Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно – строительный университет
Кафедра технологии строительного производства
РЕФЕРАТ
по дисциплине
«Научные основы»
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ
Выполнил:
студентка ПГС(с) 4 курса
№ зач.09-31-137
Урюмцев М. И.
Проверил:
Болотских Л.В.
Воронеж 2013
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ (буронабивные сваи)
Последние десять лет развития строительной отрасли характеризуются значительным ростом капиталовложений в обновление основных средств производства. Во многом этому способствует наличие большого числа разнообразных лизинговых программ, возможность целевого кредитования и другие формы взаимодействия банков, поставщиков строительной техники и ее потенциальных покупателей. Сегодня на строительных площадках Санкт-Петербурга представлен широкий спектр оборудования для устройства свайных оснований. Мощные Junttan и проворные Casagrande, грандиозные Bauer и элегантные Woltman, великаны Fundex и малютки Klemm, стильные SoilMec и коренастые Atlas (а также Liebherr, EGT, KATO) – все они олицетворение того, что мы называем современными технологиями свайного фундаментостроения.
Отечественное буровое оборудование представлено машинами УРБ-2А2, УРБ-2М, УРБ-3АМ, ПБУ-50, ЛБУ, БГМ. СКБ, СБУ-100, УБС-СГ, БМ-811, БМ-831, СО-1200. На базе гидравлического экскаватора производятся буровые машины БМ-2001, БМ-3061.
Основываясь на практическом опыте работы, авторы статьи анализируют технологии и виды буронабивных и набивных свай, представленных на строительном рынке города, стараясь объективно изложить достоинства и недостатки каждой из известных технологий.
Чтобы лучше понять направления дальнейшего совершенствования технологий и способов геотехнического строительства в области фундаментостроения (и как его составной части – свайного фундаментостроения в сложных инженерно-геологических условиях Северо-Запада России), полезно оглянуться назад.
История свайного фундаментостроения, эволюция использования свай прошли через множество витков совершенствования технологий. А начиналось все с простых забивных деревянных свай.
Археологические раскопки на берегах Цюрихского озера показали, что сваи использовались человеком в глубокой древности – в эпоху неолита. Сначала они служили в качестве стоек, позволявших приподнять пол жилища над водой или землей. Римский архитектор и инженер Витрувий (I в. до н. э.) подчеркивал необходимость использования деревянных свай при строительстве на наносных или болотистых грунтах для передачи нагрузки от зданий на так называемый «материк». Позднее применение свай позволило возводить на слабых грунтах все более и более массивные сооружения.
Нельзя обойти вниманием опыт Нидерландов, где болотистая почва сделала сваи необходимой составляющей строительства. По свидетельству П. П. Гнедича только «благодаря сваям нидерландцы защитились от моря и отвоевали у него значительную площадь суши. Амстердам со своим населением в четверть миллиона человек весь стоит на сваях».
Петр I использовал опыт голландцев, о чем свидетельствует его письмо к И. Коробову, в котором он дает указание изучить «манер голландской архитектуры, а особливо фундаменты» из-за схожести грунтов. В 1715 году Петром издается приказ о подготовке к сентябрю, где есть следующая цитата «...каждый против своего дома паженные сваи для обивки берегов, мерою трехсаженные, числом сколько против каждого двора оных бы столбов могло пойти». И в ноябре этого же года – новый приказ «Об окончании Санкт-Петербургскими жителями к будущей весне бития свай против домов своих, по берегам большой и малой Невы и протокам, под опасением отобрания тех дворов». Согласно ему каждый житель обязан был бить сваи, закладывать за ними связки фашинника и утрамбовывать землю на берегу напротив своего участка.
|
Рис. 1. Гаврила Скородумов. Строительство набережной Невы – фрагмент. |
Следы свайных построек мы находим и в архивных описаниях сердца Санкт-Петербурга – стрелки Васильевского острова. Зимой 1805 года началась реконструкция набережной стрелки по проекту генерал-лейтенанта Ф. И. Герарда. Из сметы на строительные работы видно, что на «построение намеченного берега противу биржи рустином в полуциркуль пошло: бревен на шпунтовые сваи длиной 3 х саженей шириной 8 вершков – 1500 шт.; круглых свай длиной 3 х саженей толщиной 6 вершков – 4025 шт.»
При капитальной реконструкции Дворцовой набережной в 1925 году обнаружилось, что вся ее проезжая часть опирается на сплошное свайное основание. О внешнем виде набережных (например, о том, что наклонные сваи закладывались деревянными щитами) можно судить по гравюрам А. Зубова и Х. Морселиуса.
