МЕТОДИКА ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА КРЕПЛЕНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КОТЛОВАНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРУНТОВЫХ ИНЪЕКЦИОННЫХ АНКЕРОВ

Методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных

анкеров

А.Р. Халитова, С.А. Синенко Московский государственный строительный университет

Аннотация: В данной статье приведены существующие технологии устройства грунтовых анкеров - с обсадной трубой, без применения обсадной трубы и под глинистым раствором. Вследствие чего разработана методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных анкеров.

Ключевые слова: котлован, грунтовые анкера, ограждающие конструкции котлована, технология устройства.

Введение

Освоение подземных площадей в условиях плотной городской застройки является одним из самых важнейших и динамично развиваемых направлений в сфере строительства зданий и сооружений [1, 2].

На сегодняшний день подземное пространство используется не только для размещения инженерных коммуникаций и объектов транспортной инфраструктуры, но также и для строительства многоэтажных подземных автостоянок, заглубленных частей жилых или офисных зданий, общественно-бытовых комплексов, торговых предприятий, для строительства которых требуется устройство котлованов глубиной до 30м с ограждающими конструкциями [3].

Одним из методов крепления ограждающих конструкций глубоких котлованов при строительстве зданий и сооружений являются грунтовые инъекционные анкера [4, 5].

К преимуществам применения грунтовых анкеров относится удобство организации работ, возможность несимметричной разработки грунта котлована, экономичность для котлованов значительной площади, экономия

трудовых и материальных ресурсов, уменьшение продолжительности строительства [6,7].

Впервые данные конструкции были разработаны и применены немецкой компанией Bauer для крепления стен подвальных помещений новой студии Баварской радиовещательной корпорации, не прибегая к использованию распорок. Так, в 1958 году впервые была применена технология грунтовых анкеров для обеспечения устойчивости стен подвальных помещений новой студии Баварского радио в Мюнхене [8].

Позже, лицензия на патент была приобретена фирмами других стран, причем буроинъекционная технология стала бурно развиваться во Франции, Англии, США, Италии, Японии, Чехии, Словакии и т.д. В практике отечественного строительства технология крепления ограждающих конструкций котлованов грунтовыми анкерами применяется лишь в последние 30 лет [9].

Материалы и методы

Целью работы является разработка методики выбора технологии устройства грунтовых анкеров для крепления ограждающих конструкций котлована при строительстве зданий и сооружений.

Для достижения заданной цели были решены следующие задачи:

- анализ существующих технологий устройства грунтовых анкеров;

- определение факторов, влияющих на выбор технологии устройства грунтовых анкеров;

- установление зависимостей между выявленными факторами;

- расчет необходимых ресурсов для производства работ;

- расчет показателей калькуляции труда.

Результаты и обсуждение

Существуют три основные технологии устройства грунтовых анкеров

[10]:

- с обсадной трубой;

- без применения обсадной трубы;

- под глинистым раствором.

Технология устройства инъекционного анкера методом погружения обсадной трубы состоит из следующих операций:

1. Проходка скважины под защитой обсадной трубы с теряемым наконечником (рис.1а);

2. Погружение анкерной тяги внутри обсадных труб с последующей выбивкой теряемого наконечника (рис.1б);

3. Нагнетание инъекционного цементного раствора в корневую зону под давлением и заливка по свободной длине через обсадную трубу по мере ее подъема (рис.1в);

4. Натяжение анкера (рис.1г);

5. Закрепление анкера на проектное усилие после набора прочности цементным камнем корня (рис.1д);

Технология устройства инъекционного анкера без применения обсадной трубы состоит из следующих операций:

1. Бурение скважины (рис.2,а);

2. Погружение анкерной тяги с инъекционной трубкой в скважину (рис.2,б);

3. Заполнение скважины цементным раствором и технологическое ожидание в течение суток (твердение раствора в скважине) (рис.2,в);

4. Нагнетание воды под давлением по инъекционной трубке для прорыва цементной обоймы с последующим нагнетанием цементного раствора по инъекционной трубке (рис.2,г);

5. Натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности и его закрепление на ограждающей конструкции котлована (рис.5,д).

Рис. 1. - Последовательность устройства грунтовых анкеров с обсадной трубой; 1 - теряемый наконечник, 2 - корень, 3 - тяга, 4 - защитная труба, 5 - ограждающая конструкция,6 - опорный столик, 7 - стопорная гайка

Технология устройства грунтового анкера под глинистым раствором:

1. Бурение скважины под глинистым раствором;

2. Погружение анкерной тяги в скважину с изолирующей оболочкой и с инъекционными трубками;

3. Заполнение скважины цементным раствором и извлечение инвентарной инъекционной трубки;

М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/7006

4. Технологическое ожидание в течение суток (твердение раствора в скважине);

5. Нагнетание воды под давлением по инъекционной трубке для прорыва цементной обоймы;

6. Натяжение анкера после набора цементным раствором проектной прочности и его закрепление на ограждающей конструкции котлована.

