Оценка эффективности устройства свай

21 июня 2021

Анализируется комплексный подход к выполнению работ нулевого цикла и дается оценка несущей способности буроинъекционных свай на основе полученных

Оценка эффективности устройства буроинъекционных свай в слабых водонасыщенных грунтах

Арутюнов И.С.

ОАО Научно-внедренческое строительное предприятие «Техпрогресс» г. Санкт-Петербург, Россия

АННОТАЦИЯ: Анализируется комплексный подход к выполнению работ нулевого цикла и дается оценка несущей способности буроинъекционных свай на основе полученных сопоставимых результатов при реконструкции и новом строительстве на  объектах в городах  Западной Сибири и г. Санкт-Петербурге.

  1. ВВЕДЕНИЕ

Новое строительство и реконструкция существующих зданий и сооружений выполняются, как правило, в сложных инженерно- геологических условиях и, в большинстве случаев, в зонах существующей застройки. Недостаточно полный учет инженерно-геологических и планировочных особенностей строительных площадок возводимых объектов может явиться причиной аварийных ситуаций или привести к необоснованно большим материальным затратам при строительстве.

Экономически обоснованный выбор проектных решений в фундаментостроении определяется качеством инженерно-геологических изысканий и возможностью использования современных технологий выполнения работ нулевого цикла.

НВСП «ТЕХПРОГРЕСС» обладает значительным опытом в этой области. Эффективность работы достигается за счет использования передовых методов, когда в рамках одного предприятия осуществляется КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД, включающий:

  • изучение инженерно-геологических условий строительной площадки современными методами;
  • оптимальное проектирование оснований и заглубленных сооружений;
  • строительство с применением современных технологических разработок в области геотехники.

Как показал производственный опыт НВСП «ТЕХПРОГРЕСС», данный подход позволяет осуществлять наиболее рациональные и надежные решения в фундаментостроении. Наибольшая эффективность у предприятия достигается при использовании своего опыта при выполнении всего комплекса работ на аварийных и реконструируемых зданиях и сооружениях. Кроме этого, достигается серьезная экономия времени за счет совмещения работ. Резко повышается инвестиционная привлекательность осваиваемых объектов за счет их ускоренного ввода.

В современной практике отечественного фундаментостроения при реконструкции зданий и сооружений в большинстве случаев выполняются достаточно трудоемкие работы по искусственному упрочнению грунтов основания в активной зоне или увеличения размеров фундаментов. Эти мероприятия достаточно эффективны, но не являются панацеей, а иногда и вообще могут быть малопригодными. И в каждом конкретном случае в зависимости от инженерно-геологических условий и конструктивных особенностей сооружений необходимо предусматривать принципиально новые решения.

При реконструкции современных зданий и сооружений, связанных с увеличением нагрузок на существующие фундаменты в ряде случаев не обойтись без дополнительных мероприятий по усилению фундаментов и передаче дополнительных нагрузок на подстилающие слои с использованием фундаментов глубокого заложения. Данный подход, по повышению несущей способности существующих фундаментов с использованием технологических приемов устройства буроинъекционных свай позволяет не только стабилизировать осадки в сложных инженерно-геологических условиях от дополнительных нагрузок, но и при необходимости имеет потенциальную возможность дать резкий регулируемый запас прочности для восприятия увеличенных проектных нагрузок, с учетом существующей застройки. При этом, грунтовое основание не имеет деформаций от возникающей значительной дополнительной нагрузки при реконструкции (надстройке нескольких этажей) так как дефицит несущей способности передается через сваи на нижележащие слои грунтов основания, обладающими повышенными прочностными характеристиками, ранее не включенные в работу.

  1. УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ БУРОИНЪЕКЦИОННЫМИ СВАЯМИ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ АДМИНИСТРАЦИИ ХМАО.

Одним из примеров выполнения работ по усилению фундаментов на объекте: «Реконструкция здания Администрации ХМАО» в г. Ханты-Мансийске». В качестве несущего элемента усиления основания и фундаментов реконструируемого здания Администрации ХМАО были приняты буроинъекционные сваи диаметром 160мм, длиной 13,0 м от подошвы существующего фундамента.