Представляют интерес свидетельства современников строительства Исаакиевского собора, опубликованные в «Инженерном журнале» в 1861 году. «Работа фундамента произведена следующим образом: по отрытии фундаментной ямы, откачав из нея воду помощью Архимедовых винтов, которые работали постоянно и в последствии, в дно ямы всей ея поверхности были забиты частоколом сосновыя сваи от 11 до 12 д. в диаметре и длиною 3 саж. Расстояние между сваями равнялось диаметру их. Сваи были забиты до отказа бабою в 70 пуд. весом. Копров было 10; бабы на них поднимались помощью конных воротов, на каждом из которых работали 4 лошади. Работа эта продолжалась целый год и не прекращалась и зимою. Забивкою свай грунт был так уплотнен, что весьма трудно было отрывать его в промежутках между сваями. Срезка свай под одну горизонтальную плоскость была произведена очень просто: для этого действие водоотливных машин было приостановлено, и когда вода в фундаментной яме достигла желаемой высоты, то она тем самым отметила на каждой свае высоту, на которой ее нужно было срезать, что и было затем исполнено. Промежутки между головами свай были отрыты на 14 дюйм. и заполнены сильно утрамбованным древесным углем. После этой операции место постройки фундамента представляло совершенно горизонтальную плоскость. С забитыми в нее 10 762 сваями».
Долгое время забивка свай осуществлялась вручную. Первое описание примитивного ручного копра относится к 1660 году. Изобретение станины с направляющими для бабы и присоединение для ее подъема различных приспособлений позволило увеличить мощность снаряда. Несомненным достижением технической революции было изобретение Нэсмитом (Великобритания) паровой бабы. В 1889 году эта конструкция была усовершенствована русским инженером С. А. Арцишем, что позволило значительно увеличить ее производительность.
До 1838 года применялись только забивные сваи. Со временем они модернизировались – изменялся материал, при забивке свай в гравелистые и твердые грунты для деревянных свай стали использовать железные башмаки. В 1838 году Митчелл (Mitchall) предложил завинчивать сваи в грунт, для чего их нижняя часть снаряжалась винтом. Наконечники свай имели разный вид в зависимости от свойств грунта. В. Карлович в монографии «Основания и фундаменты» (1869 г.) признает преимущества винтовых свай перед забивными при применении их в некрепких грунтах, так как «концы их передают давление на большую площадь».
Так, почти два века назад было положено начало использованию буронабивных и винтовых свай.
Сегодня классификация свай по способу заглубления приводится в действующем Своде правил СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов»:
забивные (вдавливаемые) железобетонные, деревянные и стальные, погружаемые в грунт без его выемки или в лидерные скважины с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих, виброударных и вдавливающих устройств;
сваи-оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью;
набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного отжатия (вытеснения) грунта;
буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов;
винтовые;
бурозавинчиваемые.
В свою очередь, набивные сваи по способу устройства подразделяются на:
набивные, устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;
набивные виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом;
набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин с последующим заполнением их бетонной смесью.
Буронабивные сваи по способу устройства подразделяются на:
буронабивные сплошного сечения с уширениями и без них, бетонируемые в скважинах, пробуренных в глинистых грунтах выше уровня подземных вод без крепления стенок скважин, а в любых грунтах ниже уровня подземных вод – с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами;
буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;
буронабивные сваи с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбовывания в забой скважины щебня;
буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом и заполнением скважин бетонной смесью;
буроинъекционные диаметром 0,15 – 0,25 м, устраиваемые в пробуренных скважинах путем нагнетания (инъекции) в них мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора, или буроинъекционные с уплотнением окружающего грунта путем обработки скважин по разрядно-импульсной технологии;
буроинъекционные, устраиваемые полым шнеком;
сваи-столбы, устраиваемые путем бурения скважин с уширением или без него, укладки в них омоноличивающего цементно-песчаного раствора и опускания в скважины цилиндрических или призматических элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром 0,8 м и более;
буроопускные сваи с камуфлетной пятой.
Далеко не все из перечисленного применимо на строительных площадках Санкт-Петербурга. Ограничения связаны с особенными инженерно-геологическими условиями в черте города, которые характеризуются наличием большой толщи слабых пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов, имеющих низкие прочностные свойства и обладающих тиксотропностью (то есть при динамических воздействиях переходящих в плывунное состояние).
