Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moscow, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
Discusses the problems associated with the need to increase the bearing capacity of soil during the construction of pile foundations in conditions of alluvial soils in the floodplains of major rivers, and offers technological and design solutions aimed at improving the reliability of the foundations and reduce their material intensity. Describes a method to increase the bearing capacity of pile foundations by means of extension of the lower end of bored piles by spraying water under high pressure with subsequent injection of a solution of a particulate binder through a drilled well in the lower part of the pile shaft for the establishment of a permanently solid connection between its lower end and a soil layer of gravel or crushed stone at the bottom of the pile trunk. This method has a high efficiency in the case where the lower part of the pile is clamped in gravel or rocky soil. Because the soil on which the city of Hanoi (Vietnam) for the most part weak and loose, using the described method it is possible to increase the bearing capacity of pile foundations in the depth of their laying from 40 to 65 m.
bored pile, finely dispersed binders, pile foundations, bearing capacity, soil compaction, concrete mix, weak ground
Введение. Ханой – столица Вьетнама и второй по численности населения город страны, которая постоянно растёт и скоро достигнет девяти миллионов жителей. Спрос на покупку жилья является весьма большим в крупных вьетнамских городах, в том числе и в Ханое, в котором в настоящее время широкое распространение получило строительство высотных зданий, а также большепролетных мостов, обширных подземных и многих других сооружений.
В работах [1, 2] сказано, что грунты Ханоя представляет собой пески, супеси, суглинки, а также болотистые и аллювиальные почвы Красной реки. Поэтому повышение несущей способности грунта является одной из важных задач, которую необходимо решать в ходе строительства при сооружении фундаментов высотных зданий и подземных сооружений. Особенно актуальной данная проблема становится если строительные участки расположены на аллювиальных почвах в поймах крупных рек.
В данной работе было проведено исследование возможности использования растворов тонкодисперсных вяжущих веществ для повышения несущей способности буронабивных свай во Вьетнаме.
Методология исследований. Интегрированный метод анализа с методом эксперимента.
Основная часть. На сегодняшний день известны различные способы повышения несущей способности грунтов при строительстве жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений, из которых наиболее эффективным является сооружение свайных фундаментов. Сваи можно применять на различных, главным образом слабых грунтах. Исключение составляют скальные и крупнообломочные грунты. С учетом того, что забивание свай ударным способом в условиях плотной городской застройки недопустимо из-за динамических воздействий на фундаменты близлежащих зданий, наиболее распространенными в последние годы являются буронабивные сваи. Причем, их стоимость может составлять до 40 % от общей стоимости всего сооружения [3]. Поэтому одной из актуальных задач является снижение стоимости работ по сооружению фундаментов на буронабивных сваях, что может быть достигнуто увеличением их несущей способности за счет расширения нижнего конца сваи с помощью растворов на основе тонкодисперсных вяжущих веществ. Это метод позволяет значительно снизить затраты на строительство высотных зданий и сооружений.
Технология буронабивных свай давно и успешно применяется в Европе и с начала 90-х годов ХХ века начала завоевывать российский рынок. В строительной практике Вьетнама эта технология используется уже более двадцати лет [4].
Буронабивные сваи, как следует из их названия, – это способ сооружения свай, который заключается в бурении скважин и последующим их заполнении бетонной смесью. При этом, бетонирование производится с применением металлической арматуры и как с использованием опалубки, так и без неё.
Применение традиционных свай при точечной застройке в условиях городского строительства часто вызывает разрушение и деформацию соседних зданий за счет большой динамической нагрузки, создаваемой при забивке свай. Кроме того, фундаменты высотных зданий в процессе эксплуатации должны выдерживать большие нагрузки, которым традиционные сваи не могут удовлетворять. Поэтому буронабивные сваи являются эффективным способом устройства свайных фундаментов, позволяющим решить эту проблему [5, 6].
