16Технико-экономическая целесообразность применения свай-оболочек в слабых грунтах
Преснов Олег Михайлович
кандидат технических наук, доцент, доцент Кафедры автомобильных дорог и городских сооружений, Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», [email protected]
Моисеева Евгения Алексеевна
студент, Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», [email protected]
Пучинкин Владимир Владимирович
студент, Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», [email protected]
Соломко Данил Игоревич
студент, Инженерно-строительный институт, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», [email protected]
Строительство больших промышленных зданий, гидротехнических сооружений и мостов предполагает огромные нагрузки на фундамент этих строений. В статье обосновано применение свай-оболочек при устройстве фундаментов в слабых грунтах, а также в сейсмоопасных районах. Также описаны конструкции свай-оболочек и их погружение, новые изобретения и полезные модели. В результате анализа выявлены достоинства и недостатки данной технологии.
Ключевые слова: свая-оболочка, тонкостенная полая свая, свайный фундамент, слабый грунт, водона-сыщенный грунт, вибропогружение.
Введение
В связи с огромной территорией нашей страны существует постоянная необходимость преодолевать большие расстояния. Поэтому строительство пирсов и мостов на водонасыщенных грунтах через широкие русла рек, строительство на мёрзлых грунтах в условиях вечной мерзлоты и экстремальных климатических условиях требуют применения специальных методов строительства, обеспечивающих надёжную работу сооружений в этих условиях.
Всё более актуальными становятся так называемые слабые грунты, к которым относятся [1]: торф и заторфованные пески, сапропели, мокрые солончаки, а также во-донасыщенные глинистые и сильносжимаемые грунты - лёссы и илы, глины, супеси, суглинки. Слабые грунты имеют высокую влажность, большую пористость и сжимаемость, из-за чего такой грунт весьма чувствителен к воздействию вибраций.
Во многих городах России остро стоит вопрос о строительстве на слабых грунтах, так как последние широко распространены в северо-западной части страны и бывшего СССР, а также в центральной части Западной Сибири [2]. Наиболее известными такими представителями выступают Ленинградская область, республика Коми.
В данных грунтовых условиях целесообразным является устройство свайных фундаментов, а именно железобетонных свай-оболочек.
Основная часть
Согласно [3, 4] свая-оболочка - это полая конструкция с внешним диаметром сечения от 1000 мм до 3000 мм, которая изготавливается с применением ненапрягае-мой арматуры. Толщина железобетонной оболочки не менее 12 см. Длина цельной конструкции составляет от 4 до 12 м, а составной - от 12 до 48 м в зависимости от количества секций. Концы стыкующихся секций изготовляют с элементами, предназначенными для выполнения болтового или сварного соединения. При изготовлении свай-оболочек используют железобетон с высокой прочностью на сжатие (В30 и выше) [5], морозостойкостью и водонепроницаемостью. Из заполнителей для бетона применяют щебень (гравий не допускается) из естественного камня фракций 10-20 мм и природный обогащённый песок. Армируется бетон оболочек пространственным каркасом, где продольная арматура - горячекатаная арматурная сталь А-Ш, поперечная арматура - проволока В-1 диаметром 5 мм.
Такие сваи широко применимы в строительстве фундаментов крупных сооружений, гидротехнических объектов, мостов и автострад, так как большая площадь соприкосновения стенок сваи с грунтом обеспечивает прочность и устойчивость этих сооружений.
Кроме того, сваи-оболочки часто используются в районах с повышенной сейсмической активностью, именно благодаря своей устойчивости к колебательным процессам и большим горизонтальным нагрузкам. Например, в Ташкенте, где сейсмичность составляет 8-9 баллов [6].
Секции свай-оболочек изготавливают и погружают с открытым нижним концом. Чтобы такая свая не разрушилась при ударе о препятствие или погружении в плотно сложенный грунт, к стенкам нижнего конца прикрепляют стальной кольцевой нож, к которому и приваривается стальная арматура.
Погружают, зачастую, вибропогружателями с полной выемкой грунта или частичной, в зависимости от его свойств и требований по несущей способности конструкции [7]. В случае погружения без выемки грунта во внутренней полости сваи образуется уплотнённое грунтовое ядро, поэтому расчётное сопротивление основания применяют по полному сечению оболочки.
Но при очень больших нагрузках, а сваи-оболочки выдерживают до 25000 кН, прочность стенок недостаточна, тогда расчищенную от грунта полость заполняют бетонной смесью. Ещё со времён СССР было предложено множество различных способов устройства буронабивных свай-оболочек [8], и один из этих видов представлен в патенте [9]. Особенность этой сваи-оболочки заключается в том, что её полость образована герметичной трубой из полиэтилена низкого давления.
