Определение качества устройства свайных фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях



Современное развитие свайного фундаментостроения вобрало в себя не только исторический опыт использования различных конструкций и технологий свайных работ, но и современные требования к способам контроля качества устройства свай.

Анализ рынка свайных работ в Санкт-Петербурге показывает, что для каждой социально-экономической эпохи есть свои технические и технологические предпочтения. Если для эпохи сборного железобетона и массового типового строительства 60–70-х годов прошлого столетия актуальным было устройство свайных полей из забивных призматических свай заводского изготовления (рис.1), то в 2000-х годах ситуация существенно по видам используемых свай существенно изменилась.

Рис. 1. Погружение забивных свай в Невском районе 1965 год

Забивные призматические сваи в составе свайного рынка составляют сегодня лишь 25 % (это в основном периферийные объекты жилищного или промышленного строительства).

Лидерство сегодня принадлежит набивным сваям устраиваемым с вытеснением грунта (сваи уплотнения). Они занимают сегодня до 45 % объема свайных работ. К таким видам можно отнести сваи, устраиваемые по технологии FUNDEX для изготовления которых используется оборудование фирмы IHC Fundex Equipment (Голландия) и Junttan (Финляндия), а также сваи DDS (Drilling Displacement System), оборудование для изготовление которых поставляется на рынок фирмами BAUER (Германия) и SoilMec (Италия) (рис. 2, 3). Учитывая, что объем работ по редевелопменту промышленных территорий, находящихся в городской застройке сегодня находится в активной фазе, требование по исключению динамических воздействий при погружении свай является нормативным, кроме набивных свай значительно возросло применение призматических железобетонных свай заводского изготовления с погружением их вдавливанием. Доля свай вдавливания на рынке составляет сегодня до 25 %. Для этой цели применяются сваевдавливающие машины российского (УСВ 120, УСВ 160), китайского производства (DTZ200, ZYJ 240). Устройство буровых свай под защитой инвентарной обсадной трубы занимает совершенно небольшую долю рынка (до 4,0 %) и оправдано при изготовлении свайных фундаментов повышенной несущей способности или изготовлении свай большой глубины (более 40 м). Изготовление свай с креплением стенок скважин глинистым (бентонитовым) или полимерным раствором сегодня является редким явлением (около 1,0 %) и используется в уникальных случаях реконструкции или инженерной реставрации для обеспечения высокого уровня безопасности по отношению существующей застройке и инженерным коммуникациям (рис.4).

Последние десятилетия стали определяющими по выбору методов контроля качества свайных фундаментов.

Рис. 2. Установка FUNDEX F-12 на объекте строительства (2006)

Рис. 3. Устройство свай DDS на ул. Есенина, д. 3 (2001)

Рис. 4. Устройство свай в плотной городской застройке по технологии бурения с креплением стенок скважины глинистым (бентонитовым) или полимерным раствором

Если обратиться к нормативным документам двадцатилетней давности, то мы увидим, что основными методами контроля в [1] при устройстве буровых свай являлись следующие параметры: отметка устья скважины, ее забоя и уширения сваи, диаметр сваи и, соответственно, уширения сваи, вертикальность оси сваи (п. 11 табл.18 [1]). Критерием сплошности свай, выполненных методом подводного бетонирования, являлось указание, что ствол сваи не должен иметь нарушений сплошности, при этом методом контроля определялось измерение прочностных показателей образцов, взятых из пробуренных в сваях кернов или др. способом (п.13, табл. 18 [1]). Указывалось, что для контроля сплошности ствола буровой сваи, устраиваемой методом подводного бетонирования, выборочным порядком производить испытания образцов, взятых из выбуренных в сваях кернов, или контролировать сплошность неразрушающими методами (п.11.28 [1]). При этом, указывалось, что такие исследования необходимо проводить на одной свай на каждые 100 свай, но не менее, чем из двух свай на объект. Отдельно указывалось о необходимости проведения таких исследований на всех сваях, при устройстве которых были допущены нарушения технологии. Косвенно, сплошность сваи можно контролировать и посредством наблюдения при выбуривании керна. Так следует обращать внимание на режим бурения в зоне контакта бетона, уложенного с нарушением требований бетонирования, и как пример приводится случай, когда есть длительные сверхнормативные перерывы в укладке бетонной смеси в скважину, с нормально уложенным. Быстрое погружение (провал) бурового инструмента в этих зонах свидетельствует о наличии прослоя шлама, образовавшегося в результате нарушения режима подводного бетонирования.