Расчетная нагрузка, передаваемая на «сваю» усиления, определенная согласно СНиП 2-02.03-85 по несущей способности грунта основания и принятая в проектном решении, составила 80 кН. Расчеты несущей способности свай по грунту выполнялись применительно к сваям, диаметр которых был принят равным диаметру рабочего инструмента (160мм). Поскольку фактическая площадь сечения буроинъекционных свай, как правило, больше ее номинальной площади вследствие давления опрессовки, а определить эту фактическую площадь расчетным путем невозможно, было принято решение выполнить контрольные испытания свай, изготовленных по принятой ОАО НВСП «Техпрогресс» технологии. Максимальная нагрузка, передаваемая на «сваи» при их испытаниях на статическую вдавливающую нагрузку принята в соответствии с утвержденной «Заказчиком» программой, составила 200 кН.

Инженерно-геологический разрез, по материалам обследования грунтов основания, выполненного ОАО НВСП «Техпрогресс», сложен сверху вниз следующими грунтами:

  1. Насыпной грунт представлен песчано-глинистыми грунтами с обилием строительного мусора и имеет мощность от 5 до 3.0 м.;
  2. Суглинок темно – серый, верхнеплейстоценовый, озерно – аллювиальный, имеет консистенцию от твердого до полутвердого, опесчаненный, макропористый, с включениями органики ~ 5 %, имеет мощность от 0 до 5.0 м. На него непосредственно опирается усиливаемый ленточный фундамент;

3 Суглинок желтовато – серый, консистенция от текучепластичного до текучего, верхнеплейстоценовый, озерно-аллювиальный, с линзами и прослоями песка мелкого, имеет мощность от 3.5 до 6.0 м.

  1. Суглинок темно и голубовато – серый, консистенция от полутвердого до твердого, с галькой

10%, мореноподобный, среднеплейстоценовый, имеет вскрытую мощность более 10.0 м;

В качестве несущего слоя свайных фундаментов, приняты мореноподобные суглинки (элемент-4), залегающие с глубины около 10 метров, абсолютная отметка 41,85м. Эти грунты, по данным статического зондирования грунтов основания, имеют модуль деформации Е≥10-12 МПа.

Принятые в проекте шестнадцатиметровые буроинъекционные сваи усиления прорезали фундаментные блоки и устраивались в шахматном порядке с противоположных сторон с незначительным уклоном (2,5-5°) в сторону оси стен. Арматурный каркас изготавливался диаметром 100 мм с четырьмя рабочими стержнями А-III диаметром 12мм. Материал свай — мелкозернистый бетон класса В-15. «Сваи» устраивались таким образом, чтобы ниже подошвы ленточного фундамента рабочая длина сваи составляла 13.2 метра. При этом нижний конец «свай» был заглублен в несущий слой не менее 3-х метров. При подготовке к испытаниям контрольных «свай», для создания условий работы близких к фактической работе опытные сваи откопали до отметки низа подошвы ленточного фундамента (абс. отм. 49.85 м) и отрезали ее верхнюю часть. Таким образом, контрольные испытания «свай» проводились от уровня подошвы ленточного фундамента.

  1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Методика испытаний «свай» была принята согласно ГОСТ 5686-94 и СНиП 2.02.03-85

предусматривала нагрузку ступенями — 20 кН с достижением условной стабилизации на каждой ступени. Величина ступени рассчитывалась исходя из предельной нагрузки, передаваемая на «сваи» в соответствии с программой испытаний.

Вертикальная нагрузка создавалась при помощи гидравлического домкрата ДГ-50. Упором для домкрата служила грузовая платформа общим весом 336 кН, пригруженная восьмью дорожными плитами весом 4.2 кН каждая. Давление на домкрате создавалось при помощи маслонасосной станции НСР-400. Передаваемая нагрузка, контролировалась по тарированному образцовому манометру. Измерение величины вертикального перемещения сваи от нагрузки, производилось двумя прогибомерами ПАО-6 с точностью отсчета 0,01 мм. Прогибомеры устанавливались с двух противоположных сторон «свай» и были закреплены штативами на независимой реперной системе. Перемещение от тела сваи передавалось на прогибомеры с помощью стальной проволоки сечением 0.3 мм, с одной стороны прикрепленной к стальной обойме жестко зафиксированной на теле сваи, с другой стороны, пройдя через ролик прогибомера, противовес в виде груза массой 1.5 кг. Стальная проволока была предварительно подготовлена в соответствии с требованиями ГОСТ. Температура воздуха, на момент испытания, имела положительную температуру.

