Современное строительство в условиях плотной городской застройки и сложных инженерно-геологических условий требует применения эффективных и экологически безопасных технологий устройства фундаментов. Одним из перспективных методов является технология DDS (технология свай полного вытеснения), основанная на принципе формирования скважины без извлечения грунта на поверхность. В отличие от традиционных методов бурения с выемкой грунта (например, технологии CFA или бурения с применением глинистого раствора), метод DDS предусматривает радиальное уплотнение грунта в стенки формируемой скважины посредством специального рабочего органа — раскатчика. Грунт не удаляется из массива, а деформируется и уплотняется, что позволяет стабилизировать стенки скважины в слабых водонасыщенных грунтах и создать вокруг сваи зону повышенной плотности, положительно влияющую на её несущую способность.

Буронабивные сваи уплотнения, выполняемые по технологии DDS, применяются в гражданском, промышленном и жилищном строительстве, а также при реконструкции существующих зданий и сооружений. Они используются в качестве свайных фундаментов встроек и пристроек при реконструкции внутригородских территорий и действующих промышленных предприятий, для устройства свайных фундаментов при нагрузке на сваю до 3500 кН, для стабилизации слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов в основании насыпей и дорог, при устройстве свайных оснований транспортных сооружений, а также для уплотнения грунтов в целях противооползневой защиты. К ограничениям по применению относятся большие толщи (более 6–8 м) плотных песчаных и гравийных грунтов, глин твёрдой консистенции и выветрелых трещиноватых скальных пород. При наличии таких грунтов сваи DDS могут использоваться при условии, что толща несжимаемого грунта ограничена, а вышележащие напластования являются сжимаемыми.

Основным конструктивным элементом технологии DDS является раскатчик — набор конических катков, последовательно закреплённых на общем валу. Оси катков смещены относительно оси вала, что при вращении создаёт одновременно два усилия: подачу раскатчика вглубь грунта и его радиальное перемещение. Раскатчики выпускаются разных диаметров — наиболее распространённые типоразмеры: 400, 450, 520, 600, 650 и 800 мм, что позволяет проектировать свайные фундаменты с широким диапазоном несущей способности. Конструктивно раскатчик выполнен с внутренней полостью, через которую бетонная смесь подаётся прямо через буровой инструмент. При встрече с препятствиями (валунами или крупными обломками скальных пород) используется сменный породоразрушающий инструмент — забурник, предназначенный для начального разрушения плотных слоёв грунта.

Технологический процесс устройства буронабивных свай по технологии DDS включает несколько последовательных этапов. Первым этапом является позиционирование буровой установки с использованием современных геодезических систем и бортовых навигационных комплексов. Затем выполняется вытеснительное бурение — погружение раскатчика в грунт под действием вращения и усилия подачи с непрерывным радиальным уплотнением грунта. После этого производится извлечение раскатчика с подачей бетонной смеси под давлением через полость бурового снаряда снизу вверх, что создаёт дополнительный эффект уплотнения грунта. Далее арматурный каркас погружается в свежеуложенную бетонную смесь с использованием вибропогружателя или под собственным весом. Завершающий этап — формирование оголовка сваи и уход за бетоном, включающий контроль температурно-влажностного режима и защиту от механических воздействий. Важной особенностью технологии является высокий уровень автоматизации: современные буровые установки оснащаются бортовыми компьютерами, которые в реальном времени регистрируют глубину погружения раскатчика, скорость бурения, крутящий, усилие подачи, давление бетонной смеси, объём поданного бетона и вертикальность бурения.

Сравнение технологии DDS с традиционными методами устройства буронабивных свай показывает её преимущества по ряду ключевых показателей. В отличие от технологии CFA, при которой грунт частично извлекается на поверхность шнеком, технология DDS полностью исключает выемку грунта и не требует приготовления, использования и последующей утилизации стабилизирующих растворов, что существенно снижает экологические риски и затраты. Кроме того, технология DDS не создаёт шламового осадка на забое скважины, который при традиционном бурении может снижать несущую способность сваи по острию. Важным преимуществом является также отсутствие вибраций и низкий уровень шума, что делает технологию DDS предпочтительной при производстве работ в условиях плотной городской застройки, включая исторические центры городов.

Эффективность применения технологии DDS в условиях слабых водонасыщенных грунтов обусловлена механизмом вытеснительного бурения. В процессе погружения раскатчика происходит радиальное смещение и уплотнение окружающего грунта, в результате чего вокруг сваи образуется зона повышенной плотности. Грунт в стенках скважины уплотняется, что приводит к увеличению его прочностных характеристик: модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления. Как следствие, силы трения по боковой поверхности сваи возрастают на 20–40 % по сравнению со сваями, выполненными с выемкой грунта. Поскольку технология DDS полностью исключает образование шлама (грунт не извлекается на поверхность), обеспечивается полная реализация сопротивления грунта под нижним концом сваи. Уплотнённая зона вокруг сваи выполняет функцию естественной «обоймы», повышая устойчивость системы «свая–грунт» при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок. Кроме того, уплотнение грунта приводит к снижению его водопроницаемости, что особенно важно в условиях слабых водонасыщенных грунтов, так как уменьшает риск фильтрационных деформаций и обеспечивает более благоприятные условия для твердения бетонной смеси.

