedings of the IX International Symposium. Mirny. 2011. Vol. 1, pp.364-368.
4. Ponomarev A.B., Bezgodov M.A. Comparison of the results of in-situ testing of piles with the results of static probing in weak water-saturated clay soils taking into account the time factor. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2014. No. 2 (43), pp. 79-85. (In Russian).
5. Kolomiytsev D.Ye., Bulatov G.YA. Method of testing of drill piles with increased bearing capacity by Ostenberg method. Stroiteistvo unikal'nykh zdaniy i sooru-zheniy. 2014. No. 3, pp. 142-144. (In Russian).
6. Zhusupbekov A.ZH., Lukpanov R.Ye., Omarov A.R. Experience with static pile testing at the construction site EXPO-2017. Osnovaniya, fundamenty i mekhan-ika gruntov. 2016. No. 4, pp. 19-22. (In Russian).
7. Zhusupbekov A.ZH., Chang Der-Ven, Utepov Yelbek, Borbekova Karlygash. Omarov A.R. Assessment of the bearing capacity of driven piles. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2019. No. 2, p. 26. (In Russian).
8. Tulebekova A.S., Zhusupbekov A.Zh., Mussa-bayev T., Mussina S. Geotechnical issues of testing piles on construction site of Astana. International Congress and Exhibition "Sustainable Civil Infrastructures: Innovative Infrastructure Geotechnology" GeoMEast 2018: Sustainability Issues for the Deep Foundations. 2018. pp. 116-124. DOI: https://doi. org/10.1007/978-3-030-01902-0_11.
9. Konash V.Ye. Svaynyye fundamenty v usloviyakh os-trovnogo rasprostraneniya vechnomerzlykh gruntov (na primere Magadana) [Pile foundations in the conditions of island distribution of permafrost soils (on the example of Magadan)]. Leningrad: Stroyizdat. 1977. 135 p.
10. Vlasov V.P. Osobennosti svaynogo fundamentostroy-eniya v talykh i ottaivayushchikh gruntakh Magadan-skoy oblasti [Features of pile foundation engineering in thawed and thawing soils of the Magadan region]. Yakutsk: IMZ SO RAN. 1992. 176 p.
|9'2019
