СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСНОВАНИЯ ИЗ БУРОВЫХ СВАЙ
METHOD FOR MANUFACTURING OF FOUNDATION FROM BORING PILES

Изобретение относится к области геотехнического строительства, а именно к изготовлению буронабивных и буроинъекционных свай в сложных грунтах, содержащих спорадически представленные аномально слабые или рыхлые, легко уплотняющиеся зоны, например, при наличии в основании рыхлых песков с непредсказуемо меняющейся формой подошвы их залегания. Изобретение может также применяться при установлении и ликвидации зон аномально разуплотненных грунтов при глубинном их уплотнении.
Строительные нормы и правила (СНиП) и Свод правил (СП) допускают опирать нижние концы забивных свай на рыхлые пески, но при этом несущую способность требуют определять по результатам статических испытаний этих свай [СНиП 2.02.03-85 (п.4.3) и СП 50-102-2003 (п.7.2.3)]. В этом случае эффективность применения забивных свай сводится к нулю, так как стоимость проведения статического испытания одной сваи в разы превышает стоимость самой сваи вместе с ее погружением. Кроме того, названные нормы [СНиП 2.02.03-85 (п.4.11) и СП 50-102-2003 (п.7.2.13)] требуют учитывать силы отрицательного (негативного) трения грунта на боковой поверхности свай, возникающие при осадке околосвайного грунта, у которого не завершился процесс консолидации. В строительных нормах и правилах не оговорены допущения и условия возможности опирания нижних концов буровых свай на рыхлые пески, из чего следует, что буровые сваи должны прорезать всю толщу рыхлых песков. В сложных грунтовых условиях при проектировании всегда предусматривают заглубление буровых свай в толщу грунтов, залегающих ниже подошвы рыхлых песков. Глубину кровли грунтов, подстилающих рыхлые пески, устанавливают по данным инженерно-геологических изысканий. Нормы [СП 50-102-2003, приложение В] требуют выполнять геологоразведочные скважины при исследовании грунтов для зданий и сооружений 1 (повышенного) уровня ответственности по сетке 20×20 м, а точки зондирования по сетке 10×10 м. Для менее ответственных зданий сетка геологоразведочных точек исследования грунтов основания еще больше. При таком редком расположении разведочных скважин напластования грунтов между разведочными скважинами могут существенно отличаться. При проектировании свайного основания принимают глубину залегания рыхлых песков или других легко сжимаемых грунтов в основании по максимальной глубине, установленной в геологоразведочных точках исследования вокруг рассматриваемого участка свайного поля. Расстояние в свету между стволами буровых свай, установленное нормами, не должно быть менее 1 метра [СНиП 2.02.03-85 (п.7.9) и СП 50-102-2003 (п.8.13)]. Таким образом, между ближайшими геологоразведочными скважинами могут размещаться десятки свай, заглубление которых принято в запас надежности с явным превышением, из-за незнания реальной нижней границы залегания рыхлых песков или других легко сжимаемых грунтов.
Известен способ изготовления буронабивной сваи в грунте, включающий образование скважины, установку арматурного каркаса и заполнение скважины бетонной смесью. При этом проходку скважины и установку арматурного каркаса осуществляют одновременно, с помощью электрогидравлического устройства, разрядную головку которого располагают на нижнем торце арматурного каркаса. Укладку бетонной смеси осуществляют одновременно с заглублением электрогидравлического устройства и арматурного каркаса (SU №906194, Е02D 5/34, Е02D 11/00, опубликовано 07.12.92, бюллетень №45).
Однако скорость проходки скважины электрогидравлическим устройством небольшая, поэтому трудоемкость способа весьма велика. Очень сложно гарантировать должное качество, в частности обеспечить требуемую величину защитного слоя бетона. При образовании скважины с одновременным погружением арматурного каркаса и заполнением формируемой скважины бетонной смесью всегда остаются разные по длине части недопогруженных арматурных каркасов, так как в случае спорадического залегания рыхлых песков или других легко сжимаемых грунтов формирование скважины (и соответственно сваи) будет заканчиваться на разных по глубине уровнях.
Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости, расхода материалов и энергии на создание свайного основания без снижения несущей способности последнего за счет максимально возможного использования прочностных свойств сложного грунтового основания, включающего спорадически представленные зоны рыхлых песков или других легко сжимаемых грунтов, особенно если нижняя граница их залегания в пределах строительной площадки резко меняется от одной геологоразведочной точки исследования грунтов к другой.