За условную стабилизацию принималась скорость осадки сваи в грунте не более 0,1 мм за последний час измерений на ступени нагрузки. Разгрузка испытываемой сваи производилась после достижения максимальной нагрузки, ступенями равными двойной ступени нагружения. Результаты испытаний представлялись в виде графиков зависимости S=F(P) и S=F(T).

  1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Максимальная нагрузка на «сваю» №1 в результате контрольного статического испытания была доведена до 200 кН, при этом осадка составила 5.8 мм, после разгрузки остаточная осадка составила — 3.2 мм. Кривая S=F(P) показывает, что при нагрузке 80 кН осадка составила – 0,27мм, 120 кН — 0,83мм, 160кН-1,93мм.

Максимальная нагрузка на «сваю» №2 в результате контрольного статического испытания так же была доведена до 200 кН, при этом осадка составила 4,91 мм, после разгрузки остаточная осадка составила – 2,5 мм. Анализ S=F(P) показывает, что при нагрузке 80 кН осадка составила – 0,21мм, 120 кН — 0,71мм, 160кН-1.82мм.

  1. ВЫВОДЫ

Выполненная работа показала, что, важным этапом в обеспечении качества изготовления буроинъекционных свай является технология их изготовления, которая тесным образом связана с геотехническими особенностями осваиваемой (застраиваемой) территории. Учитывая сложные инженерно-геологические условия г. Ханты- Мансийска, ОАО НВСП «Техпрогресс» разработал наиболее приемлемый для данных условий «Технологический регламент устройства бу- роинъекционных свай в слабых грунтах» 2001г /1 / , который был согласован с ГУП НИИОСП им. Н.М. Герсеванова (г. Москва). Отличительной особенностью, которого является то, что формирование тела свай осуществляется под избыточным давлением бетона, подаваемого в затрубное пространство снизу-вверх до извлечения бурового снаряда. Это позволяет не только обеспечить устойчивость стенок скважины, но и увеличить несущую способность, а также существенно сократить технологическое время устройства отдельной сваи. В результате оп- рессовки в слабом грунте диаметр разработанных скважин увеличивается до 20% и происходит уплотнение и упрочнение грунта в около свайном пространстве.

Выполненные натурные испытания и откопка опытных указанных свай дали возможность увеличить значение допустимой нагрузки на «сваю» более, чем в два раза, при увеличении расхода материала до 25%. Выполненные работы позволили произвести корректировку несущей способности свайных фундаментов реконструируемых зданий и сооружений в аналогичных условиях.

  1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА УСИЛЕНИЯ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ БУРОИНЪЕКЦИОННЫМИ СВАЯМИ.

Эффективность устройства буроинъекцион- ных свай подтвердилась при устройстве и повышению несущей способности усиливаемых фундаментов реконструируемых зданий: Государственной Думы ХМАО, Краеведческого музея и купола института искусств г. Ханты- Мансийск и других объектов в городах Западной Сибири. Инженерно-геологические условия строительных площадок имели сходный характер напластования грунтов основания. Верхняя толща грунтов мощностью 9-12 м представлена суглинками с консистенцией текучепластичной в кровле до полутвердой по подошве. В нижней толще глинистых грунтов залегают полутвердые суглинки. Сваями прорезаются сильносжимаемые, мягкопластичные и текучепластичные суглинки. Во всех случаях проектными решениями предусматривалось прорезка «слабых» водонасыщенных грунтов с пониженными прочностными характеристиками с заложением пяты свай в несущий слой не менее 2-х метров. Опытные сваи была изготовлены аналогично «сваям» усиления и имели диаметр 160мм, армокаркас 100мм с четырьмя рабочими стержнями 4 12 А-III. Материал свай — мелкозернистый бетон класса В-15. Испытания контрольных «свай» проводились от уровня подошвы ленточного фундамента.

