Безударные технологии погружения свай и шпунта


Сборные железобетонные сваи, изготавливаемые на заводах, имеют определенные преимущества по сравнению с монолитными, устраиваемыми на месте. Прежде всего, это относится к надежности и качеству материала ствола.


С другой стороны, процесс погружения сборных свай забивкой или с помощью вибропогружателей неизбежно связан с возникновением и  распространением в окружающем грунтовом массиве динамических воздействий. В последние годы ограничению применения источников шума, импульсных и вибрационных нагрузок в грунте в городах и, прежде всего, в Москве и Санкт-Петербурге придается большое значение. В Москве с 2000 года запрещено погружение свай забивкой в пределах большей части городской территории.
 

В этих условиях создание безударных технологий и оборудования для погружения свай и шпунта достаточно актуально.
 

Термин «безударные технологии» определяет технологии, построенные на использовании специальных мобильных установок, работающих в режимах квазистатического вдавливания сборных бетонных, железобетонных, деревянных и стальных элементов.
 

При всей привлекательности метода вдавливания у оборудования для его реализации в те времена имелись серьезные недостатки. Прежде всего следует отметить низкую производительность, обусловленную большим количеством вспомогательных операций. Только в последние годы усилиями прежде всего санкт-петербургских строителей удалось создать новые модели мобильных установок, отличающихся довольно высокой производительностью.


Б.В. Гончаровым и Ю.Д.Трояновским показано, что вдавливание -наименее энергоемкий процесс по сравнению с забивкой и вибропогружением. В 1988 г. во ВНИИГСе экспериментально определено, что энергоемкость погружения сваи длиной 12 м сечением 35 х 35 см в глинистые грунты составляет: 190х102кДж(при вдавливании), 290х102кДж (при забивке механическим молотом массой 4 т), 606х10кДж (при забивке дизель молотом С-1047), 670 х 10 кДж (при вибропогружении ВП-1).
 

Основные положения Технического задания сводились к следующему:

  • Установка должна быть полностью автономной, способной работать на отдаленных площадках без вспомогательных машин и механизмов (автокранов, бульдозеров и т.п.), без источников электроэнергии. Установка должна разгружать сваи и подтаскивать их в монтажную зону.
  • Установка должна самостоятельно погружаться на транспортные средства и разгружаться с них.
  • Установка должна погружать сваи с усилием не менее 180 тс, металлический шпунт – с усилием не менее 300тс. Выдергивающее усилие должно быть не менее 60 тс. Режимы погружения: квазистатический, вибропогружение и забивка, а также их сочетания: вибровдавливание и добивка на фоне вдавливания.
  • Установка должна погружать сваи вплотную с существующими стенами.
  • Погружение элементов должно выполняться под углом до 20 градусов, в том числе от себя и под себя.
  • Возможность перемещения и работы на неровных площадках, с плохим покрытием, давление на основание под опорами установки не должно превышать  10 т/кв.м.
  • Возможность работать в режиме, исключающем любые динамические воздействия на окружающую среду.
  • Возможность погружать головы свай ниже поверхности грунта.
  • В случаях необходимости установка должна иметь возможность блокирования с вспомогательными навесными механизмами и устройствами: вибропогружателем, буровым оборудованием, импульсным добойником и др.
  • Установка должна изготавливаться на российских заводах из отечественных материалов и изделий.

Все поставленные в «Техзадании» требования были выполнены при конструировании серии установок СВУ. Все детали и комплектующие изделия – производства России, базовая машина-кран РДК-250 совместного производства СССР и ГДР. Конструирование установок выполнено к.т.н. Литвином О.В. Созданные машины защищены четырьмя патентами России.
 

В настоящее время установки СВУ выпускаются на заводе «Тайзер - СЗМИ» в г. Саратове. Успешно эксплуатируются в Москве, Саратове, Астрахани, Перми, Казани, Калининграде, Самаре, Волгограде, Ростове-на-Дону, Ярославле, Ижевске  и других городах России.
 

За последние три года удалось очертить область применения способа вдавливания свай и шпунта, в которой он наиболее эффективен.
 

Устройство свайных фундаментов и ограждений котлованов при строительстве новых объектов рядом с существующими.


Создание геотехнических экранов и разделительных стен в грунте.


