Технологические осадки и способы их снижения

Действующие строительные нормы регламентируют предельные дополнительные суммарные осадки зданий и сооружений, находящихся вблизи нового строительства в зависимости от их категории технического состояния. При этом суммарные осадки зданий включают 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 нагрузок и не учитываются осадки, происходящие при укреплении фундаментов – так называемые технологические осадки. Технологические осадки, как правило, значительны и достигают величин, сопоставимых с эксплуатационными и строительными осадками. В данном разделе приведены некоторые способы снижения технологических осадок.

Причины возникновения технологических осадок

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.

Таблица 24.5.1
№ п/п Вид фундаментов Способ усиления Технологическая осадка, мм Причины технологических осадок
1 Бутовые и кирпичные ленточные, столбчатые Цементация фундаментов и контакта фундамент-грунт, инъекционное укрепление оснований 3-10 1.Динамическое воздействие на фундамент и стены при бурении скважин для инъекций.
2 .Повышение влажности основания и длительность твердения инъекционных растворов в грунте.
2 Бутовые,и кирпичные, бетонные ленточные, столбчатые Буроинъекционные сваи 5-20 1.Повышенный вынос грунта при бурении скважин в объеме большем объема бурового инструмента.
2.Динамическое воздействие на фундамент при проходке через него скважин для устройства буроинъекционных свай.
3.Недостаточная или несвоевременная опрессовка скважин
4. Усадка бетона в скважине

Примечание: Больших значений технологических осадок, приведенных в таблице, следует ожидать при наличии в основании усиливаемых фундаментов рыхлых песков,насыпных грунтов, высокого уровня подземных вод, низкой прочности кирпичной и бутовой кладок фундаментов, применении динамических методов бурения скважин, несоблюдении принципа работ «по захваткам» и др.

Для минимизации технологических осадок при проведении работ по п.1 таблицы 24.5.1 необходимо увеличить промежутки времени между соседними закачками (увеличение «разбежки»), применять вращательное вместо ударного бурения скважин в стенах и фундаментах для цементации, использовать ускорители твердения цемента и инъекционных растворов.

При устройстве буроинъекционных свай необходимы специальные мероприятия , способствующие минимизации технологических осадок укрепляемых фундаментов.

Мероприятия по устранению технологических осадок при устройстве буроинъекционных свай

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.

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 грунт забоя 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 [3], предотвращающего заплывание скважин и снижающего технологическую осадку усиливаемого фундамента, совмещающего активный и пассивный способы уменьшения технологических осадок.

Технологические осадки и способы их снижения

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

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. Работает снаряд (рис.24.5.1) 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 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 релаксацию напряжений, происходящую в результате выемки грунта из скважины при ее бурении. Излишки выбуренной породы выходят вместе с буровым раствором через отверстия 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. Затем в заполненную бетоном скважину устанавливают арматурный каркас, на чем технологический процесс устройства буроинъекционной сваи с помощью бурового снаряда по патенту №2255183 завершается. Буровой снаряд был испытан (рис.24.5.2,24.5.3), а затем внедрен при выполнении работ по усилению фундаментов по буроинъекционно-компенсационной технологии на ряде объектов в различных регионах РФ.

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.2.Общий вид бурового снаряда по патенту РФ №2255183

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.3 Выполнение бурения скважины с помощью бурового снаряда по патенту РФ №2255183

Данный способ прошел производственную проверку при выполнении работ по усилению фундаментов зданий по ул. Петровка, 26, стр.3, Покровский бульвар 11, Старооскольский горно-обогатительный комбинат и др.

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 др.) 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. 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, объема активной зоны компенсации напряжений вокруг буроинъекционной сваи и ее несущей способности применяется способ устройства буроинъекционных свай по патенту РФ № 109475 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 фундамента водоцементной струей, исходящей с бурового долота полого герметичного шнека через установленные в нем мониторы (рис.24.5.4) и подаваемой под давлением 6-7 МПа через них. Данный способ прошел производственную проверку при выполнении работ по усилению фундаментов зданий по ул. Петровка, 26, стр.3, Покровский бульвар 11, Старооскольский горно-обогатительный комбинат и др.

Технологические осадки и способы их снижения

Рис. 24.5.4 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;

5 - породоразрушающий инструмент;

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

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.5 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, так называемые, активные способы. К ним можно отнести:

  • применение компенсационного нагнетания повышенным давлением (0.3-0.5 МПа) 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 РФ № 95687 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.24.5.6,7) 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 шнеками 3 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.

Технологические осадки и способы их снижения

Рис. 24.5.6 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 - полости в грунте, в которых образуется грунтовая пробка.

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.7 Вид первого ( 168 мм) и второго (утолщенного189 мм ) шнеков в буровом ставе по патенту РФ № 95687

Другим возможным развитием активных способов управления напряженно-деформированным состоянием грунта и предотвращения технологических осадок является совмещение струйной и компенсационной технологий ( баръер-Jet) в способе подготовки основания в зоне городской застройки (патент РФ №2422592 ).

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.8 Технологическая схема способа по патенту РФ №2422592

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.24.5.8) 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.

Способ осуществляют следующим образом (рис.24.5.8). 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). Затем 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.