На объекте: «Здание Государственной Думы» ХМАО принятые в проекте буроинъекционные сваи устраивались таким образом, чтобы рабочая длина сваи составляла 12.0-13.0 метров, при заглублении их в несущий слой около 4-х метров. В качестве «несущего» слоя были приняты мореноподобные суглинки, залегающие на глубине 7-8 метров от подошвы фундамента. Расчетная нагрузка, передаваемая на «сваю» усиления, полученная в соответствии со СНиП 2- 02.03-85 составила 100 кН, учитывая сходные инженерно-геологические  условия  с  объектом «Реконструкция здания Администрации ХМАО» и была принята 150 кН.

Выполненные испытания свай показали, что при достигнутой максимальной нагрузке на сваи в результате контрольных статических испытании в 240 кН, осадка сваи №1составила 2,8 мм, а сваи №2 – 3,3мм.

На объекте: «Здание краеведческого музея» ХМАО В качестве «несущего» слоя основания фундаментов приняты мореноподобные суглинки (Е≥ 10-12 МПа), залегающие на глубине от 11,5- 12,0 метров от подошвы фундамента. Опытные сваи, так же, как и рабочие сваи-усиления прорезали суглинок желтовато–серый (консистенция от текучепластичного до текучего, верхнеплей-стоценовый, озерно-аллювиальный, с линзами и прослоями песка мелкого) мощность от 9.5 до 12.0 м. и были погружены в несущий слой на 3.5 – 4.0 м. Расчетная нагрузка, передаваемая на «сваю» усиления в соответствии с принятым проектным решением составляет 130 кН. Выполненные испытания 4-х свай в соответствии с программой работ показали, что при достигнутой максимальной нагрузке на сваи в 200кН осадки у свай колебались в пределах 8,5 — 13.7мм.

Анализ выполненных работ по всем объектам показывает, что применяемая технология позволяет осуществлять формирование тела свай под избыточным давлением самого материала ствола свай (мелкозернистого бетона либо цементно- песчаного раствора), подаваемого в затрубное пространство до извлечения бурового снаряда и в процессе его подъема. Произведенные откопки показали, что был увеличен фактический диаметр свай и одновременно с этим, повысились прочностные характеристики грунта по боковой поверхности. Это позволяет не только обеспечить устойчивость стенок скважин в сложных инженерно- геолоических условиях строительной площадки, но и существенно повысить несущую способность свай за счет увеличения несущей способности по лбу и боковой поверхности. Результаты испытаний буроинъекционных свай показывают, что при достигнутой максимальной нагрузке, величина которой достаточно близка к прочности материала ствола свай, осадка свай была меньше 0,2 от предельно допустимой средней осадки здания. Учитывая упругую работу буроинъекционных свай, выявленную в процессе испытаний, в соответствии с примечанием п.7.3.5. СП 50-102-2003 «Проекти- рование и устройство свайных фундаментов» максимальную нагрузку, достигнутую при испытаниях можно принять за несущую способность Fd свай. Полученные графики зависимости S=F(P) и S=F(T) позволяют увеличить значения расчетной нагрузки на «сваю».

  1. ОПЫТ ПРИМЕНИЯ БУРОИНЪЕКЦИОН- НЫХ СВАЙ В НОВОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Эксплуатации, современных зданий и сооружений со значительными сосредоточенными нагрузками показывает, что наиболее надежными и экономически целесообразными в большинстве случаев являются фундаменты глубокого заложения. В настоящее время наибольшее применение нашли буровые железобетонные сваи, изготавливаемые различными специализированными организациями. Технология устройства, которых практически везде отличается как небольшими, но существенными приемами и особенностями так и новым подходом, связанным с возможностями применяемого оборудования. В этих условиях проектным организациям крайне затруднительно учитывать область рационального применения того или иного метода устройства свайных фундаментов для конкретной строительной площадки.

При анализе геотехнической обстановки в целом существенное значение имеет выбор технологии производства работ. В большинстве центральных городов, использование забивных свай запрещено из-за их влияния на жилые здания и объекты, имеющие историческое значение. Накопленный опыт выполнения работ в условиях существующей застройке, позволяет ОАО НВСП «Техпрогресс» рекомендовать проектным организациям применять устройство свайных полей с учетом всего комплекса выявленных негативных явлений. Применяемые нашим предприятием щадящие технологии, позволяют выполнять работу в условиях плотной существующей застройки, не нанося при этом ущерба близкорасположенным сооружениям.