Примеры проектных решений:


В условиях исторической застройки городов часто приходится строить новые дома вплотную к существующим. Как правило, новые здания устраиваются с развитой подземной частью. Таким образом, несмотря на небольшой объем, каждая такая новостройка, особенно в сложных грунтовых условиях, содержит достаточно трудную геотехническую задачу и далеко не всегда строители подготовлены к их решению. К сожалению, примеров нарушения и разрушения соседних зданий при новом строительстве такое множество, что здесь не хочется выделять какой-то один.


Приведем примеры нормального решения проблемы с помощью установки СВУ. В центре Москвы, на Пречистенской набережной в условиях плотной малоэтажной застройки в 2000-04 годах был построен ряд элитных зданий вплотную к существующим. Грунтовые условия современной пойменной террасы Москвы-реки достаточно сложны. Существующая застройка фундирована, как правило, на ленточных фундаментах, иногда на деревянных сваях. Требовалась определенная деликатность в работах в исторической застройке, но при этом методы строительства должны были быть конкурентоспособны по срокам и стоимости. Подрядчики остановились на сваевдавливании и ни разу не пожалели впоследствии об этом. Более пяти тысяч сборных железобетонных свай длиной 9-14 метров были погружены рядом со старыми домами, в том числе одна тысяча практически вплотную с существующими фундаментами.


Особенно эффективным оказалось вдавливание свай на строительстве жилого дома с заглубленным цокольным этажом. Сваи крайних рядов строящегося дома, расположенные на расстоянии 30-50 см от стены прилегающего существующего четырехэтажного бесподвального дома, были вдавлены до откопки котлована на 2 метра ниже отметки существующего рельефа и, помимо основной, выполняли функцию защиты грунтового основания при последующей откопке котлована ниже отметки подошвы существующих фундаментов.


Погружение свай до отрывки котлована имеет еще одну важную особенность. Оно позволяет резко сократить время водопонизительных и других проблемных работ при открытом котловане, уменьшить риск промораживания грунтов основания и др.


Новый архитектурный прием - строительство вставок между существующими домами, весьма перспективный, однако трудно реализуемый до последнего времени из-за возможного негативного влияния нового сооружения на старые. Вдавливание свай позволило очень просто решить вопрос фундирования 14-ти этажной вставки на ул.Милашенкова в Москве, запроектированной между двумя 12-ти этажными домами более ранней постройки.


Хорошо известны и широко используются в строительной практике различные методы устройства разделительных экранов и стен в грунте. Обычно используют забивку или вибропогружение металлического шпунта, труб, прокатных профилей или выполняют траншейную «стену в грунте». В последние годы стало привычным использование завинчиваемых металлических свай и секущихся железобетонных свай. Известные методы имеют свои преимущества и недостатки, свою область применения. В ряде случаев некоторые из них просто недопустимы, их использование приводит к повреждению и разрушению защищаемых зданий. Слабые грунты склонны к динамической неустойчивости, в виде уплотнения, разжижения и разупрочнения, плотные и среднеплотные пески склонны к дилатантному разуплотнению при бурении в них скважин. В результате, устройство «защитных» стен очень часто приводит к обратному эффекту. Наш многолетний опыт обследования деформированных зданий показал, что в подавляющем числе случаев конечные осадки сооружений на динамически неустойчивых грунтах  определяются не влиянием нового сооружения, а прежде всего зависят от технологии «защитных» мероприятий.


В Санкт-Петербурге устройство защитной разделительной стены между существующим и вновь сооружаемым домом из буровых свай диаметром  1 м длиной  м привело к полному разрушению существующего жилого дома.


По контрасту с негативным опытом разработанная в НИИОСП сваевдавливающая техника и технология позволяют устраивать геотехнические экраны и стены в грунте без реально ощутимых воздействий на существующие объекты.


В Москве на улице Шарикоподшипниковая в 2002 году по проекту института Моспромпроект в торец к существующему семиэтажному кирпичному дому был пристроен 14-ти этажный крупнопанельный жилой дом. Существующий дом построен в 1950 году на бутовых ленточных фундаментах. Состояние дома, определенное по методике Москомархитектуры, оценивалось как неудовлетворительное. Никаких работ рядом с домом до проведения усиления основания и надземных конструкций не допускалось. Дополнительная осадка, вызванная пристройкой нового дома, не должна была превышать мм.


Проектируемый дом фундировался на ленточных фундаментах из сборных железобетонных подушек, давление под лентой, примыкающей к существующему дому превышало 3 кгс/кв.см. Расстояние между наружными краями фундаментов существующего и вновь строящегося домов  равнялось  20 см.


