Безосадочные технологии усиления фундаментов зданий чувствительных к осадкам

Действующие МТСН регламентируют предельные дополнительные суммарные осадки зданий и сооружений, находящихся вблизи нового строительства в зависимости от категории их технического состояния. При этом суммарные осадки зданий должны включать технологические и эксплуатационные осадки, возникающие в процессе строительства и при эксплуатации здания.

Расчетами, выполняемыми при оценке влияния строительства на существующие здания определяются осадки только от эксплуатационных и строительных статических нагрузок. Технологические осадки, как правило, значительны и достигают величин, сопоставимых с осадками зданий от эксплуатационных нагрузок и осадок от влияния близ расположенного строительства. В приведенной ниже таблице даны приблизительные усредненные величины технологических осадок зданий при традиционных методах усиления их фундаментов, полученные при наблюдениях и мониторинге большого количества объектов в процессе проведения работ по усилению оснований и фундаментов.

Очевидно, что устранение причин технологических осадок при цементации оснований и фундаментов вполне достижимо, если увеличить промежутки времени между соседними закачками (увеличение «разбежки») и применять вращательное вместо ударного бурения скважин для цементации.

Значительно большие трудности по устранению технологических осадок возникают при устройстве буроинъекционных свай.

Мероприятия по устранению технологических осадок 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.

При бурении в водонасыщенных песчаных и супесчаных грунтах происходит повышенный вынос выбуренного грунта, особенно в случае бурения наклонных скважин для буроинъекционных свай. Объем выноса можно существенно снижать несколькими конструктивными и технологическими мероприятиями:

• увеличением диаметра ствола (трубы) 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;
• уменьшением давления на забой скважины при бурении, снижением скорости проходки скважин с расходкой инструмента (возвратно-поступательные движения бурового става) и затиркой стенок скважин глинистыми суспензиями.

Описанные конструктивные и технологические мероприятия по уменьшению выноса грунта при бурении скважин ведут, как правило, к удорожанию и повышению трудоемкости усиления фундаментов.

Значительное сокращение трудовых и материальных затрат при выполнении мероприятий по уменьшению выноса грунта при бурении скважин для буроинъекционных свай может дать применение бурового снаряда для уплотнения грунта в скважине по патенту № 2255183 [1] , предотвращающего заплывание скважин и снижающего технологическую осадку усиливаемого фундамента.

При проходке скважин буровым снарядом по патенту № 2255183 одновременно с бурением происходит уплотнение и затирка стенок скважин, что весьма полезно при неустойчивых водонасыщенных грунтах, стремящихся к «заплыванию» в скважины. Буровой снаряд по патенту № 2255183 состоит (рис.1) из конусообразного корпуса, выполненного вокруг центральной буровой полой штанги. В конусообразном корпусе выполнены отверстия для выхода излишков бурового промывочного раствора в процессе бурения. На нижнем конце полой буровой штанги закреплен породоразрушающий инструмент в виде шарошечного долота, диаметр которого меньше диаметра конуса корпуса. Работает снаряд следующим образом: после подсоединения снаряда к вращателю буровой машины и подачи бурового раствора к вращающемуся шарошечному долоту через центральную буровую штангу происходит погружение вращающегося снаряда в пробуриваемую скважину. При погружении и вращении снаряда происходит выбуривание и выход породы из скважины за счет промывки скважины через отверстия в корпусе снаряда. Поскольку диаметр породоразрушающего инструмента – шарошечного долота меньше диаметра вышерасположенного конусного корпуса, при бурении происходит уплотнение стенок скважины и их затирка конусными стенками корпуса бурового снаряда. За счет уплотнения грунта, окружающего скважину уменьшается объем выноса выбуренного грунта, а благодаря затирке стенки скважины увеличивается ее устойчивость. Излишки выбуренной породы выходят вместе с буровым раствором через отверстия в снаряде. Бетонирование скважины также можно осуществлять с помощью того же снаряда, погрузив его на забой пробуренной скважины, подавая в него после окончания бурения мелкозернистый бетон и постепенно извлекая его из скважины. Затем в заполненную бетоном скважину устанавливают арматурный каркас, на чем технологический процесс устройства буроинъекционной сваи с помощью бурового снаряда по патенту №2255183 завершается.

