Проанализированы преимущества использования буроинъекционных свай. Рассмотрены способы повышения несущей способности свай. Сопоставлены способы устройства забивных и комбинированных свай. Наиболее эффективными являются комбинированные сваи, состоящие из буронабивной части, расположенной в устойчивых грунтах, и забивной, погружаемой со дна скважины с помощью инвентарного подбабка. Создание фундаментов высокой несущей способности с применением решения свай–инъекторов, выполненных в виде заводского элемента с центральным сквозным каналом.
Ключевые слова: буроинъекционная свая, комбинированная свая, несущая способность сваи, инъецирование, свая-инъектор заводского изготовления.
Выбор вида свай и технологии их устройства производится на основании технико-экономического сравнения нескольких вариантов, применяемых в зависимости от инженерно-геологических условий, типа и конструктивных особенностей строящегося здания, условий строительства и возможностей строительных организаций.
Усиление свайных фундаментов может быть выполнено путем применения дополнительных задавливаемых или забивных свай-инъекторов. При нецелесообразности использования буронабивных свай по технико-экономическим соображениям используют буроинъекционные сваи. У буроинъекционных свай меньшая себестоимость и более низкая трудоёмкость, при высокой степени надёжности и обеспечении требуемой несущей способности.
БИС отличает высокая степень надёжности и обеспечение требуемой несущей способности. Они применимы в сложных грунтовых условиях строительства: в техногенных, многослойных, рыхлых и обводнённых грунтах. Их также целесообразно применять при необходимости исправить недочёты в устройстве фундаментов, проседании, размывании, потере прочности и разрушении оснований сооружений.
Особенность сваи-инъектора заключается в том, что по продольной оси ее ствола устанавливается стальная трубка. После погружения сваи до требуемой отметки через эту трубку производят закрепление грунта вокруг нижнего острия сваи. В результате образуется опорный массив из закрепленного грунта, играющий ту же роль, что и уширенная пята.
При устройстве набивных свай с уширенной пятой, изготавливаемых на месте, требуется специальное, дорогостоящее оборудование, при этом, при сложности их изготовления могут возникнуть многочисленные дефекты.
Комбинированные и специальные виды свай применяют в тех случаях, когда имеется возможность рационального сочетания достоинств свай различного вида или применения специальных приемов погружения или устройства свай.
Для массового внедрения целесообразнее использовать комбинированные сваи, состоящие из буронабивной части, расположенной в устойчивых грунтах, и забивной, погружаемой со дна скважины с помощью инвентарного подбабка. Длина забивной части зависит от глубины залегания несущего слоя и требуемой несущей способности сваи. Технологическая схема изготовления таких комбинированных свай представлена на рис. 1.
Рис. 1. Технология устройства комбинированных свай
а — бурение скважины; б — установка обсадной трубы; в — забивка сваи до уровня грунта; г — добивка сваи подбабком; д — установка арматурного каркаса, бетонирование и извлечение обсадной трубы; е — бетонирование скважины с уплотнением; I, II — соответственно устойчивые и неустойчивые грунты; III — несущий слой грунта; 1 — буровой снаряд; 2 — обсадная труба; 3 — забивная свая; 4 — подбабок; 5 — арматурный каркас; 6 — глубинный вибратор; 7 — монолитный бетон; УГВ — уровень грунтовых вод.
По результатом экспериментальных исследований несущей способности забивных и комбинированных свай было установлено, что при вертикальной нагрузке несущая способность комбинированных свай в песчаных грунтах выше, чем у забивных, на первых ступенях нагрузки в среднем на 25 %, а в предпредельной стадии — на 60 %. С возрастанием нагрузки, когда решающую роль начинает играть сопротивление сваи по острию, дополнительная площадь подошвы буронабивного участка сваи активнее включается в работу.
На основании проведенных экспериментов по исследованию несущей способности забивных и комбинированных свай были сделаны следующие выводы:
- Несущая способность комбинированной сваи в песчаных грунтах выше, чем у забивной, при вдавливающих нагрузках на 48 %, а при горизонтальных — на 62 %;
- Расчет комбинированных свай можно производить по действующим нормам с учетом особенностей совместной работы буронабивной и забивной частей сваи;
- Наиболее высокая экономическая эффективность комбинированных свай может быть достигнута при использовании их вместо буронабивных, требующих «мокрого» способа производства работ [2].
