Применение растворов тонкодисперсных вяжущих веществ для повышения несущей способности буронабивных свай

Танг Ван Лам; Булгаков Б.И.; Александрова О.В.; Ларсен О.А.; Нго Суан Хунг; Динь Хай Нам

DOI: 10.12737/article_59cd0c58d1df44.27433944

1Танг Ван Лам, аспирант, 1 Булгаков Б.И., канд. техн. наук, доц., 1 Александрова О.В., канд. техн. наук, доц., 1Ларсен О.А., канд. техн. наук, доц., 1Нго Суан Хунг, аспирант, 2Динь Хай Нам, аспирант Национальный исследовательский Московский государственный

строительный университет 2Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat ENTPE

ПРИМЕНЕНИЕ РАСТВОРОВ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БУРОНАБИВНЫХ СВАЙ

[email protected]

Рассматриваются проблемы, связанные с необходимостью повышения несущей способности грунта при возведении свайных фундаментов в условиях аллювиальных почв в поймах крупных рек, и предлагаются технологические и конструктивные решения, направленные на повышение надежности фундаментов и снижение их материалоемкости.

Описывается метод увеличения несущей способности свайных фундаментов за счет расширения нижнего конца буронабивной сваи путём подачи воды под высоким давлением с последующим нагнетанием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола.

Этот метод обладает высокой эффективностью в случае, когда нижняя часть сваи защемлена в гравийном или скальном грунтах. Поскольку грунты, на которых расположен город Ханой (СРВ) по большей части слабые и рыхлые, то с помощью описанного метода можно повысить несущую способность свайных фундаментов при глубине их заложения от 40 до 65 м.

Ключевые слова: буронабивные сваи, тонкодисперсные вяжущие вещества, свайные фундаменты, несущая способность, уплотнение грунта, бетонные смеси, слабый грунт.

Введение. Ханой - столица Вьетнама и второй по численности населения город страны, которая постоянно растёт и скоро достигнет девяти миллионов жителей. Спрос на покупку жилья является весьма большим в крупных вьетнамских городах, в том числе и в Ханое, в котором в настоящее время широкое распространение получило строительство высотных зданий, а также большепролетных мостов, обширных подземных и многих других сооружений.

В работах [1, 2] сказано, что грунты Ханоя представляет собой пески, супеси, суглинки, а также болотистые и аллювиальные почвы Красной реки. Поэтому повышение несущей способности грунта является одной из важных задач, которую необходимо решать в ходе строительства при сооружении фундаментов высотных зданий и подземных сооружений. Особенно актуальной данная проблема становится если строительные участки расположены на аллювиальных почвах в поймах крупных рек.

В данной работе было проведено исследование возможности использования растворов тонкодисперсных вяжущих веществ для повышения несущей способности буронабивных свай во Вьетнаме.

Методология исследований. Интегрированный метод анализа с методом эксперимента.

Основная часть. На сегодняшний день известны различные способы повышения несущей способности грунтов при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений, из которых наиболее эффективным является сооружение свайных фундаментов. Сваи можно применять на различных, главным образом слабых грунтах. Исключение составляют скальные и крупнообломочные грунты. С учетом того, что забивание свай ударным способом в условиях плотной городской застройки недопустимо из-за динамических воздействий на фундаменты близлежащих зданий, наиболее распространенными в последние годы являются бурона-бивные сваи. Причем, их стоимость может составлять до 40 % от общей стоимости всего сооружения [3]. Поэтому одной из актуальных задач является снижение стоимости работ по сооружению фундаментов на буронабивных сваях, что может быть достигнуто увеличением их несущей способности за счет расширения нижнего конца сваи с помощью растворов на основе тон-

кодисперсных вяжущих веществ. Это метод позволяет значительно снизить затраты на строительство высотных зданий и сооружений.

Технология буронабивных свай давно и успешно применяется в Европе и с начала 90-х годов ХХ века начала завоевывать российский рынок. В строительной практике Вьетнама эта технология используется уже более двадцати лет

[4].

