CC BY
66Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Underground construction
УДК 624.154
Н.С. СОКОЛОВ, канд. техн. наук, директор ([email protected]), В.М. РЯБИНОВ, инженер, зам. директора ([email protected])
ООО «Научно-производственная фирма «ФОРСТ» (428022, Чебоксары, ул. Калинина, 109а)
г ■ 1 о ^ о
Технология устройства буроинъекционных сваи
о с» ^
повышенной несущей способности
В связи с увеличением объемов строительства в стесненных условиях особую актуальность приобретает использование буроинъекционных свай, изготавливаемых по разрядно-импульсной технологии. Любая буроинъекционная свая усиления обладает малым диаметром и значительной длиной. При этом ее несущая способность по телу немного меньше, чем по грунту. Создание уширений вдоль сваи позволит увеличить несущую способность сваи как по грунту, так и по телу. По результатам статических испытаний несущая способность таких, свай увеличивается многократно по сравнению с буроинъ-екционными сваями с постоянными поперечными сечениями по длине.
Ключевые слова: уширения, «подпятники», стесненные условия, несущая способность.
N.S. SOKOLOV, Candidate of Sciences (Engineering), Director ([email protected]), V.M. RYABINOV, Engineer, Deputy Director ([email protected]) OOO Scientific-Production Company «FORST» (109a, Kalinina Street, 428022, Cheboksary, Russian Federation)
Technique of Construction of Bored-Injection Piles of Increased Bearing Capacity
In connection with increasing construction volumes under cluttered urban environments the use of bored-injection piles produced according to the pulse-discharge technology acquires special relevance. Any bored-injection pile of strengthening has a small diameter and significant length. In this case, its bearing capacity in relation to the pile shaft is a little less than the bearing capacity in relation to the soil. The creation of widenings along the pile makes it possible to increase the bearing capacity of the pile in relation both to the soil and the shaft. The results of static tests indicate that the bearing capacity of such piles is increased many times comparing with bored-injection piles with constant cross sections along the length. Keywords: widenings, "thrust bearing", cluttered environments, bearing capacity.
В геотехническом строительстве всегда является актуальным повышение несущей способности (Fd) буроинъекционных свай с одновременным уменьшением величины их вертикальных перемещений. Буроинъекционные сваи-ЭРТ, относящиеся к «Микросваям», без уплотнения стенок скважин являются малоэффективными. Одним из направлений увеличения Fd является уплотнение стенок буровых скважин с помощью электроразрядной технологии (технология ЭРТ). Устраивая уширения на конкретных участках вдоль длины сваи-ЭРТ, появляется возможность замены несущей способности свай по боковой поверхности на несущую способность сваи под уширением. Последняя в десятки раз превышает первую. Опыт устройства буроинъекционных свай-ЭРТ с несколькими уширениями показывает на их повышенные значения Fd по сравнению со сваями-ЭРТ без уширений. Результаты статических испытаний с тремя уширениями на одном из объектов в Нижнем Новгороде показали удвоенную несущую способность по сравнению с несущей способностью сваи-ЭРТ без уплотнения стенок.
Особую актуальность приобретает в последнее время геотехническое строительство в стесненных условиях. Такой вид деятельности предполагает исполнение следующих мероприятий: расчет, проектирование, разработка и возведение типов фундаментов, обеспечивающих минимальную осадку застраиваемого здания или сооружения; расчет, проектирование, разработка и устройство ограждающих конструкций, сводящих к минимуму влияние застраиваемого объекта на существующие здания и сооружения в пределах зоны влияния; расчет, проектирование, разработка и
92016 ^^^^^^^^^^^^^^
осуществление конструктивных мероприятий по увеличению эксплуатационной надежности зданий и сооружений также в пределах зоны влияния.
В геотехническом строительстве наиболее эффективными типами фундаментов являются буроинъекционные сваи на мелкозернистом бетоне.
Следует отметить, что основными способами бурения скважин для устройства буроинъекционных свай в настоящее время являются бурение под защитой глинистого раствора и шнековое бурение.
Бурение под защитой глинистого раствора представляется малоперспективным в связи со сложностью, а часто и невозможностью устройства зумпфов, например в условиях подвалов; проблемами с утилизацией отработанного бурового раствора; низкой несущей способностью в связи с тем, что глинистая корка на стенках скважины не позволяет обеспечить надежный контакт боковой поверхности сваи с грунтом и т. п.