Расчет экономической эффективности комбинированных свай, определенной по результатам опытного проектирования, показал, что применение таких свай позволяет при указанных условиях снизить первоначальную сметную стоимость фундаментов на 35–40 %.
Таким образом, наиболее эффективными являются комбинированные сваи, состоящие из буронабивной части, расположенной в устойчивых грунтах, и забивной, погружаемой со дна скважины с помощью инвентарного подбабка.
Технология устройства свай, изготавливаемые непосредственно на месте строительства требует специального дорогостоящего оборудования, а технология их изготовления достаточно сложная, что может стать причиной многочисленных дефектов.
В большинстве случаев выгоднее применять наиболее простые виды свай: готовые забивные железобетонные сваи квадратного сечения, заостренные в виде конуса.
Свая-инъектор представляет собой модернизацию этих двух видов свай — готовых забивных железобетонных и свай Страуса, изготовляемых путем постепенной набивки бетона в предварительно пробуренные скважины с последующим извлечением инвентарной обсадной трубы. Особенностью сваи-инъектора является то, что по продольной оси ствола сваи устанавливается стальная труба. После забивки сваи до требуемой глубины через эту трубу можно закрепить грунт вокруг нижнего конического конца сваи любым из известных методов. В результате вокруг нижнего конца сваи образуется опорный массив, который выполняет ту же задачу, что и уширенная пята. Разница заключается в том, что тот же результат можно достичь при использовании обычных типов свай более простыми приемами и с небольшими дополнительными затратами.
При изготовлении свай на заводах железобетонных изделий отрезают вершину стального наконечника и в полученное отверстие вваривают конец трубы, уложенной по продольной оси сваи. Диаметр трубы (обычно газовой) выбирается в пределах 37,5–50 мм в зависимости от длины сваи. Второй конец трубы фиксируется таким образом, чтобы она находилась в центре шаблона. Верхний конец трубы, который ниже верхней плоскости сваи на несколько десятков сантиметров, закрывают приваркой небольшой пластинки или бумажной пробкой.
Армирование сваи-инъектора производится так же, как армирование обычных железобетонных свай. Нижний конец трубы закрывают глухим наконечником, который в процессе забивки сваи предохраняет трубу от повреждения и закупоривания грунтом.
Шейка наконечника свободно входит в трубу, а его буртик упирается в стенку трубы. Наконечник после забивки сваи легко выбивается из трубы и остается в грунте. Забивка сваи-инъектора заводского изготовления осуществляется обычным способом. После достижения требуемой глубины разрушают бетон верхней части ствола сваи, удаляют запорную пластинку с высвобожденного конца трубы и выбивают наконечник из нижнего конца трубы. После этого можно проводить работы по нагнетанию раствора под нижний конец сваи. После закрепления грунта инъекторная труба заполняется цементным раствором [3].
Схема устройства сваи–инъектора с использованием заводского элемента представлена на рис. 2.
Рис. 2. Свая-инъектор с железобетонными элементами заводского изготовления
1 — инъекторная труба; 2 — железобетонная свая;
3 — стальной башмак; 4 — закрепленный грунт
С учетом исследований, выполненных на кафедре ТСП перспективными являются решения свай-инъекторов, выполненных в виде заводского элемента с центральным сквозным каналом. В случае необходимости через указанные каналы можно проводить дополнительную цементацию грунта. Схема устройства сваи–инъектора представлена на рис. 3
Рис. 3. Схема устройства сваи–инъектора:
1 — заводская свая; 2 — армирование сваи; 3 — сквозное отверстие; 4 — инъектор или буровая труба; 5 — ствол сваи; 6, 7- трубки-инъекторы; 8 — зона закрепленного грунта
Способ возведения буронабивной сваи-инъектора включает бурение скважины, армирование скважины с одновременной установкой армокаркаса с закрепленной в нем инъекторной трубкой, бетонирование ствола сваи по всей высоте скважины, нагнетание укрепляющего раствора пульсирующим потоком под нижний конец сваи при незатвердевшем бетоне свайного ствола. Через одну инъекторную трубку, которая расположена выше забоя скважины на (0,3–1) ее диаметра производят нагнетание укрепляющего раствора до выхода его из устья скважины при незатвердевшем бетоне свайного ствола, а через — другую трубку, расположенную в уровне забоя скважины или ниже его до двух диаметров скважины производят нагнетание укрепляющего раствора после твердения бетона ствола сваи. Состав укрепляющего раствора, нагнетаемого до твердения бетона, подбирают для улучшения качества бетона, а состав укрепляющего раствора, нагнетаемого после твердения бетона, подбирают для улучшения свойств грунта.