Буронабивные сваи, как следует из их названия, - это способ сооружения свай, который заключается в бурении скважин и последующим их заполнении бетонной смесью. При этом, бетонирование производится с применением металлической арматуры и как с использованием опалубки, так и без неё.

Применение традиционных свай при точечной застройке в условиях городского строительства часто вызывает разрушение и деформацию соседних зданий за счет большой динамической нагрузки, создаваемой при забивке свай. Кроме того, фундаменты высотных зданий в процессе эксплуатации должны выдерживать большие нагрузки, которым традиционные сваи не могут удовлетворять. Поэтому буронабивные сваи являются эффективным способом устройства свайных фундаментов, позволяющим решить эту проблему [5, 6].

Буронабивные сваи в строительстве нашли широкое применение прежде всего в сфере обустройства опорных конструкций для зданий и строений различного назначения. В работе [7] описаны основные случаи использования буронабивных свай:

1. В городских условиях, где другие методы забивки свай могут оказать разрушающее динамическое воздействие на окружающие постройки.

2. В сильно заболоченных местностях или при наличии различных типов слабых грунтов, когда их несжимаемый слой расположен слишком глубоко.

3. При строительстве домов на крутом рельефе местности.

4. В случае строительства промышленных зданий и объектов, обладающих большой массой.

Экономически нецелесообразно возведение такого типа фундаментов при строительстве легких каркасных зданий или деревянных построек

[7].

Для слабых рыхлых грунтов Ханоя бурона-бивные сваи - один из самых рациональных способов сооружения фундаментов при строительстве высотных зданий и других, в частности подземных сооружений. Диаметр таких свай составляет 0,8 -2,5 м, а глубина их заложения 40-65 м (рис. 1) [8].

Рис. 1. Буронабивные сваи при сооружении фундамента башни «DOLPHIN PLAZA» (Вьетнам)

Как и любой другой тип основания здания, ленточный фундамент с буронабивными сваями имеет свои достоинства и недостатки. К положительным сторонам подобного основания можно отнести [9, 10]:

- достаточно высокую оперативность возведения, позволяющую ускорить процесс строительства;

- практически полную независимость от характеристик грунта, так как данный тип основания отлично подходит как для нормальной

почвы, так и для слабого грунта. Кроме того, можно строить здания с подобным основанием на почвах, склонным к подвижкам;

- такой тип фундамента вполне пригоден для строительства массивных зданий, так как он способен спокойно выдерживать высокие нагрузки;

- данный фундамент выгоден в экономическом плане, так как не требует больших затрат материалов, а также использования сложного оборудования, кроме того, изготовить подобный фундамент можно, в том числе, и своими руками.

Основными недостатками буронабивных свайных фундаментов являются [11, 12]:

- повышенный расход бетонной смеси из-за отсутствия уплотнения грунта, соседствующего с изготавливаемой сваей;

- технологическая сложность монтажа буро-набивных свай;

- сложность контроля технологического процесса изготовления свай (особенно в условиях неустойчивых грунтов);

- большой разброс несущей способности однотипных свай в одинаковых геологических

условиях, что значительно затрудняет расчет несущей способности фундамента из буронабив-ных свай в целом;

- большие трудности очистки зоны под нижней частью сваи от осевшего рыхлого грунта, ила, пыли или глины, которую следует производить для обеспечения требуемой несущей способности свайного фундамента (рис. 2 и 3);

- при использовании основания данного типа крайне сложно оборудовать подвал или цокольный этаж здания.

Рис. 2. Недостатки буронабивных свай, проявившиеся при строительстве во Вьетнаме

Повышение несущей способности бурона-бивных свай может быть достигнуто двумя способами [13, 14]:

- виброштампованием бетонной смеси при бетонировании скважин;

- усилением грунтового основания ниже забоя скважины вибротрамбованием слоя щебня или гравия.

В работах [15-17] описаны способы повышения несущей способности грунтов основания фундаментов:

- инъекционные способы укрепления грунтов;

- армирование основания вспененными це-ментогрунтовыми растворами через направленные гидроразрывы;

- укрепление грунтов химическими и цементными растворами через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента;

- армирование оснований сваями-инъекто-рами;

- армирование оснований буронабивными элементами.

