Безосадочные буроинъекционные компенсационные сваи

Действующие строительные нормы регламентируют предельные дополнительные суммарные осадки реконструируемых зданий и сооружений в зависимости от их категории технического состояния. При этом суммарные осадки включают конструктивные осадки, вызванные увеличением нагрузки на фундамент, технологические и эксплуатационные.

Технологические осадки, как правило, значительны и достигают величин сопоставимых с эксплуатационными и конструктивными осадками.

В приведенной ниже таблице даны приблизительные усредненные технологические осадки зданий при традиционных методах усиления их фундаментов, полученные при наблюдениях и мониторинге большого количества объектов в процессе проведения работ по усилению оснований и фундаментов и способы их минимизации.

Причины, величины технологических осадок и способы их минимизации

* Более высокие значения технологических осадок соответствуют наличию в основании усиливаемых фундаментов рыхлых песков, насыпных грунтов, высокого уровня подземных вод, низкой прочности кирпичной и бутовой кладок фундаментов, применению динамических методов бурения скважин, несоблюдении принципа работ «по захваткам» и т.п.

При устройстве буроинъекционных свай по п. 2 таблицы 1 следует выполнять мероприятия, способствующие минимизации технологических осадок укрепляемых фундаментов.

Мероприятия можно разделить на пассивные (профилактические) и активные.

К пассивным мероприятиям можно отнести различные приемы уменьшения выноса грунта при бурении скважин, снижение динамических и вибрационных воздействий на усиливаемые фундаменты (Табл. 1, п.1).

При бурении в водонасыщенных песчаных и супесчаных грунтах происходит повышенный (по сравнению с геометрическим объемом скважин) вынос выбуренного грунта, особенно в случае бурения наклонных скважин. Объем выноса можно существенно снизить несколькими конструктивными и технологическими мероприятиями:

• увеличением диаметра ствола (трубы) бурового шнека при сохранении наружного диаметра по реборде (уменьшением ширины реборды);
• уменьшением наклона скважин к вертикали, что требует, как правило «забуривания» скважин в стену укрепляемого здания или устройством вертикальных свай с объединением их ростверками, сопряженными с усиливаемыми фундаментами;
• снижением давления на грунт забоя скважины при бурении, снижением скорости проходки скважин с «расходкой» инструмента (возвратно-поступательные движения бурового става) и затиркой стенок скважин глинистыми суспензиями.
• применение раскатчиков или специальных буровых снарядов. Один из таких снарядов описан ниже.

Значительное сокращение трудовых и материальных затрат при выполнении мероприятий по уменьшению выноса грунта при бурении скважин для буроинъекционных свай может дать применение раскатчиков или специальных буровых снарядов, Один из таких снарядов представлен на рис.

Работает снаряд (рис.1,2) следующим образом: после подсоединения снаряда к вращателю буровой

Рис. 1 Буровой снаряд для уплотнения грунта в скважине патенту № 2255183

1 - буровой снаряд;
2, 3 - верхний и нижний усеченный конусы;
4 - буровая штанга (выполненная в виде трубы);
5 - породоразрушающий инструмент (шарошечное долото);
6 - внутренний канал;
7 - входные отверстия;
8- патрубки;
9 - выходные отверстия

Машины и подачи бурового раствора к вращающемуся шарошечному долоту 5 через центральную буровую штангу 4 происходит погружение вращающегося снаряда в пробуриваемую скважину. При погружении и вращении снаряда происходит выбуривание и выход породы из скважины за счет промывки через отверстия 7 в корпусе снаряда. Поскольку диаметр породоразрушающего инструмента – шарошечного долота меньше диаметра вышерасположенного конусного корпуса 3, при бурении происходит уплотнение стенок скважины и их затирка конусными стенками корпуса бурового снаряда при его принудительном погружении в скважину. За счет уплотнения грунта, окружающего скважину уменьшается объем выноса выбуренного грунта и происходит увеличение горизонтальных напряжений в грунте, а благодаря затирке стенки скважины увеличивается ее устойчивость. Уплотнение грунта приводит к росту кольцевых горизонтальных напряжений вокруг стенок скважины, что частично компенсирует уменьшение напряжений, происходящих в результате выемки грунта из скважины при ее бурении. Излишки выбуренной породы выходят вместе с буровым раствором через отверстия 7 в снаряде. Бетонирование скважины также осуществляется с помощью того же снаряда, погружением его на забой пробуренной скважины, подавая в него после окончания бурения мелкозернистый бетон и постепенно извлекая его из скважины с подачей мелкозернистого бетона с избыточным давлением 0,3-0,5 МПа. Избыточное давление создается за счет грунтовой пробки, сформированной над снарядом при извлечении его из скважины. Затем в заполненную бетоном скважину устанавливают арматурный каркас.

Рис. 2 Общий вид бурового снаряда по патенту РФ №2255183

Важным мероприятием по снижению технологических осадок и удешевлению работ по усилению фундаментов является уменьшение диаметра скважин, пробуренных в стенах и фундаментах для буроинъекционных свай без уменьшения диаметра самих свай. Для того, чтобы уменьшение диаметра скважин в стенах и фундаментах не повлияло на уменьшение диаметра сваи, под подошвой фундамента в стволе сваи выполняется уширение за счет размыва стенок скважины в грунте ниже подошвы фундамента водоцементной струей, исходящей с бурового долота полого герметичного шнека через установленные в нем мониторы (рис. 3, 4), патент РФ № 109475 и подаваемой под давлением 6-7 МПа через них.