Буронабивные сваи в строительстве нашли широкое применение прежде всего в сфере обустройства опорных конструкций для зданий и строений различного назначения. В работе [7] описаны основные случаи использования буронабивных свай:
1. В городских условиях, где другие методы забивки свай могут оказать разрушающее динамическое воздействие на окружающие постройки.
2. В сильно заболоченных местностях или при наличии различных типов слабых грунтов, когда их несжимаемый слой расположен слишком глубоко.
3. При строительстве домов на крутом рельефе местности.
4. В случае строительства промышленных зданий и объектов, обладающих большой массой.
Экономически нецелесообразно возведение такого типа фундаментов при строительстве легких каркасных зданий или деревянных построек [7].
Для слабых рыхлых грунтов Ханоя буронабивные сваи – один из самых рациональных способов сооружения фундаментов при строительстве высотных зданий и других, в частности подземных сооружений. Диаметр таких свай составляет 0,8 -2,5 м, а глубина их заложения 40-65 м (рис. 1) [8].
Рис. 1. Буронабивные сваи при сооружении фундамента башни «DOLPHIN PLAZA» (Вьетнам)
Как и любой другой тип основания здания, ленточный фундамент с буронабивными сваями имеет свои достоинства и недостатки. К положительным сторонам подобного основания можно отнести [9, 10]:
- достаточно высокую оперативность возведения, позволяющую ускорить процесс строительства;
- практически полную независимость от характеристик грунта, так как данный тип основания отлично подходит как для нормальной почвы, так и для слабого грунта. Кроме того, можно строить здания с подобным основанием на почвах, склонным к подвижкам;
- такой тип фундамента вполне пригоден для строительства массивных зданий, так как он способен спокойно выдерживать высокие нагрузки;
- данный фундамент выгоден в экономическом плане, так как не требует больших затрат материалов, а также использования сложного оборудования, кроме того, изготовить подобный фундамент можно, в том числе, и своими руками.
Основными недостатками буронабивных свайных фундаментов являются [11, 12]:
- повышенный расход бетонной смеси из-за отсутствия уплотнения грунта, соседствующего с изготавливаемой сваей;
- технологическая сложность монтажа буронабивных свай;
- сложность контроля технологического процесса изготовления свай (особенно в условиях неустойчивых грунтов);
- большой разброс несущей способности однотипных свай в одинаковых геологических условиях, что значительно затрудняет расчет несущей способности фундамента из буронабивных свай в целом;
- большие трудности очистки зоны под нижней частью сваи от осевшего рыхлого грунта, ила, пыли или глины, которую следует производить для обеспечения требуемой несущей способности свайного фундамента (рис. 2 и 3);
- при использовании основания данного типа крайне сложно оборудовать подвал или цокольный этаж здания.
|
|
|
Рис. 2. Недостатки буронабивных свай, проявившиеся при строительстве во Вьетнаме
Повышение несущей способности буронабивных свай может быть достигнуто двумя способами [13, 14]:
- виброштампованием бетонной смеси при бетонировании скважин;
- усилением грунтового основания ниже забоя скважины вибротрамбованием слоя щебня или гравия.
В работах [15–17] описаны способы повышения несущей способности грунтов основания фундаментов:
- инъекционные способы укрепления грунтов;
- армирование основания вспененными цементогрунтовыми растворами через направленные гидроразрывы;
- укрепление грунтов химическими и цементными растворами через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента;
- армирование оснований сваями-инъекторами;
- армирование оснований буронабивными элементами.
При сооружении свайных фундаментов во Вьетнаме с целью повышения их несущей способности в настоящее время широко используется метод расширения нижнего конца буронабивной сваи с помощью воды, подаваемой под высоким давлением, с последующим нагнетанием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола [18–20].
Технологическая схема данного способа приведена на рис. 4 и 5. Нагнетаемый раствор помимо цемента и воды содержит суперпластификатор и тонкодисперсные минеральные добавки, например, золу рисовой шелухи и золу-уноса ТЭС. На практике с помощью этого способа были получены хорошие результаты повышения несущей способности слабых грунтов, представленные в табл. 1.