С учётом условий Санкт-Петербурга технология DDS обладает рядом дополнительных преимуществ. Отсутствие вибраций критически важно при строительстве в условиях плотной городской застройки и исторических центров, где вибрации могут привести к деформациям существующих зданий. Отсутствие шлама и глинистого раствора исключает необходимость их утилизации, что особенно актуально в условиях ограниченных строительных площадок и высоких экологических требований. Производительность одной буровой установки при работе по технологии DDS может достигать 30–35 свай глубиной до 25–32 м за смену, что позволяет существенно сократить сроки строительства. Уплотнённые стенки скважины препятствуют растеканию бетонной смеси, обеспечивая точное соответствие фактического расхода бетона проектному объёму, а подача бетона под давлением через полость раскатчика дополнительно повышает качество формирования сваи.

Эффективность технологии DDS подтверждается как лабораторными исследованиями, так и натурными испытаниями. Компрессионные испытания образцов грунта, отобранных вокруг свай, устроенных методом раскатки без выемки грунта, показали значительное увеличение модуля деформации, угла внутреннего трения и сцепления в зоне уплотнения. Установлена зависимость указанных характеристик от диаметра сваи, что позволяет прогнозировать несущую способность с учётом реальных условий работы грунта. Статические испытания свай DDS показали, что экспериментальная несущая способность превышает расчётные значения, полученные по нормативным методикам, что позволило определить коэффициент условий работы грунта по боковой поверхности сваи DDS. Сравнительное численное моделирование также подтвердило формирование уплотнённой зоны вокруг сваи DDS. В Санкт-Петербурге технология успешно применена на ряде объектов: строительство кольцевой автомобильной дороги (до 79 свай диаметром 600 мм глубиной 25 м на одну машину в сутки), «Лахта Центр», намывные территории Васильевского острова, а также объекты реконструкции в историческом центре города.

Несмотря на высокую эффективность, существуют определённые ограничения. Технология DDS наиболее эффективна в глинистых и связных грунтах; в рыхлых несвязных грунтах эффективность уплотнения может быть ниже. При встрече с крупными валунами или обломками скальных пород требуется замена раскатчика на забурник, что увеличивает время работ. Реализация технологии требует специализированного бурового оборудования с высокими показателями крутящего момента (до 250–300 кН·м) и усилия подачи (до 200–250 кН), а также высокой квалификации персонала для контроля параметров бурения и бетонирования в реальном времени.

Разработка стандарта организации (СТО) по изготовлению и применению буронабивных свай уплотнения по технологии DDS обусловлена тем, что действующая нормативная база Российской Федерации не содержит специализированных требований к данному методу. Основной документ — СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» — ориентирован преимущественно на забивные, буронабивные и винтовые сваи, технология DDS в нём прямо не упоминается. Отсутствуют методики расчёта несущей способности свай DDS с учётом радиального уплотнения грунта, а также нормативные требования к контролю параметров вытеснительного бурения. Смежные нормативные документы носят общий характер и не учитывают специфику технологии вытеснительного бурения.

На основании анализа производственного опыта и научных исследований установлено, что технология DDS требует нормативного закрепления следующих параметров: режимы бурения (крутящий момент, усилие подачи) для различных типов грунтов; контроль объёма бетона по вытеснению с определением коэффициента расхода бетона (1,05–1,15 в зависимости от типа грунта); методы оценки несущей способности с учётом уплотнения, поскольку несущая способность свай DDS на 20–40 % выше, чем у традиционных буронабивных свай; правила геотехнического мониторинга, так как при изготовлении свай DDS в водонасыщенных грунтах радиус влияния может достигать 20 м, а подъём существующих зданий — до 1–2 см.

С учётом региональной специфики Санкт-Петербурга (ленточные суглинки и глины, морские и озерные илы, торфы, техногенные насыпные грунты) в стандарте организации должны быть учтены: рекомендации по выбору типоразмера раскатчика в зависимости от типа слабого грунта; требования к глубине прорезки слабых грунтов; особенности бетонирования в условиях высокого уровня грунтовых вод; меры по предотвращению подъёма окружающих зданий в условиях исторической застройки.

Целью разработки СТО является установление единых технических требований к проектированию, производству работ и контролю качества при устройстве буронабивных свай уплотнения по технологии DDS в условиях слабых водонасыщенных грунтов (на примере Санкт-Петербурга). Основные задачи СТО включают систематизацию требований к инженерно-геологическим изысканиям, установление методики расчёта несущей способности с учётом радиального уплотнения грунта, регламентацию технологических параметров производства работ, определение требований к контролю качества на всех этапах, а также разработку рекомендаций по геотехническому мониторингу в условиях плотной застройки.

Литература:

1. Жусупбеков А. Ж., Лукпанов Р. Е., Исина А. З., Алдунгарова А. К. Исследование взаимодействия грунтового массива со сваями вытеснения // Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева. — 2013. — Режим доступа: https://dspace.enu.kz/handle/data/5317
2. Заварзин, Л. Г. Слабые грунты на территории Санкт–Петербурга [Электронный ресурс] / Л. Г. Заварзин // Геореконструкция: интернет–журнал. — 2000. — № 2. — URL: https://georec.narod.ru/mag/2000n2/20/20.htm
3. Исакулов, А. Б. Исследование взаимодействия грунтового массива с буронабивными сваями, устраиваемыми по технологии DDS / А. Б. Исакулов, А. Ж. Жусупбеков, Б. Р. Исакулов, С. Б. Искаков // Вестник Евразийского национального университета имени Л. Н. Гумилева. Серия: Технические науки и технологии. — 2022. — Т. 141, № 4. — С. 19–29.
4. Исакулов А. Б., Жусупбеков А. Ж., Омаров А. Р. Основанная на надежности оценка несущей способности буронабивных свай смещения (DDS) с использованием полевых испытаний и FEM // Репозиторий Евразийского национального университета им. Л. Н. Гумилева: [Электронный ресурс]. — 2023. — URL: http://rep.enu.kz/handle/enu/19869