CC BY-NC
63Устройство буронабивных свай в условиях криолитозоны центральной Якутии.
Ефимов Василий Моисеевич
заместитель директора, Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г.
Якутск
677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, каб. 101
И bmr2008@list.ru
Рожин Игорь Иванович
доктор технических наук в.н.с., Институт проблем нефти и газа СО РАН 677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
И i_rozhin@mail.ru Попенко Федор Елисеевич
кандидат геолого-минералогических наук директор, Научно-внедренческий центр "Геотехнология" 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Вилюйский Тракт 5, 1/1
И geotechnologia@mail.ru Попенко Федор Елисеевич
кандидат геолого-минералогических наук директор, Научно-внедренческий центр "Геотехнология" 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Вилюйский Тракт 5, 1/1
И geotechnologia@mail.ru Степанов Анатолий Викторович
доктор технических наук г.н.с., Институт физико-технических проблем Севера СО РАН 677677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
ЕЗ a.v.stepanov@iptpn.ysn.ru Степанов Анатолий Анатольевич
кандидат технических наук н.с., Институт Физико-технических проблем Севера СО РАН 677980, Россия, республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Октябрьская, 1
И stepanov-a.a@mail.ru
Васильчук Юрий Кириллович
доктор геолого-минералогических наук профессор, Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова (МГУ) 119991, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф 2009
И vasilch_geo@mail.ru
О
А
Т
Арктика и Антарктика, 2018 - 1 Статья из рубрики "Грунты холодных регионов"
Аннотация.
В статье рассмотрены проблемы обустройства свайных фундаментов на территории Республики Саха (Якутия) буронабивным способом. Данная технология, не столь распространенная в республике, является более простой и удобной в отличие от железобетонных забивных свайных фундаментов. В процессе твердения бетона при обустройстве буронабивной сваи происходит локальное растепление мерзлого грунта . Поэтому при применении буронабивных свай в криолитозоне особенно остро встает вопрос определения расчетных температур и времени формирования стационарного режима грунтов в основании всего свайного поля, позволяющего осуществлять полную загрузку фундаментов. Проведены натурные наблюдения за температурным режимом грунтов вблизи буронабивной сваи в процессе ее обустройства и гидратации бетона. В ходе проведенного исследования получены данные о динамике температурного режима грунта вблизи буронабивной сваи в процессе ее обустройства. Полученные данные показывают, что устойчивые отрицательные температуры по всей глубине скважины наблюдаются через месяц после заливки, в течение этого периода происходит основной набор прочности сваи.
Ключевые слова: температурный режим, бетон, буронабивные сваи, мерзлота, строительство, фундамент, грунт, гидратация, оттаивание, измерения
DOI:
10.7256/2453-8922.2018.1.25936
Дата направления в редакцию:
04-04-2018
Дата рецензирования:
04-04-2018
Многоэтажное строительство в условиях вечной мерзлоты производится на свайном фундаменте При этом для устройства фундамента на территории Республики Саха (Якутия) традиционно используются железобетонные забивные сваи. Большие габариты (до 16 м), большой вес данных изделий, а также трудоемкая технология их установки значительно усложняют процесс и повышают стоимость работ нулевого цикла.
Более удобный и простой способ строительства фундамента - буронабивные сваи, пока не столь распространенные в нашей республике. Для устройства такой сваи бурится скважина необходимого диаметра и глубины, заполняется мелкозернистым бетоном и усиливается металлическим каркасом требуемого сечения.
Буронабивные сваи - бетонные сваи цилиндрической формы (с армированием и без), погружаемые в грунт различными способами. Выбор технологии устройства таких свай
зависит от геологических условий, экономической целесообразности применяемой технологии бурения. Сваи передают нагрузки от строительных конструкций на несущие слои грунта, залегающие на большой глубине. Расположенные в ряд или пересекающиеся сваи образуют подпорную стену котлована, откоса или служат для
удержания грунтовых вод
Буронабивные сваи изготавливаются из бетона с применением пластифицирующих и противоморозных добавок, обеспечивающих твердение бетона при температурах ниже +5 °С. Состав бетона устанавливается технологическим регламентом в зависимости от периода производства свайных работ.
При бурении скважины ее нижняя часть (пята) уширяется специальным приспособлением (уширителем). Установка буронабивных свай выполняется с помощью вертикально перемещающейся трубы. Бетонный раствор в приемную воронку трубы (бетонолитной) подается из автобетоносмесителя. Перед бетонированием в готовой скважине устанавливается армирование.