При сооружении свайных фундаментов во Вьетнаме с целью повышения их несущей способности в настоящее время широко используется метод расширения нижнего конца бурона-бивной сваи с помощью воды, подаваемой под высоким давлением, с последующим нагнета-

нием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола [18-20].

Технологическая схема данного способа приведена на рис. 4 и 5. Нагнетаемый раствор помимо цемента и воды содержит суперпластификатор и тонкодисперсные минеральные добавки, например, золу рисовой шелухи и золу-уноса ТЭС. На практике с помощью этого способа были получены хорошие результаты повышения несущей способности слабых грунтов, представленные в табл. 1.

В работах [15-17] описаны способы повышения несущей способности грунтов основания фундаментов:

- инъекционные способы укрепления грунтов;

- армирование основания вспененными це-ментогрунтовыми растворами через направленные гидроразрывы;

- укрепление грунтов химическими и цементными растворами через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента;

- армирование оснований сваями-инъекто-рами;

- армирование оснований буронабивными элементами.

При сооружении свайных фундаментов во Вьетнаме с целью повышения их несущей способности в настоящее время широко используется метод расширения нижнего конца бурона-бивной сваи с помощью воды, подаваемой под высоким давлением, с последующим нагнета-

нием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола [18-20].

Not to scale Approximate Tube Locations

2000 3000 4000 УЫоску (М^егЛсс)

Рис. 3. Результаты ультразвуковой дефектоскопии буронабивных свай 1 - буронабивная свая; 2 - слабый грунт; 3 - слой гравия или щебня; 4 - осевший рыхлый грунт, ил, пыль или

глина под нижним концом сваи

Технологическая схема данного способа приведена на рис. 4 и 5. Нагнетаемый раствор помимо цемента и воды содержит суперпластификатор и тонкодисперсные минеральные добавки,

например

©

ТЭС. На практике с помощью этого способа были получены хорошие результаты повышения несущей способности слабых грунтов, представленные в табл. 1.

золу рисовой шелухи и золу-уноса

т

ЙЖ

Рис. 4. Схема метода расширения нижнего конца буронабивной сваи с помощью воды, подаваемой под высоким давлением, с последующим нагнетанием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества

в нижнюю часть ствола сваи 1 - буронабивная свая; 2 - слабый грунт; 3 - слой гравия или щебня; 4 - осевший грунт под нижним концом сваи; 5 - трубы 0115 мм для бурения нижнего конца ствола сваи; 6 - буровая система; 7 - вода под высоким давлением; 8 - манометр; 9 - раствор тонкодисперсного вяжущего вещества

Таблица 1

Экспериментальные результаты испытаний буронабивных свай на сжатие под действием

статической нагрузки

Показатели Обычные буронабивные сваи Буронабивные сваи с расширенным с помощью раствора тонкодисперсного вяжущего вещества нижним опорным концом

Диаметром 1000 мм Диаметром 1500 мм Диаметром 1000 мм Диаметром 1500 мм

Глубина сваи, м 51,1 51,2 51,6 51,7

Расчетная нагрузка в тоннах 400 600 700 1000

Испытательная нагрузка в тоннах 750 1100 1400 1800

Рис. 5. Метод расширения нижнего конца буронабивной сваи путем подачи воды под высоким давлением с последующим нагнетанием в нижнюю часть свайного ствола раствора тонкодисперсного вяжущего Примечание: Метод 2 применяется в случае невозможности проведения работ по методу 1.

Согласно описанной технологии после добу-ревания нижнего конца сваи и проникновения в прочный слой гравия или щебня на глубину 5 ^ 10 см производят вымывание рыхлого грунта со

дна ствола сваи и уширение ее нижнего конца путем подачи воды под давлением 1 ^ 5 МПа (рис. 6-8).