В действующих строительных нормах (п. 12.8.1. [2]) определено, что в зависимости от поставленных задач, требований проекта и степени дефектов и повреждений в сваях допускается сплошной (полный) или выборочный контроль качества изготовленных свай. В сплошной контроль входит определение сплошности и длины выполненных свай сейсмоакустическим методом, оценка качества (однородности) бетона радиоизотопным или ультразвуковым методом для всех свай на объекте. Выбуривание керна бетона из свай в указанном документе определяется объемом 2 % свай на объекте.

При выборочном контроле качества бетона свай производится:

– выбуривание кернов на полную длину из расчета 2 % общего числа выполненных из монолитного бетона свай на объекте, но не менее двух свай и испытание образцов бетона, изготовленных из керна, на одноосное сжатие;

– контроль длины свай и оценка сплошности ствола сваи с использованием сейсмоакустических испытаний — 20 % общего числа свай на объекте;

– оценка качества (однородности) бетона свай на полную длину методами радиоизотопных и ультразвуковых измерений — 10 % общего числа свай на объекте.

Также определяется, что контролю должны быть подвержены все сваи, при изготовлении которых произошло нарушение технологии (п.12.8.4. [2]). В новой редакции СП сохраняются также базовые положения по сплошности, соблюдению требований по диаметру сваи, вертикальности (п.11, 13 табл. 12.1 [2]).

В таблице 1 приводится и рассматривается структура дефектов, наличие которых оказывает влияние на несущую способность и долговечность конструкции сваи.

Таблица 1

№ п/п	Конструктивные дефекты иотклонения	Критерии
1.	Отклонения от требований проекта	Принимаются по СП 45.13330.2017; СП 24.13330.2011
1.1.	в плане местоположения	Принимаются по СП 45.13330.2017
1.2.	по глубине недопогружение до проектной отметки	Принимаются по СП 45.13330.2017
1.3.	недостижение проектного несущего слоя (даже при проектной глубине)	СП 24.13330.2012. Уточнение инженерно-геологических условий площадки (дополнительные инженерно-геологические изыскания), Испытание грунтов сваями статической нагрузкой
1.3.	использование бетона ниже проектного класса	СП 24.13330.2011; поверочные расчеты по ограничению нагрузки на сваю СП 63.13330.2012
2.	Технологические дефекты
2.1.	наличие холодных швов, каверн, пустот при бетонировании	Определяется ультразвуковым прозвучиванием или SIT в соответствии с СП 45.13330.2017
2.2.	«шейки в теле» сваи или утолщения на участках по глубине	Определяется ультразвуковым прозвучиванием или SIT в соответствии с СП 45.13330.2017
2.3.	образование усадочных или силовых трещин	Определяется ультразвуковым прозвучиванием или SIT в соответствии с СП 45.13330.2017
2.4.	поглощение бетоны выше нормативного	опытные работы, подпор технологии, уточнение инженерно-геологических условий СП 24.13330.2011; СП 47.13330.2016
2.5.	непробетонированные участки сваи по глубине из-за нарушения технологии бетонирования, размывы бетона водовмещающими слоями грунта с местным или гидравлическим напорами	Определяется ультразвуковым прозвучиванием или SIT в соответствии с СП 45.13330.2017
2.6.	эффект «плачущих свай»: вертикальные каналы и каверны в теле сваи из-за воздействия напорных подземных вод	Визуальные наблюдения с фиксацией выхода напорных вод на поверхность через тело сваи или по контакту свая-грунт, диагностика состояния сплошности сваи методом SIT или сейсмоакустическим методом, УЗК или УЗД в соответствии с СП 45.13330.2017
2.7.	неравномерное по плотности и по материалу формирование ствола сваи из-за нарушения технологии бетонирования (сбрасывание бетона в скважину)	Выбуривание керна с испытанием образцов по СЕП 45.13330.2017
2.8.	несоосное расположение арматурного каркаса в скважине (свае), несоблюдение толщины защитного слоя	Определяется по СП 63.13330.2012