Рис. 2. - Последовательность устройства грунтовых анкеров без применения

обсадной трубы

1 -обсадная труба, 2 - несущий элемент анкера, 3 - инъекционные трубки; 4 - обойменный цементный раствор, 5 - инъекционный цементный раствор; 6

- узел закрепления В зависимости от вида грунта, уровня грунтовых вод, конструкции грунтового анкера, наличия близлежащей застройки и инженерных коммуникаций определяется технология устройства грунтовых анкеров [11].

В слабых грунтах или при наличии близко расположенного уровня грунтовых вод используется наиболее безопасная технология устройства грунтовых анкеров - с применением обсадной трубы.

и

Технология устройства анкерных конструкций под глинистым раствором применяется при возведении зданий и сооружений в неустойчивых и водонасыщенных грунтах. Глинистый раствор создает избыточное давление, тем самым позволяя удерживать стенки скважин от разрушения.

Устройство анкерных конструкций без использования обсадной трубы осуществляется на стабильных грунтах, не склонных к обвалам, а также при низком уровне грунтовых вод.

На рис. 3 приведен алгоритм выбора технологии устройства грунтовых анкеров.

Рис. 3. - Алгоритм выбора технологии устройства грунтовых анкеров После определения технологии устройства грунтовых анкеров и в зависимости от наличия близлежащей застройки определяется способ проходки скважин.

При проходке скважин в сухих и устойчивых грунтах, где отсутствует возможность обрушений стенок скважины, как правило, используют вращательное бурение (шнек, ковшовый бур) без применения обсадной трубы.

Бурение скважин ударно-вращательным и виброударным способом осуществляется в глинистых грунтах, а также в плотных песках и супесях с твердыми включениями.

Выбор способа проходки скважин в зависимости от грунтовых условий приведен в таблице №1.

Таблица №1

Выбор способа проходки скважин в зависимости от грунтовых условий

Грунтовые условия Способ проходки скважин Технология устройства грунтовых анкеров

Глинистые грунты: твердые, полутверде и тугопластичные С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Без применения обсадной трубы

Без выемки грунта -вращательный способ пнев-мопробойником, раскатчиком

Сухие и маловлажные супесчаные грунты, смешанные грунты песчаного типа С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором

Без выемки грунта -пневмопробойником, раскатчиком, забивными или вибропогружными трубами с теряемым наконечником Под глинистым раствором

Слабые водонасыщенные песчаные и неоднородные глинистые грунты -мягкопластичные и текучие с прослоями песков и супесей С выемкой грунта -вращательный способ шнеками, ковшовым буром Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором

Без выемки грунта - забивными или вибропогружными трубами с теряемым наконечником, ударно-вращательный способ Без применения обсадной трубы

Техногенные грунты, скальные включения, наличие существующих фундаментов и т.д. Вращательное, ударно-вращательное колонковое бурение, шарошечное долото с промывкой или продувкой Под защитой обсадной трубы, под глинистым раствором

Вращательное бурение скважин шнеками или ковшовыми бурами производится в условиях стесненной городской застройки, где возникает опасность возникновения динамических нагрузок.

После определения технологии устройства грунтовых анкеров выполняется расчет необходимых ресурсов для производства работ:

1. Составление перечня применяемых машин и механизмов

Определение перечня применяемых машин и механизмов осуществляется в зависимости от объема, технологии устройства грунтовых анкеров, климатических условий, стесненности строительной площадки.

Подбор количества и типа машин и механизмов для производства работ ведется в два этапа.

На первом этапе производится определение требуемых технических характеристик ведущих машин и механизмов с предварительным подбором типов и марок техники.

На втором этапе рассматриваются наиболее оптимальные комплекты машин и механизмов.

Определение типа и количества основных машин и механизмов осуществляется путем сопоставления общей машиноемкости и требуемой продолжительности ведения работ.

Для устройства грунтовых анкеров применяются следующие виды машин и механизмов:

• Оборудование для образования скважин;

В качестве оборудования для образования скважин применяются буровые установки. Буровая техника подбирается в зависимости от глубины бурения, угла наклона, диаметра бурения и габаритов.

Устройство грунтовых анкеров, как правило, осуществляется с использованием универсальных буровых установок, которые помимо

бурения скважин позволяют выполнить установку несущего элемента анкера, подачу цементного раствора и извлечение обсадных труб.

