Уплотнение грунтов основания щебеночными сваями Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Подземное строительство

УДК 624.1

В.Я. ШИШКИН, почетный строитель РФ, канд. техн. наук (7922044@mail.ru), ООО «Мосэксперт» (Москва); А.А. АНИКЬЕВ, инженер (mizeri@bk.ru), НИИОСПим. Герсеванова, Москва

Уплотнение грунтов основания щебеночными сваями

Приведены исследования уплотнения грунтов под подошвой существующих и вновь строящихся фундаментов в условиях насыпных, песчаных и глинистых грунтов. С помощью расчетной модели оптимизированы технологические параметры при устройстве набивных щебеночно-цементных свай в основании фундаментов с помощью пневмопробойников. Представлены результаты, полученные в ходе проведения натурного эксперимента.

Ключевые слова: уплотнение грунтов, щебеночно-цементные сваи, усиление фундаментов.

Одним из наиболее экономичных способов улучшения физико-механических характеристик грунтов в стесненных условиях подвалов реконструируемых зданий является применение метода втрамбовывания щебня под существующие фундаменты, с последующей цементацией. Способ основан на применении малогабаритных и недорогих российских механизмов - пневмопробойников, разработанных Новосибирским отделением РАН. Авторы имеют патент на эту технологию [1].

За последние 20 лет фирмой ООО «НПФ Фундамент-стройпроект» выполнено около 100 объектов усиления оснований фундаментов реконструируемых и вновь строящихся зданий с применением щебеночных свай. На основе анализа этого опыта и внедрения современных насосов и материалов возможно дальнейшее совершенствование технологии и методики расчета щебеночных свай для нового строительства и реконструированных зданий.

Рис. 1. Схема изготовления щебеночной сваи: 1 — скважина; 2 — пневмопробой-ник; 3 — фундамент существующего здания; 4 — отметка низа фундамента; 5 — зона щебеночного уширения; 6 — труба-инъектор; а — проходка скважины с помощью пневмопробойника и дальнейшая засыпка ее щебнем или гравием; б — засыпанная порция материала втрамбовывается в стенки скважины пневмопро-бойником с формированием участка щебеночной сваи диаметром D; в — засыпка внутренней полости сваи диаметром й щебнем или гравием; г — погружение трубы-инъектора для подачи цементного раствора в тело сваи

Область применения способа уплотнения грунтов щебеночными сваями определяется инженерно-геологическими условиями участков строительства, влиянием динамических воздействий на близко расположенные существующие здания и сооружения, а также конструктивными особенностями зданий и сооружений. Щебеночные сваи изготавливаются в грунтах, устойчиво держащих стенки скважин. Фундаментная конструкция с использованием щебеночных свай создается путем армирования грунтов основания наклонными или вертикальными грунто-щебеночными столбами.

Технология изготовления (рис. 1) предусматривает устройство лидерных скважин диаметром 130 мм путем пробивки грунта пневмопробойником ИП-4603 с реверсивным извлечением его из скважины.

Пневмопробойник представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину ударного действия для пробивания скважин в грунте, корпус которого является рабочим инструментом, образующим скважину, а ударник, размещенный в корпусе, совершает под действием сжатого воздуха возвратно-поступательные движения и наносит удары по переднему торцу корпуса, забивая его в грунт. Обратному перемещению корпуса препятствуют силы трения между его наружной поверхностью и грунтом.

Благодаря осевой симметрии, пневмо-пробойник во время движения в однородном грунте сохраняет заданное направление. После извлечения пневмопробойника скважина вручную засыпается гранитным щебнем на всю высоту, а пневмопробойник так же, как при устройстве лидерных скважин, по направляющей погружается и втрамбовывает щебень в грунт основания фундаментов.

Трамбование щебня пневмопробойником лучше выполнять не на всю глубину скважины, а на половину ее длины. При погружении на меньшую глубину недостаточно увеличивается диаметр сваи и уплотнение грунта основания. При погружении пневмопробойника на большую глубину, чем половина скважины ее диаметр увеличивается настолько, что начи-

-w-

1 [ 1

lili

[ [ 1 [ 1 [

■ 1

а

6

в

г

Подземное строительство

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

4 у >

* ■

♦

4

0 0 5 1 ,5 2,5

Глубина уплотнения щебня в скважине при повторной проходке пневмопробойником,м

Рис. 2. Зависимость прочности ствола щебеночной сваи от глубины S уплотнения щебня при повторной проходке пневмопро-бойником

R1/R 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

Рис. 3. Зависимость относительного радиуса щебеночной сваи от относительной длины сваи (L—S)/L при повторной проходке пневмопробойником ИП4603Б (универмаг «Детский Мир»)

нает снижаться сопротивление ствола сваи. Установленная опытным путем на многочисленных объектах закономерность влияние глубины уплотнения на сопротивление щебеночных свай совпадает с графиком на рис. 2, построенным на основе расчетной модели.

