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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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 ).

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.

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.

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