Рис.3 Способ образования буроинъекционной сваи с уширением с помощью струйного монитора по патенту РФ № 109475

1 - скважина;
2 - полый герметичный буровой шнек ;
3 - баровое долото со сдвижным золотником;
4 - струйные мониторы, через которые под давлением 0,3-0,5 Мпа подается водоцементная струя;
5 - породоразрушающий инструмент барового долота ;
6 - полость - уширение,
заполненное смесью размытого
грунта и водоцементной смесью.

Рис. 4 Общий вид рабочего полого шнека со струйными мониторами по патенту РФ № 109475

Наибольший интерес в качестве мероприятий по уменьшению технологических осадок при устройстве буроинъекционных свай представляют т.н. активные мероприятия. К ним можно отнести:

• применение безосадочных буроинъекционных компенсационных свай;
• совмещение струйной и компенсационной технологий.

Первый из упомянутых способов заключается в восстановлении первоначального напряженного состояния грунтов в основании фундамента, существующего до бурения скважин для буроинъекционных свай. При обычной длине буроинъекционных свай 12-20 м бытовое давление в грунте под нижним концом свай составляет 0,2-0,4 МПа. Для эффективной компенсации уменьшения напряжений в грунте, возникающего от образования в грунте полости - скважины, необходимо приложить давление опрессовки не менее 0,3-0,5 МПа по всей высоте скважины.

Для этого применяется специальный буровой став, способный создавать давление нагнетаемого мелкозернистого бетона, достаточное для восстановления первоначального напряженного состояния. Отличие его от обычных буровых ставов заключается в том, что в буровом ставе 1,3 (рис.5,6) по патенту РФ № 95687 имеется утолщенный шнек 2. Благодаря такой конструкции бурового става при бурении скважины до заданной глубины и закачки бетона в скважину происходит формирование уплотненной грунтовой пробки – грунтового «сальника»- своеобразного пакера между утолщенным шнеком и последующими шнеками. Образование пакера происходит за счет разности скоростей поступления грунта в суженной 4 и обычной 5 части скважины. Наличие грунтового «сальника» позволяет создать давление опрессовки до 0,5 МПа.

Рис. 5 Буровой став по патенту РФ № 95687 .

1 - первый буровой шнек (стандартного диаметра);
2 - полый утолщенный герметичный шнек;
3 - последующий буровой шнек; (стандартного диаметра);
4,5 - соответственно суженная и обычная части скважины.

Рис. 6 Стандартный (слева, диаметром 168 мм) и утолщенный (справа, 189 мм) шнеки, патент РФ № 95687.

Другим возможным развитием активных способов управления напряженно-деформированным состоянием грунта и предотвращения технологических осадок является комбинация струйной и компенсационной технологий ( геобаръер-Jet) .

Рис.7 Технологическая схема способа по патенту РФ №2422592. 1-технологическая скважина, 2-кондуктор, 3-фундамент, 4-скважинный монитор, 5-jet струя,6,7 –размытые полости, 8-манжетные инъекторы, 9-пакер.

Способ поддержания начального напряженно-деформированного состояния грунта в зоне фундамента существующего здания включает устройство в грунте геотехнического баръера и отличается тем, что с целью увеличения эффективности воздействия геотехнического баръера на основания фундаментов существующих зданий за счет управления траекторией воздействия геобаръера и увеличения объема грунта, в котором изменяется его напряженно-деформированное состояние (активной зоны воздействия компенсационных напряжений), перед внедрением в грунт инъекторов (рис.7) в зоне нагнетания цементного раствора через предварительно пробуренную скважину диаметром меньшим диаметра инъектора производят размыв полости в грунте с помощью штанги с монитором для выхода высоконапорной струи цементно-бентонитового раствора с заполнением образовавшейся полости тем же раствором, после этого в скважину погружают инъектор, делают выдержку до достижения прочности цементно-бентонитового раствора 30-35% от проектной, затем производят нагнетание цементного раствора в инъектор для создания дополнительного напряженно-деформированного состояния в массиве грунта, окружающем образовавшуюся полость.

Данный способ можно применять для выправления, остановки осадки фундаментов здания сооружения, заключающийся в подъеме фундаментов путем размыва под их подошвой полости высоконапорной струей и последующего многократного нагнетания в полость твердеющего раствора до подъема фундамента на заданную отметку или остановки его осадки.

Для восстановления напряженно-деформированного состояния грунта, измененного при устройстве свай может быть применена компенсация за счет инъекции раствора в контакт между сваей и грунтом через заложенные в тело сваи при ее бетонировании трубки.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Петрухин В.П., Шулятьев О.А., Попсуенко И.К., Мозгачёва О.А. Опыт устройства буроинъекционных свай при реконструкции московской консерватории им. П.И.Чайковского/ Сб. научн. тр. №100 НИИОСП им. Н.М.Герсеванова, 2011.