В работах [15–17] описаны способы повышения несущей способности грунтов основания фундаментов:
- инъекционные способы укрепления грунтов;
- армирование основания вспененными цементогрунтовыми растворами через направленные гидроразрывы;
- укрепление грунтов химическими и цементными растворами через инъекционные трубки, устанавливаемые в теле фундамента;
- армирование оснований сваями-инъекторами;
- армирование оснований буронабивными элементами.
При сооружении свайных фундаментов во Вьетнаме с целью повышения их несущей способности в настоящее время широко используется метод расширения нижнего конца буронабивной сваи с помощью воды, подаваемой под высоким давлением, с последующим нагнетанием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола [18–20].
|
|
|
|
Рис. 3. Результаты ультразвуковой дефектоскопии буронабивных свай
1 – буронабивная свая; 2 – слабый грунт; 3 – слой гравия или щебня; 4 – осевший рыхлый грунт, ил, пыль или глина под нижним концом сваи
Технологическая схема данного способа приведена на рис. 4 и 5. Нагнетаемый раствор помимо цемента и воды содержит суперпластификатор и тонкодисперсные минеральные добавки, например, золу рисовой шелухи и золу-уноса ТЭС. На практике с помощью этого способа были получены хорошие результаты повышения несущей способности слабых грунтов, представленные в табл. 1.
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Схема метода расширения нижнего конца буронабивной сваи с помощью воды, подаваемой
под высоким давлением, с последующим нагнетанием раствора тонкодисперсного вяжущего вещества
в нижнюю часть ствола сваи
1 – буронабивная свая; 2 – слабый грунт; 3 – слой гравия или щебня; 4 – осевший грунт под нижним концом сваи; 5 – трубы Ø115 мм для бурения нижнего конца ствола сваи; 6 – буровая система; 7 – вода под высоким давлением; 8 – манометр; 9 – раствор тонкодисперсного вяжущего вещества
Таблица 1
Экспериментальные результаты испытаний буронабивных свай на сжатие под действием статической нагрузки
|
Показатели |
Обычные буронабивные сваи |
Буронабивные сваи с расширенным с помощью раствора тонкодисперсного вяжущего вещества нижним опорным концом |
||
|
Диаметром 1000 мм |
Диаметром 1500 мм |
Диаметром 1000 мм |
Диаметром 1500 мм |
|
|
Глубина сваи, м |
51,1 |
51,2 |
51,6 |
51,7 |
|
Расчетная нагрузка в тоннах |
400 |
600 |
700 |
1000 |
|
Испытательная нагрузка в тоннах |
750 |
1100 |
1400 |
1800 |
Рис. 5. Метод расширения нижнего конца буронабивной сваи путем подачи воды под высоким давлением с последующим нагнетанием в нижнюю часть свайного ствола раствора тонкодисперсного вяжущего
Примечание: Метод 2 применяется в случае невозможности проведения работ по методу 1.
Согласно описанной технологии после добуревания нижнего конца сваи и проникновения в прочный слой гравия или щебня на глубину 5 ÷ 10 см производят вымывание рыхлого грунта со дна ствола сваи и уширение ее нижнего конца путем подачи воды под давлением 1 ÷ 5 МПа (рис. 6–8).
|
|
|
Рис. 6. Установка труб для ультразвукового контроля качества ствола сваи и бурения ее нижнего конца
|
|
|
Рис. 7. Обустройство буровой установки и последующая подача воды под высоким давлением для вымывания рыхлого грунта со дна ствола буронабивной сваи
Рис. 8. Технологическая схема вымывания слабого грунта из-под нижнего конца буронабивной сваи
Растворы на основе тонкодисперсных вяжущих веществ, как правило, приготавливают в смесителях принудительного действия непосредственно на строительной площадке. В случае большой потребности в растворных смесях они могут быть приготовлены в бетоносмесительных установках на заводах с последующей транспортировкой в автобетоносмесителях к месту строительства.