Рис. 2. Статистика использования разного вида свай (по Ван Импе).
В 2004 году Ван Импе, председатель международного комитета по фундаментостроению, представил следующую статистику использования разного вида свай в Европе:
буронабивные сваи большого и малого диаметра занимают 52 % рынка;
забивные сваи – 42 %;
винтовые сваи – 6 %.
Почему именно буронабивным и набивным сваям большого и малого диаметра принадлежит пальма первенства? Ответ прост. Потому что только с их помощью удается решать сложный спектр конструктивных задач по устройству высокоэффективных свайных оснований. Только они делают возможным восприятие несущим слоем грунтов высоких (от 4000 до 25000 кН) нагрузок от высотных зданий и сооружений. Эти виды свай широко используются при строительстве внутри застроенных территорий, поскольку, являясь щадящими технологиями, исключают вибрационные и динамические воздействия на конструкции расположенных в непосредственной близости к строительной площадке существующих зданий. В практике международного строительства известны примеры устройства свай в районах с распространением слабых грунтов глубиной погружения до 75 м. В Санкт-Петербурге сваи с максимальной глубиной погружения 47,5 м были использованы при строительстве перехода на Ладожском вокзале.
Устройство буронабивных свай под защитой глинистого раствора
Выполняется станками вращательного бурения и включает в себя следующие операции:
бурение скважины с использованием трехшарошечного долота;
крепление стенок скважины глинистым (бентонитовым) раствором плотностью 1,15 – 1,3 г/см3, оказывающим гидростатическое давление на стенки скважины (при этом циркулирующий в скважине глинистый раствор выносит разрушенную породу на поверхность);
бетонирование – выполняется подачей мелкозернистого бетона через буровой став (при диаметрах скважин до 350 мм) или через бетонолитную трубу, опускаемую до забоя скважины.
Бетонирование ведут методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ), т. е. постепенно поднимая бетонолитную трубу. Обязательным условием является постоянное нахождение нижнего конца трубы ниже уровня поверхности бетона в скважине не менее чем на 1 метр. Поступая в скважину, бетонная смесь вытесняет глинистый раствор.
|
В практике геотехнического строительства эта технология получила значительное распространение в связи с возможностью переоборудования под строительные цели отличающегося хорошей ремонтопригодностью и недорого (отсюда невысокие затраты на амортизацию) отечественного геологоразведочного бурового оборудования. Еще одним ее достоинством является отсутствие дополнительных осадок при ограниченном бурении скважин для устройства буронабивных свай в непосредственной близости от существующих зданий.
Диаметр свай при данном способе изготовления обычно находится в пределах 151 – 600 мм, но в практике мостостроения известны случаи бурения скважин диаметром до 1200 мм.
При использовании технологии бурения под защитой глинистого раствора, особое внимание следует обращать на соблюдение технологических параметров и качества производства работ. Так, в связи с высокой ценой бентонита (а она сопоставима со стоимостью цемента), в условиях Санкт-Петербурга используются местные каолиновые глинопорошки Никольского завода, что не позволяет многократно использовать этот раствор для промывки скважины без регенерации. При применении таких растворов для бурения скважин происходит их расслоение, а требуемая плотность, как правило, не обеспечивается без специальных добавок. При бурении с промывкой водой также необходимы специальные добавки (которые также весьма дороги) и постоянный строгий контроль их дозирования. Отмечается, что при бурении под глинистым раствором с использованием отечественного оборудования происходит отклонение скважины как по местоположению, так и по вертикали (особенно сильно это проявляется в техногенных грунтах и грунтах с плотными или валунными включениями). При устройстве свай большой длины (более 30 м) в процессе изготовления сваи возникает необходимость погружения армокаркаса в глинистый раствор, что сопровождается ослаблением сцепления арматуры с бетоном. Особого внимания в сваях, устраиваемых под защитой глинистого раствора, требует качество бетона (согласно СП при оценке прочности ствола сваи по материалу необходимо использовать дополнительные понижающие коэффициенты). Обычно в практике проектирования инженеры назначают нагрузку, передаваемую на устраиваемые по данной технологии сваи – не более 500 кН (для свай диаметром 350 мм).
На петербургском строительном рынке данную технологию используют специализированные фирмы: «Адепт», «Геострой», «Геоизол», «Циклон», «Основа», «СМУ 19 Метростроя», «Бек-Римас», «Промбурстрой», СК «Подземстройреконструкция», «Техпрогресс», «Старый город-Карст» и еще целый ряд других.