Трубы 0115мм для бурения нижнего конца сваи

Трубы 060мм для ультразвуковой

проверки качества свайного ствола

Рис. 6. Установка труб для ультразвукового контроля качества ствола сваи и бурения ее нижнего конца

Рис. 7. Обустройство буровой установки и последующая подача воды под высоким давлением для вымывания

рыхлого грунта со дна ствола буронабивной сваи Подача воды Бак для

I хранения воды

Отвод воды с вымытыми Вода под давлением 1-5 МПа частцами слабого грунта

1- буронабивная свая диаметром 1,5м

2- слабый грунт

3- слой гравия или щебня

4- вымывание слабого грунта водой, подаваемой

под давлением

Рис. 8. Технологическая схема вымывания слабого грунта из-под нижнего конца буронабивной сваи

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Растворы на основе тонкодисперсных вяжущих веществ, как правило, приготавливают в смесителях принудительного действия непосредственно на строительной площадке. В случае большой потребности в растворных смесях они могут быть приготовлены в бетоносмесительных

установках на заводах с последующей транспортировкой в автобетоносмесителях к месту строительства.

После этого нагнетают приготовленный раствор тонкодисперсного вяжущего вещества под давлением 5 ^ 10 МПа через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для

создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола (рис. 9 и 10).

Зола-уноса тэс Зола рисовой шелухи Щ Вода 1;|!|; 1|

Манометр №2

Манометр №1

Силос цемента Смесительная Растворонасос установка

1- буронабивная свая диаметром 1,5м

2- слабый грунт

3- слой гравия или щебня

4- раствор тонкодисперсного вяжущего вещества

Рис. 9. Технологическая схема усиления нижнего конца буронабивной сваи с помощью раствора тонкодисперсного вяжущего вещества, подаваемого под давлением 5 ^ 10 МПа

Рис. 10. Нагнетание раствора тонкодисперсного вяжущего вещества под давлением в нижнюю часть

буронабивной сваи

Этот метод обладает высокой эффективно- повысить несущую способность свайных фунда-стью в случае, когда нижняя часть сваи защем- ментов при глубине их заложения от 40 до 65 м. лена в гравийном или скальном грунтах. По- Выводы. Опыт применения описанного ме-

скольку грунты, на которых расположен Ханой, тода сооружения свайных фундаментов в ходе в основном слабые, так как сложены рыхлыми породами, то с помощью этого метода можно

строительства некоторых высотных зданий в городе Ханой позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Путем применения растворов тонкодисперсных вяжущих веществ, подаваемых под давлением в нижнюю расширенную часть бурона-бивных свай, их несущая способность может быть повышена в 1,6 ^ 1,9 раза при сохранении их глубины, диаметра, а также объема используемой армирующей стали. За счет этого можно сократить количество свай в каждом ростверке фундамента, а также уменьшить объемы самих ростверков, что упростит производственные процессы и увеличит темпы строительства.

2. Этот метод эффективно применять для грунтов, в которых нижняя часть сваи опирается на плотный слой гравия или щебня, что характерно для инженерно-геологических условий Ханоя, а также для аллювиальных почв в поймах крупных рек на севере Вьетнама.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Nguyen Quang Chieu. Thiet ke va thi cong nen dáp tren dat yeu. Nha xuat bán Xay dung, nam 2004, 190 tr. (Нгуен Куанг Чиеу. Проектирование и строительство насыпей на слабых грунтах. Изд. Строительство. 2004. 190 с.).

2. Nguyen Uyen. Xu ly nen dat yeu trong xay dung. Nha xuat bán Xay dung, nam 2005, 210 tr. (Нгуен Уйен. Методы закрепления слабых грунтов в строительстве. Изд. Строительство. 2005. 210 с.).

3. Губатенко М.С. Обоснование структуры и рациональных параметров вибрационно-ради-ального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин под буронабивные сваи. Автореферат дис. к.т.н. Орел. 2011, 16 с.

4. Верстов В.В., Гайдо А.Н. Технология устройства свайных фундаментов. СПб., 2010. 180 с.

5. Полищук А. И. Основы проектирования и устройства фундаментов реконструируемых зданий. Томск, 2005. 427 c.

6. СП 24.13330.2011. Свайные фундаменты. Актуализированная редакция. М., 2011. 90 с.