Существуют несколько способов обустройства буронабивных свай: сухой, с применением глинистого раствора и с применением обсадных труб. При сухом способе не проводится крепление стенок скважины. Используют его для устойчивых грунтов, в которых стенки скважины не осыпаются. В неустойчивых и влажных грунтах стенки скважины обрабатываются глинистым раствором. Обустройство буронабивных свай с применением обсадных труб возможно на грунтах любого типа.
Если сваи обустраиваются сухим способом, стенки скважины не укрепляются. После монтажа арматурного каркаса сразу проводится бетонирование.
Обработка стенок скважин глинистым раствором проводится следующим образом. В скважину по пустотелой буровой штанге подается глинистый раствор, после чего проводится бетонирование с использованием вибробункера и бетонолитной трубы, которая опускается в скважину. Вибрируемый бетонный раствор поступает в скважину вытесняя глинистый раствор.
С обсадными трубами устройство набивных свай можно проводить в любых геологических условиях. Обсадные трубы могут оставляться в скважине или извлекаться из нее. Их стыки соединяются специальными конструкциями или сваркой. В скважину обсадные трубы погружаются в процессе бурения методом забивки трубы или вибропогружением. Затем обустраивается металлический каркас и скважина бетонируется.
Способы устройства буронабивных свай по их видам [4]:
1. Сваи сплошного сечения, имеющие уширения или без них. Их бетонируют в скважинах, прорубленных выше уровня подземных вод в глинистых грунтах, не закрепляя стенки скважин, а также в скважинах, прорубленных ниже уровня подземных в од в любых грунта х.
2. Полые сваи с круглым сечением, монтируемые и устанавливаемые при помощи многосекционного вибросердечника.
3. Железобетонные сваи, укрепленные уплотненным забоем. Изготовление происходит посредством втрамбовывания щебня в забой скважины.
4. Сваи с увеличенной несущей способностью посредством камуфлетной пяты. Они
устраиваются с помощью бурения скважин с уширением, образованным вследствие взрыва, и заполнения скважины бетонной смесью.
5. Устройство свай-столбов осуществляется посредством бурения скважин без уширения, либо с уширением и последующего заполнения их цементно-песчаным раствором.
На рис. 1 показан процесс обустройства буронабивных свай на примере одного из строящихся жилых домов г. Якутска.
Технология устройства буронабивных свай в данных условиях состоит из следующих операций:
- бурение скважины;
- зачистка забоя скважины;
- установка обсадной трубы в пределах водонасыщенного грунта основания;
- устройство щебеночной подушки толщиной 700 мм;
- установка арматурного каркаса;
- бетонирование скважины;
- электропрогрев бетона.
Рис. 1. Установка арматуры и буронабивной сваи. г. Якутск
В настоящее время буронабивные сваи устраивают с применением комплексно-механизированных средств. Для бурения скважин применяют установки СО-2, СО-1200, СБУ-2, БУК-600 и др., оснащенные шнеком или буровым ковшом. Тип рабочего органа выбирают с учетом диаметра скважины, ее глубины и вида грунтов.
По данным некоторых натурных наблюдений вокруг буронабивных свай при температуре грунта -1.2 °С - -2 °С радиус оттаивания достигает 0.8-1 м, вокруг буроопускных в 2-3 раза меньше Соответственно увеличивается срок смерзания буронабивной сваи с
вечномерзлым грунтом основания. При более низких температурах грунтов вечномерзлой толщи радиус оттаивания и время восстановления температурного режима должны быть значительно меньшими.
Ключевым вопросом на стадии проектирования свайных фундаментов любого типа, как известно, является определение расчетных температур и времени формирования устойчивого (стационарного) режима грунтов в основании всего свайного поля, позволяющего осуществлять полную загрузку фундаментов.
Особо остро этот вопрос стоит при применении буронабивных свай, вокруг которых в процессе твердения (гидратации) бетона происходит оттаивание мерзлых грунтов в радиальном направлении. При кустовом способе установки свай оттаивание грунтов происходит по всему объему грунтового основания, образуя сплошной талый массив. Такие массивы формируются при установке буронабивных свай в высокотемпературных грунтах ^ = 0-1,5°С).