После окончания формирования всей сваи внутренняя ее полость заполняется щебнем. Далее погружается труба-инъектор и через нее подается цементный раствор под давлением 0,15-0,2 МПа до условного отказа (потеря давления 0,05 МПа за 10 мин.). Для приготовления раствора используются мешалки РМ-350, РМ-700 и др., а для закачки раствора в инъектор применяется насос С050А с давлением до 1,5 МПа.

Длина щебеночных свай достигает 10 м, а наружный диаметр зависит от длины скважин, глубины погружения пневмопробойника при повторной проходке при трамбовании щебня и количества трамбовок.

Щебеночные сваи выполнены из смеси щебня, грунта, цемента и воды. Свойства щебеночных свай зависят от состава компонентов, крупности заполняемого щебня, вида грунта, марки цемента, содержания воды в смеси, степени уплотнения, условий хранения материалов и технологии проходки скважин и трамбования щебня.

В 1993-1996 гг. такая технология увеличения несущей способности грунтов успешно применена на Моспочтамте (Москва, ул. Мясницкая, д. 26) для уплотнения грунта основания щебеночными сваями [2].

При обследовании здания Московского Почтамта, по-стороенного в 1912 г., установлено, что расположенные на насыпных грунтах ленточные и столбчатые бутовые фундаменты нуждаются в усилении в связи с развитием неравномерных деформаций. Материалы инженерно-геологических изысканий Мосгоргеотреста показали, что причиной деформаций является суффозия, ухудшение свойств грунтов вследствие их замачивания техногенными водами. Разви-

тию этого процесса способствовало также неблагоприятное влияние вибрации от расположенного под зданием тоннеля метрополитена и от интенсивного движения автотранспорта по Мясницкой улице. В целом здание находилось в неудовлетворительном техническом состоянии в соответствии с требованиями СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений».

Щебеночные сваи рассматривались как армируюшие элементы в основании столбчатых фундаментов здания. Среднее давление под подошвой не должно было превышать расчетного сопротивления армированного основания, определяемого в соответствии с требованиями раздела 13 «Справочника проектировщика» (Горбунов-Посадов М.И., Ильичев В.А., Кругов В.И. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1985. 480 с.).

Для достижения требуемой несущей способности усиленного основания выполнена оптимизация технологии уплотнения грунта. Искомыми параметрами являются количество трамбовок и глубина проходки трамбующего механизма - пневмопробойника. Количество трамбовок рассчитывается, согласно установленному в патенте [1] требуемому количеству инертных материалов (см. таблицу).

Коэффициент пористости после уплотнения определяется по формуле:

е = р — рd )/рd

упл * утг'* уп

(1)

где рs -плотность твердых частиц; рdyш - плотность сухого грунта после уплотнения:

рdwя = рs ( (1/1+ е) + V,щ

т),

(2)

где VЩДкт - объем щебня на погонный метр в активной зоне.

Активной зоной является объем грунта, ограниченный размерами фундамента в плане и глубиной расположения слабых слоев грунта под подошвой фундамента. По опы-

Плотность сухого грунта после усиления оснований, т/м3 Удельный расход (м3) инертных материалов на 1 м3 объема сжимаемой толщи основания при значениях коэффициента пористости грунта до уплотнения

0,8 0,9 1 1,1 1,2

1,5 0,02 0,05 0,08 0,1 0,12

1,6 0,06 0,09 0,12 0,14 0,16

1,7 0,10 0,13 0,15 0,18 0,2

1,8 0,14 0,17 0,19 0,22 0,24

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

Рис. 4. Здание универмага «Детский мир» в Москве

ту закрепления оснований фундаментов глубина уплотнения принимается равной от 1 до 3-х размеров ширины фундамента.

Так как механические характеристики увеличиваются при многократном уплотнении грунта в скважинах, требуется определить оптимальную глубину проходки для достижения максимальной прочности ствола сваи.

Прочность ствола сваи из уплотненного щебня зависит от прочности щебня, плотности его упаковки (уплотнения) и деформируемости стенок скважин.