Давление нагнетания укрепляющего раствора 6 до 0,25 МПа. Давление при силикатизации до 0,3 МПа и до 0,5 МПа — при цементации.
В результате прокачки укрепляющего раствора происходит уплотнение и упрочнение бетонной смеси ствола сваи.
Заводские сваи с центральным сквозным каналом и дополнительной цементацией целесообразно применять в тех случаях, когда такие способы как дублирование свай, увеличение их диаметра или изменение технологии производства свайных работ не представляется возможным. Увеличением несущей способности заводских сваи с дополнительной цементацией можно снизить их число или избежать подведения опор, понижения уровня грунтовых вод или выполнения других трудоемких и дорогостоящих строительных работ, когда залегание прочного грунта резко колеблется или структура грунта неоднородна и, следовательно, нельзя с уверенностью выбрать необходимую длину и величину несущей способности сваи.
На рис. 4 представлены примеры использования заводских свай с центральным сквозным каналом и дополнительной цементацией.
Рис. 4. Различные способы использования заводских свай с центральным сквозным каналом и дополнительной цементацией
Фундаменты из свай-инъекторов могут быть применены как при возведении новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции зданий и сооружений (особенно при устройстве свай в предварительно пробуренных скважинах). Использование этих свай в целях усиления существующих фундаментов обладает рядом преимуществ при восприятии динамических нагрузок.
Главным вопросом при устройстве фундаментов с применением свай-инъекторов является выяснение возможности закрепления грунта вблизи нижнего конца сваи методом инъецирования и выбор технологии его осуществления.
Инъецирование допускается при любых видах зернистых грунтов при условии, чтобы нагнетаемый материал и технология нагнетания были выбраны технически правильно. Обязательным требованием является тщательное исследование грунта, т. е. точное определение параметров физических свойств грунта.
Для закрепления грунта рекомендуется применять метод цементации или двухрастворный (жидкое стекло + катализатор) так называемый метод Юстена.
При правильном проведении процесса цементации прочность закрепленного грунтового массива зависит в первую очередь от давления нагнетания и срока выдержки. Следует учитывать, что повышение давления нагнетания может привести к значительному увеличению прочности грунта, но при этом есть опасность разрушения грунта.
При мелкозернистых грунтах (илистые, мелкопесчаные и пылеватые грунты) повышением давления нагнетания преднамеренно разрушают грунт вокруг нижнего конца сваи и в качестве инъецируемого материала используют только цемент.
Инъецирование допускает почти полную механизацию. Для нагнетания раствора следует применять специальные нагнетательные насосы, которые могут обеспечить возможность изменения количества подаваемого за единицу времени раствора и предотвращать скачкообразное изменение давления нагнетания.
Устройство фундамента с применением свай-инъекторов по сравнению с обычными сваями имеет две дополнительные статьи расходов: приобретение инъекторных труб и дополнительные работы по их установке; проведение инъецирования.
Остальные статьи расходов при сваях-инъекторах такие же, как и при забивных или набивных сваях. Расходы на проведение инъецирования слагаются из нескольких статей.
Снижение расходов возможно за счет замены достаточно дорогостоящих стальных труб трубами из более дешевых материалов или в результате извлечения стальной трубы из полузатвердевшего бетона. При любых вариантах верхний конец трубы должен быть оформлен таким образом, чтобы он обеспечивал возможность присоединения шланга и не допускал попадания грязи в трубу.