Температура гидратации портландцемента по данным опытных работ, выполненных в жилом комплексе «Прометей» в г.Якутске, варьируется в пределах 17,3°С-22,5 °С, при среднем значении +20,6 °С. Данная температура рассматривается как исходная при выполнении теплотехнических расчетов по оценке теплового влияния буронабивной сваи на температурный режим вмещающих грунтов. Характер распределения температуры начала гидратации (т = 0) по длине буронабивной сваи приведен в табл. 1.
Таблица 1
Распределение температуры начала гидратации по длине буронабивной сваи
Н,м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Т, °С + 22,5 + 22,4 + 22,1 + 21,7 + 21,4 + 20,1 + 21,0 + 20,3 + 20,2 + 20,8 + 19,7 + 1
Для определения температуры тела сваи в процессе и после набора прочности (через 28 суток с учетом действия противоморозных добавок) выполнены регулярные замеры температуры вдоль продольной оси сваи за период 1 год и три месяца (с 01.03.2016 по 9.06.2017). Поскольку свая устанавливалась в зимний период, равномерный характер распределения температур твердения бетона по глубине выдерживается только в течение первых 10 часов после заливки бетона в скважину. В дальнейшем влияние естественного охлаждения сверху на температуру сваи проявляется до глубины 5 м. Ниже отмечается равномерное, или близкое к равномерному распределение температуры практически до торца сваи. В целом в зимний период на сваю действуют три фронта охлаждения: верхний от дневной поверхности, нижний со стороны мерзлых подстилающих грунтов и боковой от окружающего сваю мерзлого грунтового массива.
Скважина диаметром 650 мм после её выстойки в открытом состоянии оборудована термотрубкой для длительных замеров температуры твердеющего бетона и заполнена бетоном марки 400. Периодичность выполнения и результаты замеров приведены в табл. 2 - 6. Температура наружного воздуха во время заливки бетона в скважину составила минус 21,7° С. В начале эксперимента температура воздуха в открытой скважине (табл. 2) варьировалась в пределах минус 8,4°С (первый метр) до минус 1,90 (нижняя часть скважины).
Таблица 2
Изменение температуры в скважине при заливке раствором буронабивной сваи
Изменение температуры в скважине до и после заливки раствором буронабивн
Глубина, м. -1,5 часа. 01.03.16 0 (заливка) 01.03.16 1 час 01.03.16 2 часа 01.03.16 3 часа 01.03.16 4 часа 01.03.16 5 часов 01.03.16 6 часо 01.03.1
16:00 17:30 18:30 19:30 20:30 21:30 22:40 23:40
1 -8,4 22,5 21,0 20,3 18,4 16,4 14,7 13,2
2 -6,4 22,4 22,5 20,4 18,4 16,5 14,8 13,4
3 -5,8 22,1 21,8 20,1 18,2 16,5 15,1 13,8
4 -5,6 21,7 21,4 19,7 17,9 16,2 14,8 13,5
5 -5,6 21,4 21,4 19,8 18,1 16,4 14,9 13,6
6 -5,4 20,1 21,3 19,8 18,0 16,4 14,9 13,6
7 -5,1 21,0 21,2 20,0 18,3 16,6 15,1 13,8
8 -5,0 20,3 21,2 20,1 18,5 16,9 15,4 14,1
9 -4,7 20,2 21,2 20,3 18,8 17,2 15,6 14,3
10 -4,8 20,8 21,1 20,4 19,0 17,4 15,8 14,4
11 -5,3 19,7 20,6 20,0 18,6 17,0 15,6 14,3
12 -5,3 18,3 19,5 18,9 17,5 16,0 14,7 13,3