• Оборудование для приготовления и нагнетания цементирующих растворов

Для приготовления цементирующих растворов применяются растворосмесители, для нагнетания смеси - растворонасосы.

• Оборудование для натяжения и закрепления анкеров

Гидравлические домкраты используются для натяжения и закрепления

тяги грунтовых анкеров: пряди, каната или стержневой рифленой арматуры.

Домкрат снабжен устройствами для захвата, натяжения и фиксации тяги грунтового анкера: пряди, каната или стержневой рифленой арматуры.

• Глиносмесительный узел

При устройстве грунтовых анкеров под глинистым раствором необходимо использование глиносмесительного узла.

Приготовление и очистка глинистого раствора производится на технологическом комплексе, который включает в себя: узел для приготовления глинистого раствора, в составе смесителя и дозатора, емкостей для хранения приготовленного глинистого раствора, насосов для перекачки глинистого раствора, складов для хранения глины и реагентов, узел очистки глинистого раствора.

• Оборудование для подачи материалов

Подача материалов и конструкций на монтажный горизонт осуществляется при помощи грузоподъемного крана. Подбор крана осуществляется исходя из максимальной массы поднимаемого элемента и необходимого вылета стрелы.

• Машины для доставки материалов и строительных конструкций на строительную площадку

М Инженерный вестник Дона, №5 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n5y2021/7006

Для доставки материалов и строительных конструкций на строительную площадку применяют автомобиль грузовой бортовой, автосамосвал или седельный тягач с полуприцепом.

2. Определение количества рабочих

Количественный состав рабочих определяется из соответствующей трудоемкости работ, квалификационный состав рабочих определяется из тарифно-квалификационного справочника.

Рациональный количественный состав звена при устройстве грунтовых анкеров приведен в таблице №2. Определение разряда рабочих осуществляется по действующему "Тарифно-квалификационному справочнику работ и профессий рабочих, занятых в строительстве и на ремонтно-строительных работах".

Таблица №2

Определение количественного и квалификационного состава рабочих

№ Наименование Разряд Кол-во, чел.

п/п

1 Машинист автокрана 5 1

2 Водитель автосамосвала - 1

3 Машинист бурового оборудования 5 1

4 Оператор растворонасосной установки 4 1

5 Оператор гидродомкратной установки 4 1

6 Монтажник 4 1

7 Монтажник 3 1

8 Монтажник 2 2

3. Определение количества материалов

Расчет количества материалов и конструкций, необходимых для устройства грунтовых анкеров, производится с учетом объемов работ и норм расхода, принятого в соответствующих нормативных документах.

и

После расчета необходимых ресурсов при устройстве грунтовых анкеров выполняется расчет показателей калькуляции труда:

1. Трудоемкость работ

Трудоемкость работ - это количество трудозатрат на объем работ в чел.-ч.

Трудоемкость работ определяется по формуле:

Т = Н вр-V,

где V - объем работ, Н^ - норма времени на единицу объема работ.

2. Машиноёмкость работ

Показатель машиноемкости работ отражает количество машинного времени на выполнение рассматриваемой работы в маш.-ч. Машиноемкость работ определяется по формуле:

Т = Н V,

м м.вр '

где V - объем работ; Нж вр - норма машинного времени на единицу объема работ.

3. Продолжительность работ

Продолжительность отражает количество времени, затрачиваемое на выполнение рассматриваемой работы.

Продолжительность работ зависит от показателя общей трудоемкости, количества рабочих в бригаде, количества бригад и сменности. Продолжительность работ вычисляется по формуле:

т

г =-,

N  п  к

где Т - трудоемкость работ; N - количество человек в бригад; п -количество бригад; к - количество смен.

4. Производительность работ

Производительность производства работ определяется объемом выполненных работ, произведенной за определенный период.

и

Производительность работ вычисляется по формуле:

р=V,

г

где V - объем работ в натуральном выражении; г - количество затрачиваемого времени.

5. Выработка

Выработка представляет собой объем строительно-монтажных работ, выполненный за определенный период времени и приходящийся на одного рабочего. Выработка рассчитывается по формуле:

V

V = —,

N

где V - объем работ в натуральном выражении; N - количество рабочих.

Выводы

Выбор технологии устройства грунтовых анкеров при строительстве зданий и сооружений зависит от ряда факторов: наличия близлежащей застройки и инженерных коммуникаций, геологических и гидрогеологических условий, конструкции грунтового анкера.

На основании вышеприведенных факторов была разработана методика выбора технологии устройства крепления ограждающих конструкций котлована с применением грунтовых инъекционных анкеров с определением выбора проходки скважин и расчетом необходимых ресурсов для производства работ и показателей калькуляции труда.

Перспективой развития исследований в данном направлении является апробация и внедрение разработанной методики на примере крепления ограждающей конструкции котлована при строительстве Многофункционального жилого комплекса в г. Москва.