Последнее определяется сопротивлением набивной щебеночной сваи по боковой поверхности, которое зависит от поперечных деформаций. По аналогии с напряженно-деформируемым состоянием вокруг прессиометра, с помощью точного решения К.В. Руппенейта и М.И. Бронштейна [3] можно определить зависимость радиальных перемещений и боковой поверхности цилиндрической скважины с радиусом R от давления q на глубине г:

и-

1 + ц

* 4 1-Ц tg ф /

Г q + С/\% ф 1(1+8Шф)/8Шф

'1(1+8Ц1ф)(ц7^/(1-й)+сЛВ(р) \ ' (3)

где Е, Ц, ф, с, у - соответственно модуль деформации, коэффициент Пуассона, угол внутреннего трения, удельное сцепление и объемный вес грунта между сваями.

При определении усадки уплотнения щебня в скважине можно пренебречь деформациями в острие скважины. Считаем, что несущая способность щебеночной сваи длиной Ь определяется в основном сопротивлением по боковой поверхности Б=2п^+и)Ь и нормальные напряжения по боковой поверхности подчиняются линейной зависимости от глубины q=q(^. Выполнив численное интегрирование по координате г предельных касательных напряжений на контакте t=c+qtg((p), получили формулу для определения предельной нагрузки N N=п(R+u/2)L(2c+qgLtg(P)), где параметр q0 определен из уравнения равенства объема щебня до и после проходки пневмопробойником при трамбовании щебня в скважине: 3,14 • R•R• I = 3,14 • R)• (Ь-Б)/3, где R1= R+u.

Полученная величина предельной нагрузки использована для определения прочности ствола сваи: Rcд=N/(nR1 • R1).

Вставляя значение параметра Rcд в формулу для определения расчетного сопротивления Ra армированного

Я1/Я 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 5. Зависимость относительного радиуса щебеночной сваи от относительной глубины уплотнения при повторной проходке пневмопробойником ИП4603Б (Московский почтамт)

основания, определили расчетное сопротивление основания уплотненного щебеночными сваями.

По этой методике выполнены расчеты применительно к фундаментам здания Московского Почтамта для проектирования усиления их оснований набивными сваями. При разработке технологии устройства щебеночных свай определены оптимальное количество свай п под фундаментом и глубина проходки 5 при уплотнении щебня в скважине [3].

На рис. 2 показано, что прочность ствола меньше при проходке примерно более половины длины скважины, чем прочность ствола при проходке одной трети.

Для обобщения введем относительные величины. Относительный радиус R1/R - отношение радиуса щебеночной сваи после уплотнения к радиусу уплотняющего органа пневмопробойника. Относительная глубина уплотнения 5/Ь - отношение глубины пневмопробойника при повторной проходке к первоначальной длине скважины, заполненной щебнем.

Относительная длина сваи (Ь-Б)/Ь равна отношению оставшейся длины скважины со щебнем к первоначальной длине. Характерно, что зависимость относительных значений длины сваи от ее радиуса не зависят от первоначальной длины и физико-механических характеристик грунта. На рис. 3 представлен график зависимости относительного радиуса от длины свай в основании фундаментной плиты реконструируемого универмага «Детский Мир» на Лубянской площади (рис. 4) и на других объектах.

Таким образом, технологические относительные параметры при уплотнении щебня в скважинах не зависят от физико-механических характеристик грунта. Поэтому графики на рис. 3 и 5 позволяют прогнозировать радиус сваи при повторной проходке. Например, требуется выполнить сваю длиной 4 м диаметром 300 мм (объект «Детский Мир», Москва, Театральный пр-д, д. 5, стр. 1.). Относительный радиус равен 300/130=2,3. В соответствии с графиком на рис. 5 при R1/R=2,3 относительная глубина проходки 5/Ь=0,675, откуда длина второй проходки 5=2,7 м. Определим радиус щебеночной сваи при третьей проходке скважины при уплотнении верхней части длиной 2,7 м. При отношении 5/Ь=0,5 R1/R=1,8, то есть диаметр скважины будет около 250мм при проходке 5=1,35 м.

Из рис. 5 следует, что для достижения диаметра щебеночной сваи равной трем диаметрам пневмопробойни-ка (130 ммХ3 = 390 мм) необходимо при повторной проходке пневмопробойником пробивать скважины на 0,8 от глу-

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

2,2

2,9

3,4

6,4

1,7

3,3

2,3

2,6

2,3

7,9

6,7

0,4

2,7

3,1

3,2

Рис. 6. Схема расположенных осадочных марок на колоннах Центрального зала Моспочтамта, после капитального ремонта. Данные за двенадцатый цикл измерений осадок, мм

бины скважины, а для диаметра щебеночной сваи равной двум диаметрам пневмопробойника (260 мм) - 0,6 от глубины скважины.