Для решения этой задачи известный способ изготовления свайного основания из буровых свай, включающий образование в грунте скважины, подачу в нее текучего твердеющего материала, формирование ствола сваи дискретными силовыми импульсными воздействиями и армирование сваи (при необходимости), дополнен следующими операциями.
До начала массового изготовления свай в каждом свайном кусте в первую очередь изготавливают по крайней мере одну разведочную сваю. Местоположение разведочных свай в кусте определяют в точках, преимущественно наиболее удаленных от центра каждого куста свай в направлении ближайших к каждому кусту точек инженерно-геологических изысканий грунтов основания, в которых были обнаружены зоны рыхлых песков или других легко сжимаемых грунтов (далее - зоны легкоуплотняемых грунтов), поддающиеся уплотнению при воздействии на них силовыми импульсами. Длину этих разведочных свай, т.е. глубину скважин для этих свай, принимают по данным инженерно-геологических изысканий в ближайших точках. При этом длина каждой разведочной сваи должна, безусловно, обеспечивать ее гарантированное заглубление в плотные грунты, подстилающие наиболее глубоко залегающие легкоуплотняемые грунты, обнаруженные в ближайших к рассматриваемому кусту свай точках инженерно-геологических исследований грунтов основания. Разведочную скважину заполняют текучим (пластичным) твердеющим материалом, преимущественно цементным раствором или бетонной смесью подвижностью П-4…П-5, при этом предварительно, или одновременно, или после заполнения скважины текучим твердеющим материалом погружают в скважину оборудование, с помощью которого создают дискретные динамические возмущения в локальных точках, фиксируемых по глубине скважины. В качестве источника таких импульсных возмущений могут быть использованы известные взрывогенератор или электродная система, где между электродами в подвижной бетонной смеси, представляющей псевдожидкость, происходит высоковольтный электрический разряд (электрический пробой в подвижной бетонной смеси). Могут использоваться и другие источники, создающие дискретные импульсы давления. Одновременно с погружением в скважину источника динамических импульсных воздействий, начиная с глубины близкой к подошве наиболее высоко залегающего нижнего слоя зоны легкоуплотняемых грунтов, уровень которых установлен в ближайших к разведочной свае точках инженерно-геологических исследований грунта основания, осуществляют дискретные силовые импульсные воздействия. После каждого импульса источник динамических воздействий погружают в скважину на определенный шаг (расстояние между отдельными точками воздействий по глубине скважины), который устанавливают исходя из требуемой точности определения нижней границы залегания слабых грунтов, т.е. залегания их подошвы (кровли плотных грунтов). Оптимальное расстояние по длине разведочной сваи между точками создания импульсных возмущений не должно превышать двух диаметров рабочей сваи. Высокое давление, создаваемое в момент импульса, воздействует на текучий твердеющий материал, которым заполнена скважина и который передает энергию импульсного воздействия в окружающий грунт, с определенными потерями энергии на рассеивание и уменьшение удельной энергии за счет ее распределения в возрастающем объеме по мере удаления от источника возмущения. В локальной зоне вокруг источника возмущения за счет динамического воздействия грунт уплотняется, а текучий твердеющий материал мгновенно заполняет освободившийся за счет уплотнения грунта объем. В устье скважины отчетливо наблюдается резкое снижение уровня твердеющего материала, в частности пластичной бетонной смеси. Если импульсное воздействие в скважине происходит в месте, где скважиной был вскрыт пласт зоны легкоуплотняемых грунтов, то в устье скважины будет наблюдаться провальное падение бетонной смеси. Провальным следует считать снижение уровня текучего твердеющего материала, в 5 и более раз превышающее снижение уровня твердеющего материала при осуществлении импульсных воздействий вне зоны легкоуплотняемых грунтов. На протяжении всей зоны легкоуплотняемых грунтов будут наблюдаться провальные осадки текучего твердеющего материала в устье скважины в качестве реакции на уплотнение грунта при осуществлении динамических импульсных воздействий в этой зоне. Погружая до забоя скважины источник импульсных возмущений, с одновременным созданием динамических импульсов, устанавливают нижнюю границу наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов. Настоящее изобретение направлено на установление нижней границы наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов путем фиксации расхода текучего твердеющего материала после каждого импульса. Если разведочная свая в дальнейшем используется как рабочая свая, то после определения подошвы наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов разведочную сваю доделывают до состояния проектной рабочей сваи. Для этого уплотняют грунт под нижним концом сваи согласно требованиям СНиП 3.02.01-87 п.11.20 или п.12.3.8 Инструкции по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений в Москве, 2001 г., затем обрабатывают ствол сваи, армируют сваю и формируют оголовок в соответствии с требованиями ТР 50-180-06. После установления нижней границы (подошвы) наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов сопоставляют полученную информацию о положении нижней границы зоны легкоуплотняемых грунтов с данными инженерно-геологических изысканий (или проекта). Разведочные сваи могут быть как рабочими сваями в составе свайного куста, так и исключительно разведочными, при этом в последнем случае диаметр скважины может быть уменьшен до размера, позволяющего погружать в скважину источник импульсных воздействий, а в качестве текучего твердеющего материала может использоваться менее дорогой материал. Глубину проходки скважин остальных свай в этом кусте корректируют в соответствии с изогипсами максимальной глубины залегания подошвы зоны легкоуплотняемых грунтов, полученными по результатам пробного уплотнения грунта в разведочных сваях с учетом данных инженерно-геологических изысканий.