Рис.1 Буровой снаряд для уплотнения грунта в скважине

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

Бурение скважин в стенах и фундаментах для буроинъекционных свай, диаметр которых достигает 300-350мм часто производят сравнительно дешевым ударно-вращательным способом, что всегда сопряжено с интенсивным ударным динамическим воздействием на фундамент. При залегании под усиливаемыми фундаментами рыхлых песков, плотность которых уменьшилась в результате суффозии в процессе эксплуатации здания, в случае расслоения кладки бутовых фундаментов, дополнительные технологические осадки и деформации здания при бурении стен и фундаментов ударно-вращательным методом произойдут со 100% вероятностью. В этом случае цементация фундаментов и их оснований на глубину 1.5-2м перед бурением скважин для буроинъекционных свай способна несколько уменьшить технологическую осадку. Однако, радикальное уменьшение технологической осадки при бурении скважин в стенах и фундаментах дает применение станков алмазного сверления (например DR400 EURODIMA, HILTI и другое) с извлечением выбуренного керна. Очевидно, что такие работы, хотя и дорогостоящие по сравнению с ударно-вращательным методом, но способны полностью исключить динамическую часть технологической осадки, возникающей при проходке скважин в стенах и фундаментах ударно-вращательным способом.

Перед принятием решения о применении ударно-вращательной технологии проходки скважин в стенах и фундаментах рекомендуется выполнить их пробную пробивку с измерением параметров фактических колебаний (ускорений и амплитуд) фундаментов с последующим сравнением их с допускаемыми параметрами для различных зданий и групп грунтовых условий в соответствии с имеющимися ВСН [2] по проектированию свайных фундаментов в условиях реконструкции и городской застройки.

Важным мероприятием по снижению технологических осадок и удешевлению работ по усилению фундаментов является уменьшение диаметра скважин, пробуренных в стенах и фундаментах для буроинъекционных свай. Для того, чтобы уменьшение диаметра скважин в стенах и фундаментах не повлияло на уменьшение несущей способности свай можно применить способ устройства буроинъекционных свай по патенту № 2327007 [3] с использованием идеи струйного метода применительно к шнекому бурению скважин. В этом случае диаметр буроинъекционной сваи ниже подошвы фундамента получается большим диаметра пробуренной в нем скважины за счет размыва стенок скважины в грунте ниже подошвы водоцементной струей, исходящей с бурового долота полого герметичного шнека через установленные в нем мониторы (рис.2) и подаваемой под давлением 6-7 МПа через них. В сравнении с традиционной струйной технологией давление размыва 6-7 МПа является сравнительно низким, что не позволяет делать значительных по диаметру уширений, однако для целей увеличения диаметра скважины с 250 до 400 мм, как показывает опыт, является вполне достаточным. Кроме того, при таком сравнительно низком давлении применение струи является безопасным с точки зрения влияния на осадки усиливаемого фундамента. Способ дает возможность уширять скважину по всей ее длине, или только на заданных участках, а также дает возможность более полной передачи нагрузок от усиливаемых фундаментов на буроинъекционные сваи за счет устройства уширения ствола сваи непосредственно под подошвой фундамента.

Рис 2. График испытаний свай.

Рис. 2 Способ образования буроинъекционной сваи с уширением:

1 - скважина;

2 - полый герметичный буровой шнек ;

3 - баровое долото со сдвижным золотником;

4 - струйные мониторы;

5 - породоразрушающий инструмент;

6 - полость - уширение, заполненное смесью размытогогрунта и водоцементной смесью.