После этого нагнетают приготовленный раствор тонкодисперсного вяжущего вещества под давлением 5 ÷ 10 МПа через пробуренные скважины в нижнюю часть ствола сваи для создание прочно-сплошной связи между ее нижним концом и грунтовым слоем гравия или щебня на дне свайного ствола (рис. 9 и 10).
Рис. 9. Технологическая схема усиления нижнего конца буронабивной сваи с помощью раствора
тонкодисперсного вяжущего вещества, подаваемого под давлением 5 ÷ 10 МПа
|
|
|
Рис. 10. Нагнетание раствора тонкодисперсного вяжущего вещества под давлением в нижнюю часть
буронабивной сваи
Этот метод обладает высокой эффективностью в случае, когда нижняя часть сваи защемлена в гравийном или скальном грунтах. Поскольку грунты, на которых расположен Ханой, в основном слабые, так как сложены рыхлыми породами, то с помощью этого метода можно повысить несущую способность свайных фундаментов при глубине их заложения от 40 до 65 м.
Выводы. Опыт применения описанного метода сооружения свайных фундаментов в ходе строительства некоторых высотных зданий в городе Ханой позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Путем применения растворов тонкодисперсных вяжущих веществ, подаваемых под давлением в нижнюю расширенную часть буронабивных свай, их несущая способность может быть повышена в 1,6 ÷ 1,9 раза при сохранении их глубины, диаметра, а также объема используемой армирующей стали. За счет этого можно сократить количество свай в каждом ростверке фундамента, а также уменьшить объемы самих ростверков, что упростит производственные процессы и увеличит темпы строительства.
2. Этот метод эффективно применять для грунтов, в которых нижняя часть сваи опирается на плотный слой гравия или щебня, что характерно для инженерно-геологических условий Ханоя, а также для аллювиальных почв в поймах крупных рек на севере Вьетнама.
1. Nguyễn Quang Chiêu. Thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu. Nhà xuất bản Xây dựng, năm 2004, 190 tr. (Nguen Kuang Chieu. Proektirovanie i stroitel'stvo nasypey na slabyh gruntah. Izd. Stroitel'stvo. 2004. 190 s.).
2. Nguyễn Uyên. Xử lý nền đất yếu trong xây dựng. Nhà xuất bản Xây dựng, năm 2005, 210 tr. (Nguen Uyen. Metody zakrepleniya sla-byh gruntov v stroitel'stve. Izd. Stroi-tel'stvo. 2005. 210 s.).
3. Gubatenko M.S. Obosnovanie struktu-ry i racional'nyh parametrov vibracionno-radial'nogo snaryada dlya uplotneniya stenok vertikal'nyh skvazhin pod buronabivnye svai. Avtoreferat dis. k.t.n. Orel. 2011, 16 s.
4. Verstov V.V., Gaydo A.N. Tehnologiya ustroystva svaynyh fundamentov. SPb., 2010. 180 s.
5. Polischuk A. I. Osnovy proektirova-niya i ustroystva fundamentov rekonstruiru-emyh zdaniy. Tomsk, 2005. 427 c.
6. SP 24.13330.2011. Svaynye fundamen-ty. Aktualizirovannaya redakciya. M., 2011. 90 c.
7. Mangushev R.A., Ershov A.V., Osokin A.I. Sovremennye svaynye tehnologii. SPb., 2010. 240 s.
8. Nguyễn Văn Quảng. Nền móng và tầng hầm nhà cao tầng// Nhà xuất bản xây dựng. Hà Nội 2006, 174 tr. (Nguen Van Kuang. Funda-menty i podvaly vysotnyh zdaniy. Izd. Stroitel'stvo. Hanoy, 2006, 174 s.).