Глубину проходки скважин для следующего куста свай корректируют в соответствии с изогипсами максимальной глубины залегания подошвы зоны легкоуплотняемых грунтов, полученными по результатам уплотнения грунта в разведочных сваях соседних кустов свай и с учетом данных инженерно-геологических изысканий. При необходимости и в следующем кусте выполняют разведочные сваи, длину которых принимают уже с учетом глубины залегания зоны легкоуплотняемых грунтов, установленных в соседних кустах свай.
Можно погрузить источник импульсных воздействий сразу на забой разведочной скважины и импульсные воздействия по обнаружению нижней границы залегания зоны легкоуплотняемых грунтов начинать снизу вверх.
При изготовлении свайного основания из буровых свай в составе сплошного свайного поля в грунтах, содержащих спорадически представленные зоны легкоуплотняемых грунтов, выше описанный заявляемый способ дополнен следующими операциями.
Вначале, до массового изготовления свай свайного поля, на основании анализа данных инженерно-геологических изысканий определяют точки, в которых изготавливают разведочные сваи. Глубина скважин для этих свай принимается в проекте свайного поля по данным инженерно-геологических изысканий. При этом принятая длина каждой разведочной сваи должна, безусловно, обеспечивать ее заглубление в плотные грунты, подстилающие наиболее глубоко залегающие зоны легкоуплотняемых грунтов, обнаруженные в ближайших точках инженерно-геологических исследований грунтов.
Полученную информацию о нижней границе наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов зоны сопоставляют с данными инженерных изысканий (или проекта). Длина свай, расположенных рядом, корректируется по результатам пробного уплотнения грунта в разведочной свае и данным инженерно-геологических изысканий. Расстояние между разведочными сваями и точками инженерно-геологических исследований грунтов выбирают в зависимости от наклона слоев и выдержанности границ между слоями. При невыдержанных границах между слоями (уклон более 0,1) и выклинивании слоев сетку разведочных свай следует сгущать.
При изготовлении свайного основания из буровых свай в составе сплошного свайного поля в основании, содержащем спорадически представленные зоны рыхлых песков (или других, легко уплотняющихся грунтов), до массового изготовления свай свайного поля на основании анализа данных инженерно-геологических изысканий определяют точки, в которых были обнаружены зоны легкоуплотняемых грунтов, залегающие наиболее глубоко. Начинают изготавливать разведочные сваи на том участке свайного поля, который ближе всего находится к точкам исследования, в которых были обнаружены зоны легкоуплотняемых грунтов, залегающие наиболее глубоко. Глубина скважин для этих свай принимается в проекте свайного поля по данным инженерно-геологических изысканий. При этом принятая длина каждой разведочной сваи должна, безусловно, обеспечивать ее заглубление в плотные грунты, подстилающие наиболее глубоко залегающие зоны легкоуплотняемых грунтов, обнаруженные в ближайших точках инженерно-геологических исследований грунтов. После фиксации нижней границы наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов завершают изготовление рабочей сваи. Изготовление следующих рабочих разведочных свай осуществляют в направлении ближайших точек инженерно-геологических исследований основания, в которых подошва зоны легкоуплотняемых грунтов залегает выше. Длину рабочих разведочных свай уменьшают с учетом установленного факта залегания зоны легкоуплотняемых грунтов в ранее изготовленных разведочных сваях. Полученную информацию о нижней границе наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов сопоставляют с данными инженерных изысканий (или проекта) и корректируют длину свай, расположенных рядом. В этом случае предпочтительнее всего разведочные сваи использовать в дальнейшем в качестве рабочих свай, так как количество разведочных свай становится достаточно значительным. Рабочая разведочная свая отличается от рабочей сваи только тем, что при изготовлении первой уделяют больше внимания фиксации нижней границы зоны легкоуплотняемых грунтов.