В гражданском и промышленном строительстве нагрузки намного меньше, поэтому грунт удаляют только в голове сваи (1-2 м) и заполняют её бетоном для соединения с лежащей выше конструкцией. Такой вариант применения одновременно грунта и бетона в полости оболочки представлен в патенте [10]. Железобетонный ствол в свайной оболочке выполнен с уширением в верхней части, что даёт Т-образную форму в продольном сечении, а также с уплотнённым грунтовым кольцом под этим уширением. Такая модель позволяет в значительной степени уменьшить расход бетона при сохранении несущей способности сваи.
Погружение свай производится в основном двумя способами. Первый способ - это сборка двух или более элементов на подготовительной площадке с применением сварного стыка секций. Второй - это постепенное наращивание секций свай при непосредственно погружении с применением как сварного, так и болтового соединения.
Свайные фундаменты применяют при небольшой толщине слабых грунтов (до 12 м), под которыми обязательно находится прочный подстилающий грунт. Полностью прорезывая слабые водонасыщенные грунты, сваи опираются на прочные. Глубина погружения в несущий слой определяется расчётом и не менее: 1 м - для песчаных и твёрдых глинистых грунтов, 2 м - для рыхлых и пылеватых песчаных грунтов и текучих глинистых.
Исходя из [4], сваи-оболочки поднимают с помощью стрелового крана траверсой или же гибкими стропами и, установив, фиксируют в точке погружения специальными направляющими. Затем происходит вибрационное погружение свай-оболочек на проектную глубину. Рекомендуемые марки вибропогружателей для свай - оболочек диаметром от 1000 мм до 1200 мм ВП- 3М, а для диаметров 1600 мм и больше ВУ - 1,6. При строительстве мостовых опор могут применяться плавучие копры и обычные, но при условии, что сваи-оболочки можно забить с берега. Последующие работы, как и было упомянуто выше, включают выемку грунта из сваи и при необходимости заполнение этой полости бетоном.
Для большой несущей способности всей конструкции как раз и используют сваи-оболочки. Они позволяют устраивать фундаменты на слабых грунтах толщиной более 12 м, опираясь на любой вид грунта, за исключением торфов, илов и других силь-носжимаемых грунтов, погружаясь до 25 м, а также заглубляя сваи в несущий слой до 17 м [11].
Кроме того, сваи-оболочки следует применять, если в слое слабого грунта имеются прослойки более прочного. В этом случае при небольших статических нагрузках возможна неполная прорезка слабого грунта. Также применение данных свай возможно и на ленточных глинах, которые состоят из большого числа тонких песчаных и глинистых слоёв, сменяющих друг друга.
Вывод
Таким образом, у каждой конструкции есть свои достоинства и недостатки.
Только с помощью свай-оболочек можно решить проблемы, связанные с конструированием высокоэффективных свайных фундаментов, поскольку с их помощью несущий слой выдерживает очень большие нагрузки от высоких и массивных зданий и сооружений без угрозы разрушения.
За счёт использования железобетонных свай-оболочек снижается расход бетона примерно в 2 раза по сравнению с призматическими сваями сплошного сечения благодаря увеличению расчётной площади при требуемом сечении сваи.
Данные виды свай широко применяются в строительстве на уже застроенных территориях, так как исключают вибрации и динамические воздействия на существующие строительные конструкции, расположенные в близости к строительной площадке.
Сваи-оболочки могут быть использованы практически в любых грунтах. Также немаловажным достоинством является неподверженность гниению.
К главным недостаткам рассмотренных свай можно отнести весьма неточный расчёт их несущей способности из-за различных физико-механических свойств и толщины заполняемой полости грунтом основания при погружении свай.
Ещё одним существенным минусом является то, что для монтажа и транспортировки секций свай необходимы мощные подъёмные краны и средства передвижения,
из-за чего вырастаем трудоёмкость и энергозатратность процесса строительно-монтажных работ.
Таким образом, применение свай-оболочек решает проблему строительства на слабых водонасыщенных грунтах, так как они прорезает сильносжимаемый грунт и опираются на более прочный.
Литература
1. ГОСТ 25100-2020 Грунты. Классификация. Введ. 01.01.2021. Москва: Стандар-тинформ, 2020. 38 с.
2. СП 115.13330.2016 «СНиП 22-01-95 Геофизика опасных природных воздействий». Введ. 17.07.2016. Москва: Минстрой России, 2016. 36 с.
3. ГОСТ 19804-2021 Сваи железобетонные заводского изготовления. Общие технические условия. Введ. 09.01.2022. Москва: Стройиздат, 2021. 23 с.