Недостатком шнекового бурения является большой объем бурового шлама, остающегося на забое скважины. Это связано с конструкцией шнекового долота (породораз-рушающие элементы находятся на расстоянии 10-15 см от породоудаляющих). Кроме того, при шнековом бурении происходит существенное ослабление несущих свойств грунта, не восстанавливающихся со временем вертикальной нагрузкой от веса твердеющего раствора (при диаметре скважины 200 мм и длине 20 м вес инъектированного раствора составляет 12-15 кН); и давления опрессовки недостаточно для качественного уплотнения шлама и возвращения свойств грунта на забое скважины в первона-
- 11
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
чальное состояние, что и влечет за собой технологические осадки.
Здесь следует отметить, что рассмотрение перспектив увеличения несущей способности следует оценивать с точки зрения возможностей буровой техники, позволяющей изготовление таких свай в стесненных условиях, в том числе из подвалов существующих зданий. Это накладывает жесткие ограничения на геометрические параметры буровой техники и, как следствие, на их мощностные характеристики.
Наиболее перспективными являются технологии, позволяющие увеличить площадь опирания свай с одновременным доведением величин технологических осадок до минимальных значений.
К указанным технологиям относятся [1-10]: электроразрядные технологии (РИТ, ФОРСТ, ЭРСТ, ЭРТ, НИИОСП); технологии изготовления набивных буровых свай; технологии изготовления свай с многоместными уширениями (СМУ).
При изготовлении свай по электроразрядным технологиям (ЭРТ, ФОРСТ) создаются уширения на пяте и боковой поверхности сваи. Одновременно уплотняется грунт, примыкающий к свае. Вышесказанное влечет за собой существенное увеличение несущей способности буровых свай усиления. Высокая несущая способность сваи ЭРТ объясняется контролируемым увеличением площади опирания сваи и созданием зоны уплотнения грунтов под острием сваи, как у забивной сваи с диаметром пяты, равным фактическому диаметру уширения. Применение ЭРТ позволяет качественно уплотнить буровой шлам на забое скважины, сводя к минимуму технологические осадки.
На сегодняшний день изготовлены сотни тысяч свай ЭРТ в Германии, Южной Корее, Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Чебоксарах, Саранске, Самаре, Курске и др. Проведенные статические испытания свай на конкретных объектах показали значительную эффективность ЭРТ.
Что касается динамического воздействия на окружающие здания и сооружения, то к сожалению, не указывается, о какой из областей применения ЭРТ говорится. Ведь ЭРТ применяется при укреплении стен и фундаментов зданий (в этом случае энергия разряда составляет 2-4 кДж); устройстве свай и грунтовых анкеров (энергия разряда в зависимости от диаметра сваи, ее длины и инженерно-геологических условий варьируется от 5 до 40 кДж).
Также нигде нет ссылок на конкретный отчет, документально подтвержда-
ющий факт чрезмерного динамического воздействия. Специалистами МГУ, НПО «РИТА», НПФ «ФОРСТ» доказано, что электрический разряд с энергией 60 кДж (что значительно выше, чем фактически применяемые энергии) при заглублении излучателя более 4 м безопасен для окружающих зданий и сооружений. Кроме того, проведенные в Санкт-Петербурге в 2005 г. исследования подтвердили абсолютную сейсмобезопасность применения данной технологии.
Сваи с многоместными уширениями (СМУ) применяются давно. Опыт использования таких свай есть в Индии, ФРГ, Великобритании, Японии, СССР и в России. Конструкция такой сваи представляет собой буровую сваю с ушире-нием на пяте. Выше этого уширения в зависимости от типа инженерно-геологических условий и требуемой несущей способности сваи выполняются дополнительные уширения.
Практика изготовления таких свай показала их высокую эффективность. Несущая способность свай с одним уши-рением в 2-2,5 раза, а с двумя - в 3-3,5 раза выше, чем у свай, выполненных без уширений.
У сваи с многоместными уширениями на начальном этапе нагружения в работу вступает верхнее уширение. По мере увеличения нагрузки постепенно включаются нижележащие уширения, при этом каждое уширение выполняет функцию дополнительной опоры. Несущую способность Fd, кН, набивной и буровой свай с уширением и без уширения, а также сваи-оболочки, погружаемой с выемкой грунта и заполняемой бетоном, работающих на сжимающую нагрузку, следует определять по формуле (7.1) СНиП 2.02.03 - 85 «Свайные фундаменты»:
(1)
Для свай с многоместными уширениями (СМУ) формулу (1) следует преобразовать в следующий вид [11]:
^=Ус (Уск +уЛ^-А^ "IV л ■ м (2)
1=1 /=1
где Ус, УсЛ, Тс/ - коэффициенты условий работы; А - площадь уширения, м2; и - периметр сваи, м; - толщина элементарного слоя, м; Я - расчетное сопротивление под уширением или под нижним концом, кПа; - расчетное сопротивление по боковой поверхности, кПа.
