Введение

Выбор технологии погружения свай в вечномерзлые грунты определяет не только стоимость и трудоёмкость работ, но и продолжительность набора несущей способности фундамента. Процесс вмерзания сваи в грунт может занимать от нескольких часов до нескольких месяцев, что критически важно для темпов строительства в арктической зоне России [1, 2].

В соответствии с принципами использования вечномерзлых грунтов по первому принципу (сохранение грунтов в мерзлом состоянии) [1], технология погружения должна минимизировать тепловое воздействие на массив. В настоящей работе выполнен сравнительный анализ четырёх основных способов погружения: забивка (ударный метод), забивка в лидерные скважины (бурозабивной способ), погружение в пробуренные скважины с заливкой грунтовым раствором (буроопускной способ) и погружение в предварительно оттаянные грунты (опускной способ с паровым прогревом) [2, 3].

Характеристика способов погружения

1. Забивка свай (ударный метод). Применяется в пластично-мерзлых грунтах с использованием копровых установок с дизельными или гидравлическими молотами. Свая погружается за счёт динамической энергии удара, при этом происходит частичное оттаивание грунта в зоне контакта за счёт тепла трения. Критическим ограничением является возможность забивки в твёрдомерзлые и скальные грунты, а также высокий уровень вибрационного воздействия на окружающую застройку.

2. Забивка в лидерные скважины (бурозабивной способ). Предварительно бурится скважина диаметром на 5–10 см меньше размера сваи. Это снижает сопротивление грунта при забивке и уменьшает динамические нагрузки. Метод рекомендован для грунтов с температурой выше –1,5 °C [3]. Обеспечивает высокую точность позиционирования свай.

3. Погружение в пробуренные скважины (буроопускной способ). Скважина бурится диаметром, превышающим сечение сваи. Затем скважина на 1/3 заполняется грунтовым раствором (шламом), после чего погружается свая. Раствор вытесняется в кольцевой зазор и при замерзании обеспечивает сцепление. Способ применим в любых мёрзлых грунтах, но требует искусственного вмораживания при высоких температурах грунта [4].

4. Погружение в оттаянные грунты (опускной способ с паровым прогревом). Зона установки сваи предварительно размораживается перегретым паром (120–150 °C) через паровые иглы. После оттаивания свая погружается с использованием вибропогружателя или крана. Метод эффективен в твёрдомерзлых глинистых и пылеватых грунтах, но требует последующего искусственного вмораживания, так как грунт вокруг сваи остаётся талым.

Сравнительный анализ сроков вмораживания

В таблице 1 представлены обобщённые данные о продолжительности вмерзания свай в зависимости от способа погружения, температуры грунта и сезона работ, составленные на основе производственных наблюдений [6].

Таблица 1

Сроки вмерзания свай, установленных различными способами [6]

Анализ данных показывает:

1. Бурозабивной способ с забивкой молотами обеспечивает практически мгновенное вмерзание (менее 1–2 суток) при всех температурах грунта ниже –0,5 °C. Это объясняется плотным контактом сваи с мерзлым грунтом и минимальным нарушением температурного режима.

2. Буроопускной способ даёт сроки вмерзания от 5 суток (вращательное бурение, грунт –3 °C, зима) до 120 суток (термомеханическое бурение, грунт –1,5 °C, лето). Вращательное бурение предпочтительнее термомеханического, так как создаёт более чистые стенки скважины и не переувлажняет грунт.

3. Опускной способ с парооттаиванием — самый длительный: от 50 до 140 суток. Это связано с необходимостью полного замерзания оттаянной зоны. При температуре грунта –1,5 °C и выше данный способ не рекомендуется без искусственного вмораживания [3].

4. Сезонность работ оказывает влияние: в зимне-весенний период сроки вмерзания на 15–30 % меньше, чем в летне-осенний, за счёт более низкой температуры грунта и воздуха.

Рекомендации по выбору технологии

На основе проведённого анализа предложены следующие рекомендации:

1. При температуре грунта –3,0 °C и ниже эффективны любые способы, однако предпочтительны бурозабивной (сроки <1 суток) или вращательное бурение с заливкой раствором (5–8 суток).

2. В интервале температур –1,5…–2,9 °C следует использовать бурозабивной способ молотами (вмерзание <1 суток) или вращательное бурение (12–15 суток). Термомеханическое бурение (120 суток) и парооттаивание (140 суток) экономически нецелесообразны.

3. При температуре –0,5…–1,4 °C забивной и бурозабивной способы остаются предпочтительными, но для вращательного бурения сроки возрастают до 30–45 суток. В таких условиях рекомендуется искусственное вмораживание [4].

4. Для твёрдомерзлых глинистых и пылеватых грунтов с включениями щебня допустимо только буроопускное бурение или парооттаивание с последующим искусственным вмораживанием.

Заключение

1. Наименьшие сроки вмерзания (менее 2 суток) обеспечивает забивка свай молотами в лидерные скважины. Этот способ рекомендуется как основной для строительства в суровых климатических условиях.

2. Буроопускной способ с вращательным бурением даёт приемлемые сроки (5–45 суток) и может применяться при отсутствии возможности забивки (например, вблизи существующих зданий).

3. Термомеханическое бурение и парооттаивание следует применять только в особо сложных грунтах, обязательно с последующим искусственным вмораживанием.

4. Полученные зависимости могут быть использованы для оптимизации календарных планов строительства в арктической зоне.

Литература:

1. Кузнецов Н. К., Филиппов Г. С. Строительство промышленных сооружений. — М.: Издательство литературы по строительству, 1972. — 189 с.

2. Березовский Б. И., Либерман И. А., Неклюдов В. С., Таргулян Ю. О. Справочник мастера-строителя для работ в Северной строительно-климатической зоне. — Л.: Стройиздат, 1986. — 328 с.

3. Березовский Б. И., Васьковский А. П. Проектирование и строительство зданий в условиях сурового климата и вечномерзлых грунтов. — Л.: Стройиздат, 1977. — 232 с.

4. Спиридонов В. В., Цуриков А. С., Краснощек Б. В., Чернюк В. П. Руководство по технологии и методике расчета продолжительности вмораживания свай в вечномерзлые грунты. — М.: ВНИИСТ, 1976. — 93 с.

5. Акимова Л. Д., Аммосов Н. Г., Бадьин Г. М. и др. Технология строительного производства в зимних условиях. — Л.: Стройиздат, 1984. — 259 с.

6. СП 25.13330.2020. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04–88. — 123 с.