Литература

1. Петрухин В.П., Колыбин И.В., Разводовский Д.Е. Ограждающие конструкции котлованов, методы строительства подземных и заглубленных сооружений // В книге: Российская архитектурно-строительная энциклопедия. Абрамчук В. П. и др., RUS, 2008. С. 212-219.

2. Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Освоение подземного пространства больших городов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2000. № 9. С. 157-160.

3. Аликрицких Е.Г., Казанков А.П., Васильчикова З.Ф. Проектирование ограждающих конструкций глубоких котлованов // В сборнике: Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. Самара, 2016. С. 229-231.

4. Осмачкин А. Применение грунтовых анкеров для укрепления строительных конструкций // Инженерная защита. 2014. № 5. С. 68-75.

5. Xanthakos P.P. Ground anchors and anchored structures. John Wiley & Sons — Inc. New York. 1991. 704 p.

6. Brandl H. Special Lecture: Underpinning // Proceeding of the Twelfth International Conference on Soil Mechsnics and Foundation Engineering. Rotterdam, 1992.

7. Аванесов В.С. Взаимодействие анкеров с окружающим грунтом и ограждающей конструкцией с учетом их линейных, нелинейных и реологических свойств // дис. канд. техн. наук. М., 2015.122 с.

8. Самохвалов М.А., Гейдт А.В., Паронко А.А. Обзор существующих конструкций буроинъекционных анкерных свай // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 12. С. 1530-1554.

9. Коньков Н.К., Матяшевич И.А., Солодников А.А. Применение анкеров в грунте для крепления стен подземной части гаража в Москве // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1977. № 4.С. 12-13.

10. Вахрушева Г.В., Кучукбаева К.А., Калошина С.В. Технологии устройства грунтовых анкеров // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2017. Т. 2. С. 166-173.

11. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С., Конюшков В.В., Осокин А.И., Сапин Д.А. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах // уч. пос. М.; СПб.: Изд-во АСВ, 2012. 266 с.

References

1. Petruhin V.P., Kolybin I.V., Razvodovskij D.E. Ograzhdayushchie konstrukcii kotlovanov, metody stroitel'stva podzemnyh i zaglublennyh sooruzhenij [A deep excavation construction experience using the jet grouting technology]. V knige: Rossijskaya arhitekturno-stroitel'naya enciklopediya. Abramchuk V. P. i dr., RUS, 2008. pp. 212-219.

2. Lerner V.G., Petrenko E.V., Petrenko I.E. Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. 2000. № 9. P. 157-160.

3. Alikrickih E.G., Kazankov A.P., Vasil'chikova Z.F. Proektirovanie ograzhdayushchih konstrukcij glubokih kotlovanov. V sbornike: Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arhitekture. Ctroitel'stvo. Samarskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. Samara, 2016. pp. 229-231.

4. Osmachkin A. Inzhenernaya zashchita. 2014. № 5. P. 68-75.

5. Xanthakos P.P. Ground anchors and anchored structures. John Wiley & Sons — Inc. New York. 1991. 704 p.

6. Brandl H. Special Lecture: Underpinning // Proceeding of the Twelfth International Conference on Soil Mechsnics and Foundation Engineering. Rotterdam, 1992.

7. Avanesov V.S. Vzaimodejstvie ankerov s okruzhayushchim gruntom i ograzhdayushchej konstrukciej s uchetom ih linejnyh, nelinejnyh i reologicheskih svojstv [Interaction of anchors with surrounding soil and enclosing structure taking into account linear, nonlinear and rheological properties]. diss. cand. tech. sciences. Moscow, 2015; P.122.

8. Samohvalov M.A., Gejdt A.V., Paronko A.A. Obzor sushchestvuyushchih konstrukcij buroin"ekcionnyh ankernyh svaj. Vestnik MGSU. 2019. T. 14. № 12. pp. 1530-1554.

9. Konkov N.K., Matyashevich I.A., Solodnikov A.A. Primenenie ankerov v grunte dlya krepleniya sten podzemnoj chasti garazha v Moskve. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 1977. № 4. pp. 12-13.

10. G.V. Vakhrusheva, K.A. Kuchukbaeva, S.V. Kaloshina Sovremennye tekhnologii v stroitel'stve. Teoriya i praktika. 2017. T. 2. P 166-173.

11. Mangushev R.A., Nikiforova N.S., Konyushkov V.V., Osokin A.I., Sapin D.A. Proektirovanie i ustrojstvo podzemnyh sooruzhenij v otkrytyh kotlovanah [Design and construction of underground structures in open pits] uch. pos. M.; SPb.: Izd-vo ASV, 2012. 266 p.