Следует отметить, что многие из указанных в таблице 1 дефектов являются скрытыми, что требует тщательного контроля как при операционном контроле, так и в обеспечении контроля выполненных свай в соответствии с требованиями СП 45.13330.2017 с использованием неразрушающих методов контроля и выбуриванием керна из тела сваи.

Приведем некоторые иллюстрации по наличию дефектов в теле устраиваемых буровых, набивных и забивных свай. В условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов возможными дефектами могут быть: утолщение ствола сваи (перерасход бетона при устройстве сваи) или образование «шеек» по длине ствола сваи, наличие каверн, пустот, трещин и прочих дефектов.

Дефекты и разрушения свай носят конструктивный характер. В этом случае, своевременная диагностика, определение характера отклонения от проектного решения и местоположение дефекта по длине сваи являются значимыми и существенными обстоятельствами по обеспечению качества выполненных свай. Для определения сплошности свай сейсмоакустическим методом используются различное оборудование, в основе которого лежит принцип отраженной волны или акустического импеданса, определяемого формулой:

в которой, Z- акустический импеданс; А-площадь поперечного сечения; ρ- плотность материала; Е- модуль упругости.

При этом схема определения дефектов может быть представлена по материалам фирмы ProFound, являющейся одной из поставщиков оборудования для определения сплошности свай (рис.5)

Рис. 5. Схема распространения звуковой волны в теле сваи

По результатам исследования строятся рефлектограммы, которые являются исходными документами для определения возможных дефектов. Благодаря использованию SIT — метода определения сплошности сваи можно определить дефекты, представленные на рис. 6.

Рис. 6. Дефекты, которые можно определить при помощи SIT –метода (данные ProFound)

В тоже время, следую отметить, что исследования проведенные изготовителем оборудования — фирмой ProFound, показали, что есть ряд дефектов, которые невозможно диагностировать при помощи упоминаемого метода. Дефекты, которые попадают к числу не определяемых данным методом, показаны на рис. 7.

Рис. 7. Дефекты, которые невозможно определить при помощи SIT- метода.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о наличии ограничений диагностики дефектов и разрушений свай с использованием SIT — метода (метода сейсмоакустического прозвучивания). В связи с этим возникает необходимость дальнейшего методологического и технического совершенствования SIT-метода для определения дефектов свай в условиях слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов Санкт-Петербурга.

Литература:

1. СНиП 3.02.01 -87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» — М., 1987–87с.
2. СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» Актуализированная редакция СНиП 3.02.01–87- М., 2017- 171с.
3. СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» с изм. — М., 2017 -90с.
4. СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» с изм.1,2,3 — М., 2017–148 с.
5. СП 47.13330.2016 «Инженерные изыскания для строительства» -М., 2016–170с.
6. Захаров М. С., Мангушев Р. А. Инженерно-геологические и инженерно-геотехнические изыскания в строительстве: Учебн. Пособие. — М.: Изд-во АСВ, 2014–176 с.
7. Мангушев Р. А., Готман А. Л., Знаменский В. В., Пономарев А. Б. Сваи и свайные фундаменты. Конструкции, проектирование и технологии/ под ред. Чл.-корр. РААСН, д.т.н., проф. Р. А. Мангушева — М.: Изд-во АСВ, 2015- 320с.
8. Мангушев Р. А., Осокин А. И. Геотехника Санкт-Петербурга. Монография.– М.: Изд-во АСВ, 2010.- 264с.
9. Мухин А. А., Чуркин А. А., лозовой И. Н. Ограничение области применения сейсмоакустического метода контроля сплошности бетона свай. // Журнал «Транспортное строительство» № 10 — М.: 2018.- с.20–24