При предварительном проектировании жилого дома по адресу: СПб., Шувалово-Озерки, кв14, корп.28. в условиях уплотнительной застройке были приняты забивные сваи сечением 450*450 с глубиной заложения острия 20,0м от дневной поверхности и расчетной нагрузкой 800кН.

Площадка строительства характеризуется повсеместным наличием слабой сжимаемой толщи,

суммарной мощностью 16 . . .17,5 м. Грунтовые напластования представлены сверху – техногенными образованиями, ниже – озерно-ледниковыми и ледниковыми разностями в виде текучих и текучепластичных суглинков и супесей.

В связи с неблагоприятную геотехнической обстановкой стройплощадки, для проектируемого 16-этажного панельного дома, в проекте принят свайный тип фундамента с заглублением нижних концов свай в плотные моренные супеси – ИГЭ № 6 ( λL= -0,6; γ = 22, кН/м3 ; Ео = 22 МПа) на глубину 20,0 метров. Учитывая близость существующих ж/домов и школы в данных условиях было принято решение об использовании буронабивных свай диаметром 350мм.

Выполненные расчеты в полном соответствии со СНиП (2) показали, что максимальная расчетная нагрузка на набивную сваю в соответствии с представленной геологией не превышает 530 кН. Однако, анализ инженерно-геологических свойств грунтов с учетом применяемой технологии показывает о недооценки несущей способности  буроинъекционных свай, что и было подтверждено последующими испытаниями свайных фундаментов. Буроинъекционные сваи изготовлялись по технологии ОАО НВСП «Техпрогресс» с использованием колонны проходных шнеков. При достижении проектной глубины заложения осуществлялась подача мелкозернистого бетона под давлением в забой скважин с одновременным поднятием шнековой колонны согласно, разработанного ППР. Установка армокаркаса производится в заполненную бетоном скважину.

Испытания свай статической вдавливающей нагрузкой производились отделом № 6 ЗАО «ПКТИ» в соответствии с ГОСТ 5686-94, СНиП 2.02.03-85 и ТСТ 50-302-96 «устройство фундаментов гражданских зданий и сооружений в Санкт- Петербурге». Максимальная нагрузка испытаний составила:

По свае № 39 – 121 тонна при осадке 8,43 мм, По свае № 97 – 121 тонна при осадке 12,24 мм, По свае № 196 – 117 тонн при осадке 36,53 мм;

Полученные результаты испытаний буро- инъекционных свай диаметром – 350 мм, показали, что расчетная нагрузка – 800 к/Н – может быть допущена. Выполнение работ по устройству свайного поля было завершено в кратчайшие сроки.

Важным этапом в обеспечении качества изготовления буровых свай является технология их изготовления, которая тесным образом связана с геотехническими особенностями осваиваемой (застраимовой) территории. Учитывая сложные инженерно-геологические условия площадок строительства при разработке ППР ОАО НВСП

«Техпрогресс» использует наиболее приемлемые для данных условий способы устройства свай. Технологии обустройства свай выполняются в соответствии со стандартом предприятия ОАО НВСП «Техпрогресс» — «Рекомендации по применению буроинъекционных свай – 2005г.», а также с учетом «Технологического регламента по устройству буроинъекционных свай в слабых грунтах» (архив ОАО НВСП «Техпрогресс).

 

  1. ЛИТЕРАТУРА
  2. Технологический регламент буроинъекционных свай в слабых грунтах, Санкт-Петербург, 2001 год. (архив ОАО НВСП «Техпрогресс»).
  3. Свайные фундаменты СНиП 02.03-85.
  4. «Проектирование и устройство свайных фундаментов» СП 50-102-2003.
  5. Бетонные и железобетонные конструкции СНиП 2.03.01-
  6. Морозов А.А., Мотовилов Э.А., Шейнин В.И.. использование данных радиоизотопных измерений для контроля качества укладки бетона в тело буронабивных свай. «Основание, фундаменты и механика грунтов», 1998год, №
  7. Техническое заключение по результатам качества укладки бетона под подошвой фундамента в буроинъекционных сваях на объекте: «Здание Администрации ХМАО», ГУП НИИОСП, г.Москва, 2001 год.