4. ГОСТ 19804.6-83 Сваи полые круглого сечения и сваи-оболочки железобетонные составные с ненапрягаемой арматурой. Конструкция и размеры. Введ. 01.01.1984. Москва: Издательство Стандартов, 1983. 40 с.
5. Серия 1.011.1-10 Сваи забивные железобетонные. Выпуск 4. Сваи полые круглого сечения и сваи-оболочки цельные с ненапрягаемой арматурой. Введ. 01.02.94. Москва: Фундаментпроект, 1993. 74 с.
6. Кахаров З.В., Хамроев А.Ю. Современные технологии свайного фундаменто-строения // Инновационные научные исследования. 2022. № 10(22). C. 32-39.
7. СП 24.13330.2021 Свайные фундаменты. Введ. 15.01.2022. Москва: Минстрой России, 2021. 118 с.
8. Гончаров А.А., Устройство полых буронабивных свай // Промышленное и гражданское строительство. 2021 № 5. С.41-45.
9. Патент РФ № 204512, дата приоритета 25.12.2020, дата публикации 28.05.2021, автор: Преснов О.М., Веремьева М.П.
10. Патент РФ № 204251, дата приоритета 19.10.2020, дата публикации 17.05.2021, автор: Преснов О.М., Толочко О. Р.
11. Корнюшин П.С., Пирс на железобетонных сваях-оболочках Находкинского судоремонтного завода. Статья: Вологдинские чтения. 2012 №80. С. 149-151.
12.Антонов В. М., Леденев В. В., Скрылев В. И. Проектирование зданий при особых условиях строительства и эксплуатации: Учеб. пособ. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. 240 с.
13.Дрогалина Т.А., Устройство свайного фундамента на слабых водонасыщенных грунта. Статья: Аллея Науки. 2020 № 5(44). С. 296-299.
The technical and economic feasibility of using tubular piles in weak soils Presnov O.M., Moiseeva E.A., Puchinkin V.V., Solomko D.I.
Siberian Federal University
The construction of large industrial buildings, hydraulic structures and bridges involves enormous loads on the foundations of these structures. The article substantiates the use of tubular piles in the construction of foundations in weak soils, as well as in earthquake-prone areas. It also describes the designs of tubular piles and their immersion, new inventions and utility models. The analysis revealed the advantages and disadvantages of this technology. Keywords: tubular pile, thin-walled hollow pile, pile foundation, weak soil, water-saturated soil, vibration immersion. References
1. GOST 25100-2020 Soils. Classification. Introduction 01.01.2021. Moscow: Standartinform, 2020. 38 p.
2. SP 115.13330.2016 «SNiP 22-01-95 Geophysics of hazardous natural processes». Introduction 07.17.2016. Moscow: Ministry of Construction of Russia, 2016. 36 p.
3. GOST 19804-2021 Prefabricated reinforced concrete piles. General specifications. Introduction 01.09.2022. Moscow: Stroyizdat, 2021. 23 p.
4. GOST 19804.6-83 Reinforced-concrete round hole built-up piles and tubular piles. Structure and dimensions. Introduction 01.01.1984. Moscow: Standards Publishing House, 1983. 40 p.
5. Series 1.011.1-10 Reinforced-concrete built-up piles. Issue 4. Solid reinforced-concrete round hole built-up piles and tubular piles with non-stressed reinforcement. Introduction 02.01.94. Moscow: Fundamentproekt, 1993. 74 p.
6. Kakharov Z.V., Hamoyev A.Yu. Modern technologies of pile foundation construction // Innovative scientific research. 2022. N. 10(22). P. 32-39.
7. SP 24.13330.2021 Pile foundations. Introduction 01.15.2022. Moscow: Ministry of Construction of Russia, 2021. 118 p.
8. Goncharov A. A. Construction of Hollow Bored Piles. Promyshlennoe I grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2021, N. 5. pp. 41-45. (In Russian).
9. RF patent N. 204512, priority date 12.25.2020, publication date 05.28.2021, author: Presnov O.M., Veremyeva M.P.
10. RF patent N. 204251, priority date 19.10.2020, publication date 17.05.2021, author: Presnov O.M., Tolochko O. R.
11. Kornyushin P.S., Pier on reinforced concrete tubular piles of the Nakhodka Shipyard. Article: Vologdinskiye chteniya [Vologda readings]. 2012 N. 80. P. 149-151.
12. Antonov V. M., Ledenev V. V., Skrylev V. I. Design of buildings under special conditions of construction and operation: Textbook Tambov: Tambov Technical University Publishing House, 2002. 240 p.
13. Drogalina T.A., Installation of a pile foundation on weak water-saturated soils. Article: Alleya Nauki [Alley of Science]. 2020 N. 5 (44). P. 296-299.