13 -1,9 17,3 17,8 17,0 15,7 14,3 13,0 11,9
Таблица 3 Изменение температуры в скважине после заливки в период с 9 часов до 3 суток
Изменение температуры в скважине в период с 9 часов после заливки до 3 су
Глубина м. 9 часов 02.03.16 11 часов 02.03.16 13 часов 02.03.16 17 часов 02.03.16 1 с ут. 02.03.16 2 сут. 03.03.16 3 сут 03.03.16 3 с ут. 03.04.16
02:40 04:40 06:40 10:45 17:45 9:00 17:00 21:00
1 9,7 8,1 6,8 5,1 3,5 1,9 1,1 0,7
2 10,4 9,0 8,1 7,0 6,2 5,9 5,4 5,0
3 11,1 10,0 9,3 8,5 8,3 8,7 8,1 7,5
4 11,0 9,9 9,2 8,4 8,4 9,0 8,3 7,7
5 10,9 9,8 9,0 8,2 7,9 8,3 7,7 7,1
6 10,9 9,9 9,1 8,3 8,2 8,7 7,9 7,3
7 11,1 10,0 9,3 8,4 8,2 8,6 7,8 7,2
8 11,2 10,0 9,3 8,4 8,1 8,3 7,5 7,0
9 11,4 10,2 9,3 8,4 8,1 8,4 7,6 7,0
10 11,4 10,2 9,3 8,4 8,0 8,3 7,5 6,9
11 11,3 10,1 9,2 8,4 8,0 8,3 7,5 6,9
12 10,6 9,4 8,6 7,9 7,7 8,0 7,5 6,9
13 9,3 8,3 7,6 7,0 6,9 7,4 7,0 6,5
Изменение температуры в скважине после заливки в период с 3 до 5 суток
Таблица 4
Глубина
Изменение температуры в скважине в период с 3 до 5 суток после заливки
3 сут 3 сут 3 сут 4 сут 4 сут 4 сут
4 с ут 5 с ут
м. . _ 7 . . . _ 7 . . . _ 7 . . . _ 7 . " "" /
04.03.16 04.03.16 04.03.16 04.03.16 04.03.16 05.03.16 05.03.16 05.03.16
05:00 08:00 12:00 17:00 20:00 2:00 08:00 17:00
1 -0,2 -0,5 -0,9 -1,4 -1,7 -2,3 -3,0 -4,2
2 4,0 3,6 3,1 2,6 2,3 1,8 1,3 0,8
3 6,2 5,7 5,0 4,3 4,0 3,3 2,7 2,1
4 6,3 5,8 5,1 4,4 4,0 3,3 2,8 2,1
5 5,8 5,3 4,7 4,0 3,6 2,9 2,4 1,9
6 5,8 5,3 4,7 4,0 3,7 3,2 2,6 2,1
7 5,8 5,3 4,7 4,0 3,7 3,1 2,6 2,1
8 5,6 5,2 4,6 3,9 3,6 3,1 2,6 2,1
9 5,7 5,1 4,6 3,9 3,6 3,0 2,6 2,1
10 5,6 5,1 4,5 3,9 3,6 3,0 2,6 2,1
11 5,6 5,1 4,6 3,9 3,5 3,0 2,5 2,1
12 5,6 5,2 4,6 3,9 3,6 3,0 2,6 2,1
13 5,4 5,0 4,4 3,9 3,5 3,0 2,5 2,1
Таблица 5
Изменение температуры в скважине после заливки в период с 7 до 29 суток
Изменение температуры в скважине в период с 7 суток до 29 суток после зали
Глубина 7 сут. 9 с ут. 14 сут. 17 с ут. 20 сут. 23 с ут. 25 сут. 27 сут.
м. 07.03.16 10.03.16 14.03.16 18.03.16 21.03.16 24.03.16 26.03.16 28.03.16
18:30 11:30 17:00 10:30 23:00 11:00 23:00 11:00
1 -8,3 -9,7 -10,1 -10,7 -10,6 -10,3 -8,9 -8,3
2 -0,8 -2,7 -4,5 -5,2 -5,0 -5,4 -5,5 -5,5
3 0,8 0,3 0,0 -0,5 -0,7 -1,0 -1,2 -1,4
4 0,8 0,4 0,1 -0,1 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4
5 0,7 0,3 0,2 0,1 -0,2 -0,2 -0,3 -0,3
6 1,1 0,6 0,2 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,4
7 1,1 0,6 0,2 0,1 0,0 -0,1 -0,2 -0,2
8 1,2 0,7 0,4 0,2 0,1 0,0 -0,1 -,02
9 1,1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0,1 0,1
10 1,1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0,0 0,0
11 1,1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0,0 -0,1
12 1,1 0,8 0,6 0,4 0,3 0,1 0,0 -0,1
13 1,1 0,7 0,5 0,4 0,2 0,1 0,0 -0,1
Таблица 6
Изменение температуры в скважине после заливки в период с 31 суток до 1 года 3 месяцкев
Изменение температуры в скважине в период с 31 сутки до 1 года 3 месяцев
заливки, °С
Глубина 31 сут. 33 сут. 35 сут. 38 сут. 46 сут. 57 с ут. 83 сут. 118 сут.