Нами были выполнены сваи по описанной технологии и проведены сопоставительные статические испытания [4] на площадке Старооскольского горнообогатительного комбината. Были испытаны статической нагрузкой сваи диаметром 250 мм без уширения и с уширением, выполненным по описанному способу. В свае диаметром 250 мм удалось сделать уширение по описанной выше струйной технологии в глинистом грунте до диаметра 400мм. Диаметр уширения установлен при откопке опытной сваи. Несущая способность сваи с уширением возросла в 1.5 раза по сравнению со сваей такого же диаметра без уширения. Сравнение несущих способностей свай, выполненных по патенту № 2327007 (графики испытаний свай №№4 и 6, рис.3,[4]_), буронабивной сваи диаметром 400мм, забивной сваи 30х30см при одинаковой длине всех испытанных свай, равной 10м показали их примерно одинаковые несущие способности. Данный способ можно применять при ударной проходке фундаментов, уменьшая диаметр пробиваемой скважины и, тем самым, снижая интенсивность динамического воздействия на фундамент и его технологическую осадку.

Рис. 3

Обозначения:

1 - свая забивная 300x300мм № 7;

2 - свая забивная 300x300мм № 9;

3 - буронабивная свая O 300-400мм № 11а;

4 - буроинъекционная свая O 300-400мм № 2 ;

5 - буроинъекционная свая O 180мм СО-1 ;

6 - буроинъекционная свая O 200мм И-2.

При бурении скважины происходит вынос грунта на поверхность земли, что приводит к ослаблению массива грунта в месте бурения, оплывания грунта в пробуренную полость скважины, релаксация природного напряженного состояния в массиве грунта и аварийным осадкам укрепляемых фундаментов и соседних зданий.

Наибольший интерес представляют, так называемые, активные способы устранения технологических осадок при устройстве буроинъекционных свай. К ним можно отнести:

• применение компенсационного нагнетания при опрессовке скважин для буроинъекционных свай;
• совмещение струйной и компенсационной технологий.

Первый из упомянутых активных способов заключается в восстановлении первоначального напряженного состояния в основании фундамента, имевшего место до начала бурения скважин для буроинъекционных свай вблизи него. Это достигается созданием в скважинах для буроинъекционных свай повышенных в сравнении с традиционными давлений опрессовки, которые должны быть не ниже 0,3-0,5 МПа. Традиционная конструкция бурового става позволяет создать избыточное давление в массиве грунта, не превышающее сопротивление грунтовой пробки, образующейся выше сдвижного золотника. Поскольку грунт в грунтовой пробке имеет разрушенную структуру, то он не способен оказывать сопротивление выдавливанию выше 0,1-0,2МПА, что недостаточно для восстановления первоначального напряженно-деформированного состояния в массиве грунта, существующего в нем до бурения скважины обычной глубины 15-20 метров, при котором первоначальное давление составляет 0,3-0,5 МПА. Тогда для восстановления первоначального давления в массиве и компенсации релаксации напряжений необходимо создать давление нагнетаемого бетона не менее 0,3-0,5 МПА.

Техническая задача разработанной полезной модели по патенту № 95687 [5] заключалась в создании конструкции бурового става способного создавать давление нагнетаемого бетона достаточное для восстановления первоначального давления в массиве грунта и компенсации релаксации природных напряжений. В обычных буровых ставах, представляющих собой традиционные полые шнеки такие избыточные давления опрессовки создать невозможно, так как происходит прорыв бетона из устья скважины уже при давлениях 0,1-0,2 МПа. В буровом ставе, полезной модели по патенту № 95687 (Рис.4) выполненном в виде колонны, состоящей из набора последовательно соединенных между собой полых герметичных шнеков, при этом первый головной шнек1 снабжен буровым наконечником и сдвижным золотником с окном для закачки бетона в скважину, между первым головным шнеком и последующими шнеками 3 установлен полый утолщенный герметичный шнек 2 , имеющий диаметр больше по сравнению с первым головным шнеком и последующими шнеками3 колонны, при этом длина и диаметр утолщенного шнека зависит от грунтовых условий и определяется расчетным путем. Благодаря такой конструкции бурового става при бурении скважины до заданной глубины и закачки бетона в скважину происходит формирование уплотненной грунтовой пробки между утолщенным шнеком и последующими шнеками. Это происходит за счет разности скоростей поступления грунта в суженной 4 и обычной частях 5 промежутков между стенкой скважины и колонной бурового става.

Рис. 4 Буровой став:

1 - первый буровой шнек;

2 - полый утолщенный герметичный шнек;

3 - последующий буровой шнек;

4,5 - полости в грунте, в которых образуется грунтовая пробка.