За единицу расхода обычно принимают стоимость упрочнения 1 м3 грунта. В среднем считается, что на одну сваю приходится 0,5 м3 упрочненного грунта и в зависимости от нагнетаемого материала могут быть дополнительные расходы на одну сваю. Логично, что экономичность применения свай-инъекторов зависит от их длины, так как при коротких сваях дополнительные расходы, отнесенные к 1 пог. м сваи, окажутся большими, чем при длинных. Из практики также известно, что цементация требует меньше расходов, а химический метод (жидкое стекло) — больше.
Результаты устройства фундаментов с применением свай-инъекторов по сравнению с другими методами показали, что устройство фундамента с применением свай-инъекторов позволяет снизить расходы на строительство фундаментов на 59 %, удельную трудоемкость работ на 26 %, срок строительства сократить на 38 %. Производительность труда при этом возрастает в 3,9 раза.
При сравнении технико-экономических показателей различных методов устройства фундаментов следует учитывать, что применение свай-инъекторов во всех случаях приводит к экономии материала, требуемого для изготовления элементов, связывающих фундамент с надфундаментными конструкциями.
Используя классификацию способов химического закрепления грунтов, можно выбрать более рациональный способ закрепления грунта в основании, по техническим и производственным показателям.
Таким образом, устройство фундамента с применением свай-инъекторов (при соответствующих геологических условиях) в подавляющем большинстве случаев более экономично и эффективно, чем все остальные методы, особенно при больших сосредоточенно нагруженных колоннах, при сваях длиной более 5 м и высоком уровне грунтовых вод.
Фундаменты из свай-инъекторов могут быть применены как при возведении новых зданий и сооружений, так и при усилении фундаментов старых, поврежденных или требующих реконструкции зданий и сооружений.
Технология усиления фундамента существующего здания буроинъекционными сваями с регулируемыми параметрами несущей способности способна исправить возможные погрешности проекта, вследствие того, что запас прочности у отремонтированного основания значительно повыситься. Использование этих свай в целях усиления существующих фундаментов открывает перед проектировщиками широкие возможности.
Литература:
- СП 24.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП 2.02.03–8585). Свайные фундаменты. М.: Минрегион России, 2011.
- Берман, В.И., Цесарский А. А. Об эффективности применения комбинированных свай // Сборник ВНИИГС. 1985. С. 74–81.
- Ганичев, И. А. Устройство искусственных оснований и фундаментов (зарубежный опыт) [Текст] / И. А. Ганичев. — М.: Стройиздат, 1969. — 320 с.: ил., табл.; 22 см.
- Основание и фундаменты. Проектирование фундаментов в особых условиях: учебно-методическое пособие для дипломного проектирования [Электронный ресурс] / сост. Ю. Н. Козаков. — Электрон.дан. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012
- Соколов Н. С., С. Н. Соколов, А. Н. Соколов, П. Ю. Федоров, Использование буроинъекционных свай ЭРТ в качестве оснований фундаментов повышенной несущей способности [Текст] / Н. С. Соколов [и др.] // Промышленное и гражданское строительство. — 2017. — N 9. — С. 66–70.
- Соколов Н. С., Преимущества устройства буроинъекционных свай с многоместными уширениями с применением электроразрядных технологий// // Геотехника. 2018. № 11.
- Самарин Д. Г., Устюжанин В. Л. Способ изготовления сваи. М.: Роспатент, 29.05.2018 № 218.016.54F7. URL: https://edrid.ru/rid/218.016.54f7.html.
- Соколов Н. С., Рябинов В. М. Особенности устройства и расчета буроинъекционных свай с многоместными уширениями// Геотехника. 2016. № 3. С. 60–65.
- Купчикова, Н. В. Влияние способов фундирования на несущую способность готовых свай [Электронный ресурс] / Н. В. Купчикова, С. В. Плужникова. // Перспективы развития строительного комплекса. — Электрон. дан. — 2014. — № 1(Том 1). — С. 286–296.
- Гайдо, А. Н. Пути совершенствования технологических решений устройства свайных фундаментов жилых зданий в условий городской застройки / А. Н. Гайдо// Жилищное строительство. — 2015. — № 9. С.12–15.
- Гайдо, А. Н. Верстов, В. В. Обоснование выбора рациональных способов устройства свайных фундаментов по критерию технологичности в различных условиях строительства/А. Н. Гайдо. В. В. Верстов// Монтажные и специальные работы в строительстве. — 2013. — № 4. С. 6–12