м. 01.04.16 03.04.16 05.04.16 08.04.16 16.04.16 27.04.16 23.05.16 28.06.16
11:00 11:00 23:00 23:00 139 11:00 11:00 23:30 12:00
1 -6,9 -7,1 -6,9 -6,4 -5,7 -3,1 -1,1 0,7
2 -5,2 -5,1 -4,9 -4,8 -4,4 -3,5 -2,1 -1,6
3 -1,7 -1,8 -1,9 -2,1 -2,2 -2,3 -2,1 -1,9
4 -0,5 -0,6 -0,6 -0,7 -0,8 -1,1 -1,5 -1,8
5 -0,5 -0,5 -0,5 -0,6 -0,7 -0,8 -1,0 -1,4
6 -0,4 -0,5 -0,5 -0,6 -0,7 -0,9 -1,1 -1,4
7 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,7 -0,9 -1,2 -1,4
8 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,7 -0,9 -1,2 -1,4
9 -0,1 -0,1 -0,2 -0,4 -0,7 -0,9 -1,3 -1,4
10 -0,2 -0,2 -0,3 -0,5 -0,7 -1,0 -1,4 -1,6
11 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,8 -1,1 -1,4 -1,6
12 -0,2 -0,4 -0,5 -0,7 -0,9 -1,3 -1,5 -1,7
13 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4 -1,6 -1,7
Как известно, процесс затвердевания бетона при устройстве буронабивных свай сопровождается реакциями гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия между
твердой и жидкой фазами бетонной смеси В процессе саморазогрева бетона (экзотермии) происходит повышение его температуры до значений 30-40 °С, что обуславливает интенсивное оттаивание грунта вокруг буронабивных свай в радиальном направлении на величину, зависимую от температуры грунта. Максимальное повышение температур наблюдается в первые сутки твердения в центре буронабивной сваи. Между центральной частью сваи и ее наружной поверхностью устанавливается резкий температурный градиент, который возникает за счет теплоотдачи в окружающий сваю грунтовый массив. Таким образом, наружные слои бетона за счет теплоотдачи в грунт остывают значительно быстрее внутренних, вследствие чего возникают термические напряжения в теле буронабивных свай, сопровождающиеся образованием микротрещин и перераспределением поровой влаги внутри тела свай, что обуславливает неравномерное по сечению распределение их прочности.
Наиболее интенсивно процесс тепловыделения происходит в начале твердения, что позволяет бетону набирать прочность даже при характерных для мерзлых грунтов отрицательных температурах грунта (до -5 °С) за счет действия, так называемого,
"эффекта термоса" без применения противоморозных добавок -Ш.
Обычные трех- и двухкальциевые силикатные портландцементы 50% теплоты, образующиеся при химических реакциях и сорбции воды поверхностью геля, выделяют за первые 1-3 сутки, около 75% - за 7 суток, 83^1% - за 6 месяцев. Также есть данные различных авторов по теплоте гидратации цемента трехкальциевого алюминатного состава: 7 суток - 592 кДж/кг, 90 суток - 663 кДж/кг, 189 суток - 873 кДж/кг. Усредненные данные: 1 кг портландцемента выделяет при гидратации за первые 3-7 суток 145-275 кДж или тепловыделение в сутки составляет 83.74-167.47 кДж/кг, за трое
суток - 188.41-293.08 кДж/кг
По итогам проведенных натурных наблюдений следует особо отметить, что устойчивые отрицательные температуры по всей глубине скважины наблюдаются через месяц после заливки, в течение этого периода происходит основной набор прочности сваи.
Библиография
1. Гавриш Ю.Е. Теплофизика строительных процессов в условиях вечномерзлых грунтов / Ю.Е. Гавриш. Л.: Стройиздат, 1983. 96 с.
2. Гныря А.И. Технология бетонных работ в зимних условиях / А.И. Гныря. Томск: ТГУ, 1984 г. 280 с.
3. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Расчет температурного режима буронабивных свай проектируемого жилого дома в квартале 69 (2-я очередь) в г. Якутске. ООО НВЦ "Геотехнология", Москва-Якутск, 2014.
4. Сваи буронабивные - технология производств [Электронный ресурс] URL: http://svaisnab.ru/bored-piles/ (дата обращения: 15.10.2017).
5. Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н.Ф. Федорова. Л.: Стройиздат, 1977. 552 с.
6. Федорова Г.Д. Бетоны и их свойства для монолитных конструкций, возводимых в районах Крайнего Севера: автореф. дис. канд. техн. наук / Галина Дмитриевна Федорова. М. 1993. 26 с.