В случае продолжительных технологических осадок при устройстве буроинъекционных свай эффективным может быть применение другой конструкции буроинъекционной компенсационной сваи по патенту РФ №112913 (рис.9) . Данная свая 1 отличается тем, что в арматурный каркас 2,3 сваи при ее изготовлении установлены инъекторы 7 с резиновыми манжетами 5, позволяющими производить многократное нагнетание по аналогии с обычными манжетными инъекторами и при нагнетании в них твердеющего раствора компенсировать потерю уровня напряжений в окружающем грунте в результате релаксации при бурении скважины и предотвратить осадки фундаментов 9. Как и предыдущий способ, свая по патенту РФ №112913 требует производственной проверки.

Технологические осадки и способы их снижения

Рис.24.5.9 Конструкция компенсационной сваи по патенту РФ №112913

Выводы:

  1. Технологические осадки фундаментов зданий при их усилении достигают значительных величин, сопоставимых с осадками зданий от полезных нагрузок в течение их эксплуатации и осадок от влияния устройства вблизи них глубоких выемок.
  2. 2. 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. В качестве пассивных мероприятий можно рекомендовать способы снижающие вынос грунта и влияние на близрасположенные фундаменты зданий при бурении скважин для буроинъекционных свай по патенту № 2255183. Снижение динамических воздействий можно достигать путем применения алмазного сверления скважин в стенах и фундаментах, уменьшением диаметра сверления скважин с последующим устройством буроинъекционных свай по патенту № 109475.
  3. 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.
  4. 4. 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 по патенту полезной модели [4] патент № 95687;
    • совмещение струйной и компенсационной технологий [6] (патент № 2422592).
  5. . Для применения в проектах описанных методов снижения технологических осадок необходимо проводить опытные работы. Методика проведения опытных работ должна разрабатываться специализированными организациями с учетом описанных технических решений, защищенных упомянутыми патентами.

Примеры применения:

  1. Для создания повышенного давления опрессовки 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 [5] (2011 г.). 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 (суперпластификатор С-3) при приготовлении мелкозернистого бетона, увеличившая его подвижность, замедляющая седиментацию песка на дно скважины. Кроме того, применялась специальная конструкция сварного быстромонтируемого стыка труб по патенту №2467127 [10], что позволяло установить трубу в опрессованную скважину в минимальные сроки - в течение 5-10 минут. Применение описанного комплекса активных мероприятий с использованием идеи компенсационного нагнетания при опрессовке скважин для буроинъекционных свай буровым ставом по полезной модели патента № 95687 [4] показало, что технологические осадки усиливаемых фундаментов здания Московской консерватории полностью отсутствовали
  2. При усилении фундаментов Старооскольского горно-обогатительного комбината [1] , 2007, был применен способ образования буроинъекционной сваи с уширением с помощью струйного монитора по патенту РФ № 109475. Это дало возможность снизить диаметр скважин в существующих железобетонных фундаментах, подлежащих усилению, что в свою очередь минимально разрушило существующую арматуру. Кроме того струйный монитор был использован для создания уширений непосредственно под подошвой усиливаемых фундаментов и под нижним концом свай. Опрессовка давлением раствора 0,3-0,5 МПа свай с уширениями под подошвой фундаментов и под их нижними концами позволила увеличить объем активной зоны опрессовки и повысить их несущую способность в 1.5-2 раза и полностью исключить технологические осадки при усилении фундаментов 4-го корпуса Старооосткольского горно-обогатительного комбината буроинъекционными сваями. На рис. 24.5.9 приведены сопоставительные графики испытаний свай, выполненных по различным технологиям на площадке строительства Старооосткольского горно-обогатительного комбината.
Технологические осадки и способы их снижения

Рис. 24.5.9 Результаты сопоставительных испытаний свай . Свая 4- выполненная с «размытыми» уширениями в верхней части и под нижним концом сваи диаметром 400 мм с помощью струйного монитора по патенту РФ № 109475. Свая 6 выполнена по патенту РФ № 95687.

Литература

[1]Popsuenko I.K., Ph.D., SRIBUS Churilov N.G.,Ph.D., SIOCP, Bashkatov A.V., engineer, SRIBUS Peculiarities of Foundation Construction during Expansion of Concentrating Mill of Integrated Ore Concentration Plant in the City of Stary Oscol. Pr. XV-th European Conf., Alexandria, 2010.
[2]Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки. ВСН 490-87, Минмонтажспецстрой СССР, 1987.
[3]Попсуенко И.К. Буровой снаряд для уплотнения грунта в скважине. Патент на изобретение №2255183. Приоритет от 30.06.2004 г.
[4]Петрухин В.П., Попсуенко И.К., Шулятьев О.А. Буровой став. Патент на полезную модель №95687.
[5]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
[6]Способ поддержания начального напряженного-деформированного состояния грунта в зоне фундамента существующего здания. Патент № 2422592. Авторы: Попсуенко И.К., Шулятьев О.А. Бюл. № 18, 2011.
[7]Попсуенко И.К. Буроинъекционная компенсационная свая. Патент на полезную модель № 112913. Приоритет от 04.08.2011 г.
[8]. Попсуенко И.К. Буровой став со встроенными струйными мониторами. Патент на полезную модель №109475.Приоритет от 09.06.2011 г.
[9]. Буроинъекционная компенсационная свая. Патент на полезную модель № 112913. Авторы: Попсуенко И.К., Шулятьев О.А. Бюл. №3, 2012.
[10]Стыковое соединение секций труб сваи. Патент №2467127. Авторы: ЕрёминВ.Я., Ерёмин А.В., Петрухин В.П., Шулятьев О.А. Бюл. №19, 2012г.
каток грунтовый купить б у по доступной цене у нас