Данная конструкция бурового става с использованием патента № 95687 была успешно опробована при устройстве буроинъекционных свай диаметром 250 мм из бетона класса В25 для освоения подземного пространства Московской консерватории. При этом давление нагнетания для свай длиной 8м удалось поднять до 0,2-0,4 МПа в течении 3-5 минут без прорыва мелкозернистого бетона из устья скважины. После опрессовки скважины в нее устанавливалась стыкованная на месте труба диаметром 219мм. Для облегчения погружения трубы применялась специальная добавка при приготовлении мелкозернистого бетона, увеличившая его подвижность, замедляющая седиментацию песка на дно скважины. Кроме того, применялась специальная конструкция сварного быстромонтируемого стыка труб, что позволяло установить трубу в опрессованную скважину в минимальные сроки - в течение 15-20 минут.

Применение описанного комплекса активных мероприятий с использованием идеи компенсационного нагнетания при опрессовке скважин для буроинъекционных свай буровым ставом по полезной модели патента № 95687 показало, что технологические осадки усиливаемых фундаментов здания консерватории полностью отсутствовали.

Другим активным способом предотвращения технологических осадок является совмещение струйной и компенсационной технологий в способе подготовки основания в зоне городской застройки (заявка № 2010103598/03 , приоритет от 04.02.2010г., положительное решение Роспатента о выдаче патента на изобретение от 26.01.2011 г. [6]). Способ поддержания начального напряженно-деформированного состояния грунта в зоне фундамента существующего здания включает устройство в грунте геотехнического барьера и отличается тем, что с целью увеличения эффективности воздействия геотехнического барьера на основания фундаментов существующих зданий за счет управления траекторией воздействия геобаръера и увеличения объема грунта, в котором изменяется его напряженно-деформированное состояние, перед внедрением в грунт инъекторов (рис.5) 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 твердеющего раствора и последующего многократного нагнетания в полость твердеющего раствора до подъема фундамента на заданную отметку или остановки его осадки.

Рис.5 Технологическая схема способа совмещающего геобаръер и джет-размыв по заявке №2010103598/03, приоритет от 04.02.2010г., положительное решение Роспатента о выдаче патента на изобретение от 26.01.2011 г.

Способ осуществляют следующим образом (рис.5). Вначале бурят технологическую скважину(1) и устанавливают в нее кондуктор (2), причем диаметр кондуктора больше, чем диаметр технологической скважины. Затем кондуктор (2) заполняют цементным раствором и дают время для полного набора прочности залитого цементного раствора. Дальше разбуривают образовавшейся цементный камень внутри кондуктора (2), а саму технологическую скважину (1) добуривают до расчетной глубины (h), причем глубина технологической скважины (1) должна быть больше глубины залегания подошвы фундамента существующего сооружения(3). Затем в добуренную технологическую скважину (1) опускают специальный скважинный монитор (4), имеющий боковые насадки. К специальному скважинному монитору (2) подают цементный раствор. При этом через боковые насадки выходит высокоскоростная струя цементного раствора(5), которая производит размыв грунта, образуя в нем горизонтальную полость(6). Если специальный скважинный монитор (2) приводят во вращение вокруг вертикальной оси и одновременно начинают медленно поднимать, то в результате, по мере подъема вращаемого скважинного монитора (4), часть размытого вращаемой струей грунта ( в пределах радиуса размывающей способности струи скважинный монитор(4) и на его место устанавливают пакер (9). Одновременно забивают вертикальные манжетные инъекторы(8) таким образом, чтобы их отверстия располагались в размытой полости (6) или (7). И производят контролируемое нагнетания цементного раствора под давлением равным или превышающим давление под фундаментом. В процессе нагнетания ведут наблюдение за перемещением фундамента существующего здания и в соответствии с перемещениями меняют режим закачки цементного раствора. Таких режимов закачек может быть несколько, при этом каждый последующий с давлением, превышающем давление в предыдущем режиме закачки. После затвердевания цементного раствора образуется геотехнический барьер в виде горизонтального образования (6) или цилиндрической колонны (7). Данный способ находится в стадии разработки и требует опытной проверки.