В соответствии с рис. 2 значение оптимальной проходки составляет 1-1,5 м (примерно половина глубины скважины). Требуемое по расчету количество скважин на каждый усиливаемый фундамент (и) не менее 10. При этом достигаемое значение Ra, в достаточной степени превышает среднее давление под подошвой фундамента, равное 250 кПа. В проекте усиления основания принято и=12, что повысило расчетный модуль деформации до 21 МПа, при котором дополнительная осадка фундамента не превышает 2 см. Так как допустимые дополнительные деформации зданий в неудовлетворительном состоянии с металлическим каркасом не были разработаны в 1993 г., то по согласованию с Заказчиком принято, что допустимые дополнительные осадки для рассматриваемого здания больше расчетного значения 20 мм.

Следует отметить, что в актуализированной редакции СП 13-102-2003] в приложении Ж отсутствуют допустимые дополнительные деформации для зданий с металлическим каркасом.

На рис. 6 представлены результаты мониторинга осадки здания Моспочтамта на протяжении 1993-1999 гг. Анализ этих результатов показывает, что максимальная многолетняя осадка фундамента равна 7,9 мм, что меньше расчетного значения 20 мм и принятого Заказчиком допустимого значения.

В 1995 г. технология уплотнения грунта основания щебеночными сваями применена при строительстве административного здания с подвалом на рыхлых песчаных и насыпных грунтах по адресу ул. Лукьянова д. 3 в (Централь-

Рис. 7. Административное здание с подвалом (Москва, ул. Лукьянова, д. 3)

ный округ, Москва). Пятиэтажное здание (рис. 7) было возведено над коллектором на ленточных фундаментах с уплотнением их основания пневмопробойниками.

Инженерная подготовка основания выполнялась путем втрамбовывания в насыпной грунт щебня на глубину 2 м от поверхности котлована, что привело к повышению плотности насыпного грунта и улучшению его механических характеристик. Контроль качества работ проводили А.А. Морозов, Э.А. Мотовилов под руководством д-ра техн. наук В.И. Шейнина путем глубинного радиоизотопного зондирования грунтов до и после уплотнения.

Эксперименты по контролю качества грунтов проводились следующим образом. В грунт между щебеночными сваями погружалась пустотелая, заглушенная с нижнего торца металлическая труба на глубину 2 м. Труба служит обсадкой образующейся при этом скважины. Наружный диаметр трубы - 48 мм, а толщина стенки 4 мм. Затем в трубу опускали радиоизотопные приборы (ППГР-1 и ВПГР-1). Предварительно в лаборатории НИИОСП им. Н.М. Герсева-нова выполняли тарировку труб указанными приборами. В процессе измерений регистрировалась скорость счета (импульсов/сек) по плотности грунта и соответствующая величина по влажности, а также регистрировался естественный гамма-фон.

Кроме того, отбирались пробы песка и суглинков из обнажений в пределах обследуемой зоны. По этим данным определялись тип грунта и значения показателя гранулометрического состава (для песка) и влажности на границе раскатывания Wp и числа пластичности Ip - для глин.

Средние значения коэффициента пористости грунта до уплотнения превышали значение 0,75, т. е. согласно ГОСТ 25100-82 «Грунты. Классификация» эти грунты - рыхлые. После уплотнения в тех же скважинах коэффициент пористости находился в пределах 0,6-0,7, т. е. пески относятся к категории «средней плотности». Определенные по методике д-ра техн. наук В.И. Шейнина механические характеристики уплотненного грунта позволили сравнить расчетное сопротивление с давлением по подошве. При недостаточном сопротивлении грунт уплотняли дополнительно путем повторной проходки пневмопробойником скважин с засыпкой щебня порциями.

В 1997 г. выпущены Рекомендации (Рекомендации по расчету, проектированию и устройству свайных фундаментов нового типа в г. Москве. Москомархитектура. Москва, 1997 г.), которые обобщили имеющийся на то время опыт применения уплотнения грунта основания реконструируемых зданий.

С появлением нового оборудования для инъектирова-ния грунта основания дальнейшее развитие получила технология устройства щебеночных свай. Благодаря цементации щебеночных свай стало возможным укрепление грунтов с гораздо худшими прочностными характеристиками и до более значительных параметров уплотнения.