9. Verstov V.V., Gaydo A.N., Ivanov Ya.V. Proizvodstvo shpuntovyh i svaynyh ra-bot.SPb., EBS ASV, 2011, 292 s.
10. Nguyễn Bá Kế . Thi công cọc khoan nhồi. Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2010, 258 tr. (Nguen Ba Ke. Tehnologiya izgotovleniya bu-ronabivnyh svay. Izd. Stroitel'stvo Hanoy, 2010, 258 s.).
11. Buronabivnye svai: oblast' prime-neniya i preimuschestva // ZAO "PSU Gidro-specstroy" [Elektronnyy resurs]. URL:http://www.gssm.ru/.
12. Nguyễn Viết Trung. Sự cố điển hình trong thi công móng cọc khoan nhồi. Đại học giao thông vận tải Hà Nội, 11/2004, 35 tr. (Ngu-en V'et Chung. Tipichnye proisshestviya pri stroitel'stve svaynyh fundamentov // Ha-noyskiy transportnyy universitet, 11/2004, 35 s.).
13. MGSN 2.07-01. Osnovaniya, fundamen-ty i podzemnye sooruzheniya. M., 2003, 41 c.
14. ODM 218.2.016-2011. Metodicheskie rekomendacii po proektirovaniyu i ustroy-stvu buronabivnyh svay povyshennoy nesu-schey sposobnosti po gruntu. M., 2013, 30 s.
15. TSN 50-306-2005. Osnovaniya i fun-damenty povyshennoy nesuschey sposobnosti// Rostov-na-Donu, 2005, 39 c.
16. Bogov S.G. Problemy ustroystva svaynyh osnovaniy v gorodskoy zastroyke v usloviyah slabyh gruntov Sankt-Peterburga // Rekonstrukciya gorodov i geotehnicheskoe stroitel'stvo. 2004. № 8. S. 119-127.
17. Nuzhdin L.V., Nuzhdin M.L., Kozminykh K.V. [et al.]. Evaluation of defor-mation properties of soils using a wedge dil-atometer and improvement of forecast accura-cy of buildings settlement. Proceedings of ATC7 Workshop, 18ICSMGE “Challenges and innovations in Geotechnics”. Paris: Presses des Ponts, 2013, pp. 68-75.
18. Nguyễn Văn Khánh. Ứng dụng công nghệ thổi rửa và bơm phụt vữa vào đáy cọc nhằm tăng sức chịu tải của cọc khoan nhồi. Đề tài nghiên cứu khoa học mã số 01C-04/01-2005-01. Hà Nội năm 2005, 63 tr. (Nguen Van Han'. Ispol'zovanie produvaniya i vymyvaniya pod nizhnim koncom buronabivnogo svai dlya uvelicheniya ee nesuschey sposobnosti. Nauchno-issledovatel'skiy proekt, shifr: 01C-04 /01-2005-01. Hanoy 2005, 63 s.).
19. Trần Nhật Thành, Nguyễn Văn Khánh. Thổi rửa và bơm phụt vữa gia cường chân cọc khoan nhồi// Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng 03/2006. Tr. 28-31. (Chan Nyat Than', Nguen Van Han'. Primenenie vody pod vysokim davleniem dlya vymyvaniya ryhlogo grunta iz nizhnego konca stvola buronabivnogo svai i ukrepleniya konca svai s pomosch'yu rastvornoy cementnoy smesi // Tehnika i tehnologii stroitel'stva. 2006. №3. C. 28-31.).
20. Nguyễn Văn Khánh. Tăng cường khả năng chịu tải của móng cọc khoan nhồi bằng công nghệ thổi rửa sau - một ứng dụng đạt hiệu quả cao trên địa bàn Hà Nội// Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng 10/9-2011. Tr. 112-114. (Chan Nyat Than', Povyshenie nesuschey sposob-nosti buronabivnyh svay putem podachi vody pod vysokim davleniem v gorode Hanoy // Tehnika i tehnologii stroitel'stva. 2011. №9. C. 112-114.).