7. Мангушев Р.А., Ершов А.В., Осокин А.И. Современные свайные технологии. СПб., 2010. 240 с.

8. Nguyen Van Quáng. Nen móng va tang ham nha cao tang// Nha xuat bán xay dung. Ha Noi 2006, 174 tr. (Нгуен Ван Куанг. Фундаменты и подвалы высотных зданий. Изд. Строительство. Ханой, 2006, 174 с.).

9. Верстов ВВ., Гайдо АН., Иванов Я.В. Производство шпунтовых и свайных работ. СПб., ЭБС АСВ, 2011, 292 с.

10. Nguyen Ba Ke. Thi cong coc khoan nhoi. Nha xuat ban xay dung Ha Noi, 2010, 258 tr. (Нгуен Ба Ке. Технология изготовления буронабивных свай. Изд. Строительство Ханой, 2010, 258 с.).

11. Буронабивные сваи: область применения и преимущества // ЗАО "ПСУ Гидроспецстрой" [Электронный ресурс]. URL:http://www.gssm.ru/.

12. Nguyen Viet Trung. Su co dien hinh trong thi cong mong coc khoan nhoi. Dai hoc giao thong van tai Ha Noi, 11/2004, 35 tr. (Нгуен Вьет Чунг. Типичные происшествия при строительстве свайных фундаментов // Ханойский транспортный университет, 11/2004, 35 с.).

13. МГСН 2.07-01. Основания, фундаменты и подземные сооружения. М., 2003, 41 c.

14. ОДМ 218.2.016-2011. Методические рекомендации по проектированию и устройству бу-ронабивных свай повышенной несущей способности по грунту. М., 2013, 30 с.

15. ТСН 50-306-2005. Основания и фундаменты повышенной несущей способности// Ростов-на-Дону, 2005, 39 c.

16. Богов С.Г. Проблемы устройства свайных оснований в городской застройке в условиях слабых грунтов Санкт-Петербурга // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2004. № 8. С. 119-127.

17. Nuzhdin L.V., Nuzhdin M.L., Kozminykh K.V. [et al.]. Evaluation of deformation properties of soils using a wedge dilatometer and improvement of forecast accuracy of buildings settlement. Proceedings of ATC7 Workshop, 18ICSMGE "Challenges and innovations in Geotechnics". Paris: Presses des Ponts, 2013, pp. 68-75.

18. Nguyen Van Khanh. Ung dung cong nghe thoi rua va bom phut vua vao day coc nham tang suc chiu tai cua coc khoan nhoi. De tai nghien cuu khoa hoc ma so 01C-04/01-2005-01. Ha Noi nam 2005, 63 tr. (Нгуен Ван Хань. Использование продувания и вымывания под нижним концом буронабивного сваи для увеличения ее несущей способности. Научно-исследовательский проект, шифр: 01C-04 /01-2005-01. Ханой 2005, 63 с.).

19. Tran Nhat Thanh, Nguyen Van Khanh. Thoi rua va bom phut vua gia cuong chan coc khoan nhoi// Tap chi Khoa hoc Cong nghe Xay dung 03/2006. Tr. 28-31. (Чан Нят Тхань, Нгуен Ван Хань. Применение воды под высоким давлением для вымывания рыхлого грунта из нижнего конца ствола буронабивного сваи и укрепления конца сваи с помощью растворной цементной смеси // Техника и технологии строительства. 2006. №3. C. 28-31.).

20. Nguyen Van Khanh. Tang cuong kha nang chiu tai cua mong coc khoan nhoi bang cong nghe thoi rua sau - mot ung dung dat hieu qua cao tren dia ban Ha Noi// Tap chi Khoa hoc Cong nghe Xay

dung 10/9-2011. Tr. 112-114. (Чан Нят Тхань, Повышение несущей способности буронабивных свай путем подачи воды под высоким давлением

в городе Ханой // Техника и технологии строительства. 2011. №9. C. 112-114.).

Информация об авторах

Танг Ван Лам, аспирант кафедры «Технологии вяжущих веществ и бетонов». E-mail: [email protected]