Импульсную обработку грунта под нижним концом рабочих разведочных свай осуществляют до достижения отказа уплотнения грунта. После достижения отказа в уплотнении грунта проверяют его плотность под нижним концом сваи, после чего формируют ствол сваи.
Заявляемый способ поясняется следующим примером его реализации (см. чертеж).
Для изготовления свайного поля в соответствии с заявляемым изобретением по материалам инженерно-геологических изысканий грунтов определяют максимальные глубины залегания подошвы участка рыхлых песков или других мало прочных грунтов (зоны легкоуплотняемых грунтов). Определяют места размещения длинных разведочных свай, например посредине между ближайшими точками инженерно-геологических исследований основания. Выполняют в грунте скважину диаметром, соответствующим диаметру рабочей сваи, в выбранной точке свайного поля, глубина проходки которой превышает глубину залегания подошвы зоны легкоуплотняемых грунтов с учетом коэффициента надежности. Заполняют скважину бетонной смесью подвижностью П-4…П-5, с извлечением инструмента, формирующего скважину. Погружают в скважину, заполненную бетонной смесью, оборудование, с помощью которого будут создаваться динамические импульсные воздействия, обеспечивающие уплотнение грунта в локальной зоне, окружающей источник возмущения. В качестве источника возмущений может быть применен известный взрывогенератор, использующий в работе бинарные взрывчатые смеси, компоненты которой до смешения не являются взрывчатыми веществами, например перекись водорода и горючее, четырехокись азота и горючее. Может применяться электродная система, где между электродами в подвижной бетонной смеси периодически происходит высоковольтный электрический разряд-пробой, в момент пробоя электрическая энергия преобразуется в другие ее виды, включая ударную волну и механическое смещение бетонной смеси, или другие источники, создающие импульсы давления. В результате импульсного воздействия высокого давления на бетонную смесь, в локальной зоне, вокруг источника возмущения грунт уплотняется, и подвижная бетонная смесь мгновенно заполняет освободившийся за счет уплотнения грунта объем. В устье скважины отчетливо наблюдается резкое снижение уровня бетонной смеси, как правило, на несколько миллиметров. Если импульсное воздействие в скважине происходит в месте, где скважиной был вскрыт пласт легкоуплотняемых грунтов, в устье скважины будет наблюдаться провальное падение уровня бетонной смеси, измеряемое десятками миллиметров, что позволяет судить об обнаружении зоны легкоуплотняемых грунтов. Погружая до забоя скважины источник возмущения с одновременным созданием силовых импульсов, устанавливают нижнюю границу наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов. Эта нижняя граница могла бы быть принята за максимальную глубину рядом расположенных свай, однако длина свай должна быть увеличена на требуемый нормами коэффициент надежности.
Как показали теоретические исследования наряду с экспериментальным опробованием, длина свай, принятая только по данным инженерно-геологических изысканий, оказывалась значительно больше. За счет уточнения глубины залегания нижней границы зоны легкоуплотняемых грунтов, в пределах свайного поля достигался эффект сокращения общей длины свай на 10…20%, что выражается в существенном снижении расхода материалов и времени изготовления свай без снижения их несущей способности.
Таким образом, впервые предоставляется возможность изготавливать свайное основание из буровых свай, повторяющее природное залегание прочных грунтов.
В известный способ изготовления свайного поля из буровых свай введены дополнительные операции:
- выделение в пределах свайного поля некоторого числа свай, которые изготавливают в первую очередь, так называемых разведочных свай, длину которых определяют по материалам инженерно-геологических изысканий в ближайших точках исследования грунта и результатам расчета несущей способности свай по грунту, с учетом максимальной глубины залегания зоны легкоуплотняемых грунтов;
- после заполнения скважины бетонной смесью, до формирования тела сваи, осуществляют пробные воздействия в дискретно расположенных точках по глубине скважины одиночными импульсами давления, начиная с кровли наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов;
- источник импульсов перемещают по глубине скважины после каждого воздействия постепенно до забоя скважины;
- по расходу твердеющего материала после каждого импульса фиксируют верхнюю и нижнюю границы наиболее глубоко залегающей зоны легкоуплотняемых грунтов;
- формируют разведочную сваю по программе рабочей сваи;
- на основании информации, полученной о максимальной глубине залегания зоны легкоуплотняемых грунтов, данных инженерно-геологических изысканий в ближайших точках исследования грунта и результатам расчета несущей способности свай по грунту, корректируют длину свай между ближайшими разведочными сваями.