В формуле (2) произведена замена:
[^1я,6ок-Л6ок+«1 У^АМ (3) «и /=1
Схема, поясняющая определение несущей способности Fd по формуле (2), приведена на рисунке.
При устройстве уширения по пяте свай-ЭРТ и вдоль ее ствола величину диаметра уширения Дки следует определять по формуле:
Схема к определению Fd буроинъекци-онной сваи с многоместными уширениями (СМУ)
Глубина, м к = 0,2 к = 0,4 к = 0,6
£, кПа Я,, кПа / £ £, кПа Я,, кПа Я / £ £, кПа Я,, кПа Я, / £
1 2 3 4 5 6 7 8 9
5 56 750 14,4 29 500 17,24 17 350 20,59
10 65 1050 16,15 34 800 23,53 19 600 31,58
15 72 1500 20,83 38 1100 28,95 20 800 40
20 79 1900 24,05 41 1450 35,37 20 1050 52,5
12
9'2016
Научно-технический и производственный журнал
Underground construction
= (4)
где йс - диаметр бурения по рабочему инструменту; Ки - коэффициент уширения, равный отношению диаметра уши-рения к диаметру буровой скважины.
Значения Ки приведены в табл. 2 и 3 ТР 50-180-06 «Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности».
Площадь уширения сваи-ЭРТ определяется по формуле:
(5)
Следует заметить, что при линейном значении диаметра уширения площадь уширения увеличивается в квадратичном соотношении, так, например, при коэффициенте уширения Ки = 1,5 площадь уширения увеличивается в 2,25 раза, а при коэффициенте Ки = 2 - в четыре раза.
Расчет несущей способности сваи с многоместным уши-рением по боковой поверхности имеет свои особенности по сравнению с расчетом несущей способности буровой сваи без уширений.
При устройстве свай с многоместными уширениями несущая способность сваи по боковой поверхности представляет собой сумму несущих способностей под каждым из уширений. При этом наиболее значимым параметром для их определения является К (расчетное сопротивление грунта под уширением).
Расчетные сопротивления грунтов под каждым из уширений R в десятки раз выше расчетного сопротивления тех же грунтов по боковой поверхности сваи ^ (расчетное сопротивление 1-го слоя грунта по боковой поверхности сваи), определяющих величину несущей способности по боковой поверхности сваи без уширений (см. таблицу).
Следует отметить, что с точки зрения технологичности изготовления буровых свай усиления с многоместными уширениями использование механических уширителей неэффективно. Применение оборудования для изготовления таких свай усиления за один проход бурового става, например свай системы ЦНИИС, невозможно вследствие ограниченных энергетических характеристик буровых станков. Устройство свай в несколько этапов (бурение скважины, устройство уширений) экономически невыгодно из-за многодельности операций и большой длительности процесса (особенно в условиях работы в подвалах). Кроме того, при очевидных преимуществах указанной технологии ее реализация при применении механических уширителей влечет ряд недостатков: сложность устройства уширений в неустойчивых грунтах; невозможность качественной очистки (даже при применении ковшовых буров) зон уширений от шлама, что приводит к значительным технологическим осадкам; разуплотнение грунтов, вызывающее ослабление их несущих свойств под каждым уширением.
Самой серьезной проблемой при применении механических уширителей является неопределенность мест разработки уширений по боковой поверхности при устройстве свай в перемежающихся грунтах. Это связано с тем, что даже при проведении изысканий по самым жестким требованиям нормативных документов (здание 1-го уровня ответственности и третьей категории грунтовых условий) сетка
92016 ^^^^^^^^^^^^^
по бурению изыскательских скважин составляет 20x20 м. Опыт работы показывает, что на расстоянии нескольких метров инженерно-геологические условия могут существенно разниться (могут встречаться линзы слабых грунтов, изменяться высотные отметки кровли и подошвы инженерно-геологических элементов и т. д.). При ошибке в месте устройства уширения эффективность этой технологии сводится к нулю. Геологический разрез на конкретной скважине опытный буровик может примерно оценить по параметрам работы бурового станка и скорости углубки.
С учетом вышесказанного предлагается устройство буровых свай усиления по технологии, сочетающей достоинства свай с многоместными уширениями и свай, выполненных по электроразрядным технологиям. Достоинствами такого способа являются: возможность устройства свай существующими буровыми станками (в том числе и отечественными); простота выполнения (добавляется одна легковыполняемая операция); возможность точного определения места устройства уширения (по уходу бетонной смеси); устройство необходимого количества уширений по длине сваи; минимизация технологических осадок; максимальная по сравнению с любыми другими технологиями устройства буровых свай усиления несущая способность сваи.
Предлагаемый способ устройства БСУ отличается от активно применяемой технологии ЭРТ.