Расчеты показали, что средняя осадка нового дома составит – 12 см, а осадка прилегающей стены существующего дома- 8 см. С одной стороны, допустить такую осадку для дома –категории не представлялось возможным. С другой стороны, никакой из известных методов усиления не гарантировал от сверхнормативных осадок эксплуатируемого дома. Первоначальный проект усиления зоны примыкания предусматривал устройство более ста буроинъекционных свай, пробуриваемых через тело существующих ленточных фундаментов и стен подвала. Проект был отклонен подрядчиком из-за сжатых сроков строительства.


В сложившейся ситуации естественным представлялся метод устройства защитного геотехнического экрана вдоль торца существующего дома в месте примыкания к новостройке.


Проект защиты был составлен Л-38 НИИОСП. Проектом предусматривалось устройство разделительной (противодеформационной) стенки из металлических двутавровых балок, вдавливаемых в грунт квазистатическим усилием сваевдавливающей установки. Длина балок принималась из условия заглубления нижних концов в слой моренной глины до достижения несущей способности, гарантированно превышающей величину силы «негативного» трения на боковой поверхности балки при осадке грунта в основании нового фундамента.

 

Вдавливание было выполнено установкой СВУ-В-6, сопротивление вдавливанию в слое песка не превышало 20 тс и доводилось до 50 тс при заглублении в слой моренных суглинков. Осадки старого дома при вдавливании составили 1 мм, после окончания строительства – 3 мм, средняя осадка новогодома – 80 мм, осадка торцевой стены – 76 мм. Никаких изменений состояния старого дома проводимым мониторингом не зафиксировано. Экономическое сравнение проектного варианта с другими возможными техническими решениями, показало, что он дешевле способа усиления основания торцевой части старогодома буроинъекционными сваями  в три раза, а срок выполнения работ (две смены) во много раз меньше, чем при любом известном способе.

 

Особенность разделительных стен из вдавливаемых элементов состоит в возможности их устройства под наклоном к вертикали. Это бывает удобно  в стесненных условиях, а также выгодно при оптимальном проектировании ограждения котлованов. Наклонные элементы позволяют защищать существующую застройку при проходке инженерных коммуникаций и т.п.

 

Вдавливание металлических и деревянных элементов для ограждения котлованов оказалось самым экономичным и гибким способом (исключая забивку, как заведомо неприемлемую по экологическим соображениям). Вдавливание позволяет использовать такой строительный материал как пилолес и его производные: брус, кант и др.

 

Применение металлических швеллеров и двутавровых балок позволяет  оптимизировать их поперечное сечение по длине с учетом действующих усилий, а также создавать сварные профили, наиболее подходящие в конкретных грунтовых условиях. Использование  накладок из металлического листа усиливает профиль в зоне  действия максимального изгибающего момента и одновременно позволяет снизить опорное давление на грунт.

 

Все известные конструкции свай и шпунта, погружаемые в грунт различными молотами или вибропогружателями, могут быть успешно вдавлены установкой СВУ-В-6. Кроме этого имеются специальные конструкции свай, наиболее эффективные и надежные, применение которых возможно только методом вдавливания и, в отдельных случаях, только установкой СВУ-В-6.

 

Прежде всего, это относится к сваям без поперечного армирования, разработанным еще в 1960 годах и не применявшихся все это время из-за высокого процента разрушения стволов при забивке. Метод вдавливания дал вторую жизнь этим чрезвычайно экономичным конструкциям свай. Новейшие технологии безопалубочного формования таких свай позволят по прогнозу в несколько раз увеличить объем их использования на геотехническом рынке.

 

Сваи пирамидальные с небольшим (до 4%) продольным уклоном граней в ряде грунтовых условий обладают повышенной по сравнению с призматическими несущей способностью за счет возникающего распора.

 

Сваи с переменным по длине сечением особенно эффективны в грунтовых условиях второго типа по просадочности, а также в составе больших групп.

 

Сборные железобетонные составные сваи с безметальным стыком значительно экономичнее традиционных.

Комбинированные сваи с телескопическим строением ствола позволяют получать несущую способность в два-три раза более усилия вдавливания за счет их устройства по методу «top-down».

 

Выводы. Рассмотренные технические и технологические возможности новой установки СВУ позволяют рекомендовать ее для использования в сложных условиях городской застройки.