Щебеночные сваи использованы в 2008-2009 гг. при усилении основания реконструируемого здания по адресу: г. Москва, Переведеновский пер., д.13/13. Здание с подвалом высотой 5 этажей построено примерно 40 лет назад. Конструктивной схемой здания является сборный железобетонный каркас с поперечным расположением ригелей. Каркас выполнен из унифицированных сборных железобетонных элементов. Перекрытия здания - сборные железобетонные ребристые плиты. В качестве ограждающих кон-

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Подземное строительство

струкций служат навесные пеносиликатные панели и кирпичные самонесущие ограждающие стены. Фундаменты под стенами ленточные, а под отдельно стоящими опорами - столбчатые из монолитного бетона и сборных бетонных блоков находятся в рабочем состоянии.

Основанием существующих фундаментов по открытым шурфам служат древнеаллювиальные пылеватые и мелкие влажные пески средней плотности. Расчетное сопротивление на указанные грунты ^=164-190 кПа. В результате реконструкции здания давление по подошве возрастало до 300 кПа. Поэтому принято решение об усилении оснований фундаментов. В соответствии с требуемыми значениями сопротивления грунта определены требуемые значения коэффициента пористости грунта.

В соответствии с запатентованной методикой расчета по формулам 1, 2 и табл. 1 [1] были рассчитаны параметры щебеночных свай и выполнено укрепление грунта основания. Контроль качества уплотнения производился лабораторией НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.

Средняя плотность грунта выше подошвы фундамента возросла с 1,5 т/м3 до 1,7 т/м3, а коэффициент пористости изменился с 0,85 до 0,75. Такое уплотнение грунта выше подошвы фундамента является следствием, по-видимому, динамических воздействий на рыхлый насыпной грунт при выполнении работ по усилению основания. Увеличение плотности грунта выше подошвы фундамента снижает риск нарушения предельных условий «по грунту» для фундаментов.

Для оценки эффективности работ по усилению основания наиболее важно сравнение характеристик грунта под подошвой фундамента до и после указанных работ. Плотность грунта возрастает с 1,65 до 1,79 т/м3, а коэффициент пористости падает с указанной выше величины 0,73 до значения 0,62, т. е. практически до того значения, которое указано в проектной документации.

Полученные значения плотности и коэффициента пористости грунта под подошвой фундамента после уплотнения оказываются таковы, что эти грунты приобрели свойства, позволяющие их относить к категориям средней плотности и плотных. Это подтверждает эффективность выполненных работ по усилению основания.

Список литературы

1. Патент 2026926 РФ. Способ усиления оснований симметрично нагруженных фундаментов // В.Я. Шишкин, П.В. Шишкин. Опубл. 20.01.1995. Бюл. № 1.

2. Ильичев В.А., Ставницер Л.Р., Шишкин В.Я. Снижение вибрации фундаментов после усиления основания набивными песчано-щебеночными сваями // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1995. № 3. С. 21-23.

3. Руппенейт К.В., Бронштейн М.И. Определение дефор-мативных и прочностных свойств грунта на основе дилатометрических испытаний // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1971. № 5. С. 10-12.

Общество с ограниченной ответственностью НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА

ФУНДАМЕНТСТРОИПРОЕКТ

КОМПЛЕКСНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО И РЕКОНСТРУКЦИЯ Фирма и руководители - члены российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, эксперты «МОСЭКСПЕРТ». Фирма имеет лицензию на осуществление деятельности по реставрации объектов культурного наследия (памятников истории и культуры). Москва, Бутырский вал, дом 5. www.fsp-um.ru тел/факс: 8-499-750-8956, 8-495-411-9091, E-mail: 7922044@mail.ru

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ

1 проектирование шахт, тоннелей, мостов, конструкций зданий;

1 инженерные, геодезические и геологические изыскания, обследование оснований, фундаментов и надземных конструкций зданий, испытания свай динамическими и статическими нагрузками;

1 геотехнический мониторинг за сохранностью окружающей застройки, измерение деформаций и напряжений в грунтах и несущих конструкциях и интерактивное проектирование по результатам этих измерений;

1 весь комплекс производства работ нулевого цикла, в том числе устройство нулевых циклов методом «сверху-вниз», возведение фундаментных плит, фундаментов, монолитных стен и перекрытий;

1 все виды свайных фундаментов из забивных, буронабивных и буроинъекционных свай;

1 уплотнение основания щебеночными сваями с применением пневмопробойников;

1 укрепление основания цементацией «микродур», силикатизацией и смолизацией;

1 устройство щелевых фундаментов, ограждения подземных частей сооружений и грунтовых массивов по струйной технологии «jet grounting»; Реклам