Если же выполнять сваи по технологии, где уширения работают как дополнительные опоры, при обеспечении заданных в табл. 2.3 ТР 50-180-06 коэффициентов уши-рений, то при расчете несущей способности сваи по боковой поверхности величину расчетного сопротивления грунта под уширением К следует принимать по табл. 7.1. СНиП 2.02.03-85. В условиях перемежающихся грунтов устройство уширений осуществляется в слабых грунтах (при этом обеспечивается максимальная площадь опи-рания) над кровлей плотных грунтов, что обеспечивает большую по сравнению с технологией ЭРТ несущую способность сваи при одновременном сокращении расхода материалов и трудозатрат.
Выводы.
В настоящее время крайне востребованной является разработка технологий изготовления буровых свай усиления повышенной несущей способности с одновременной минимизацией технологических осадок сваи.
Наиболее перспективными в слабых инженерно-геологических условиях являются сваи с многоместными ушире-ниями, при этом уширения выполняются по электроразрядной технологии (сваи-ЭРТ).
Основными достоинствами этой технологии являются:
- обеспечение такого уплотнения грунта, при котором СМУ работает как забивная свая;
- определения точного места устройства уширений каждой сваи, что необходимо при устройстве сваи в условиях перемежающихся грунтов;
- минимизация технологических осадок.
Указанная технология реализуется существующими маломощными буровыми станками, предназначенными для работы в условиях подвалов.
Технология устройства свай с многоместными ушире-ниями по электроразрядным технологиям позволяет существенно снизить стоимость тонны несущей способности сваи.
- 13
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Список литературы
1. Патент РФ № 2250958. Устройство для изготовления набивной сваи / Н.С. Соколов, В.Ю. Таврин, В.А. Абрамуш-кин. 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. 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.
5. 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.
6. 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 г. Чебоксары. С. 411-415.
7. 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 г. Чебоксары. С. 415-420.
8. 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.
9. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Об эффективности устройства буроинъекционных свай с многоместными ушире-ниями с использованием электроразрядной технологии // Геотехника. 2016. № 2. С. 28-32.
10. 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.
11. Соколов Н.С., Рябинов В.М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уши-рениями // Геотехника. 2016. № 3. С. 4-8.
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 izgotovleniya nabivnoi svai [Method of production of a stuffed pile]. N.S. Sokolov, V.Yu. Tavrin, V.A. Abramushkin. Zayavl. 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]. N.S. Sokolov, Yu.P. Pichugin. Declared 4.02.2005. Published 27.08. 2006. Bulletin No. 24. (In Russian).
4. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. About one method of calculation of the bearing capability the buroinjektsi-onnykh svay-ERT. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2015. No. 1, pp. 10-13. (In Russian).
5. Sokolov N.S. Metod of calculation of the bearing capability the buroinjektsionnykh svay-RIT taking into account «thrust bearings». Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstruction» conference (NASKR-2014). 2014. Cheboksary, pp. 407-411. (In Russian).
6. Sokolov N.S., Viktorov S.S., Fedorov T.G. Piles of the raised bearing capability. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstruction» conference (NASKR-2014).2014. Cheboksary, pp. 411-415. (In Russian).
7. Sokolov N.S., Petrov M.V., Ivanov V.A. Calculation problems the buroinjektsionnykh of the piles made with use of digit and pulse technology. Materials of the 8th All-Russian (the 2nd International) the «New in Architecture, Designing of Construction Designs and Reconstruction» conference (NASKR-2014).2014. Cheboksary, pp. 415-420. (In Russian).
8. Sokolov N.S., Sokolov S.N., Sokolov A.N. Experience of recovery of a dangerous structure of the Vvedensky cathedral to Cheboksary. Geotechnica. 2016. No. 1, pp. 60-65. (In Russian).
9. Sokolov N.S., Ryabinov V. M. About efficiency of the device the buroinjektsionnykh of piles with multi-seater broadenings with use of electro-digit technology. Geotechnica. 2016. No. 2, pp. 28-32. (In Russian).
10. Russian Federation patent for plezny model No. 161650. Ustroistvo dlya kamufletnogo ushireniya nabivnoi konstruktsii v grunte [The device for camouflage broadening of a stuffed design in soil]. N.S. Sokolov, H.A. Dzhantimirov, M.V. Kuzmin, S.N. Sokolov, A.N. Sokolov. Declared 16.03.2015. Published 27.04.2016. Bulletin No. 2. (In Russian).
11. Sokolov N.S., Ryabinov V.M. Features of the device and calculation the buroinjektsionnykh of piles with many-placed broadenings. Geotechnica. 2016. No. 3, pp. 4-8. (In Russian).
подписка HR ЗЁЕКТРОННУЮ ВЕРСИЮ журнала
14
http://http://rifsm.ru/page/5/
92016
