Буроинъекционные сваи усиления

Материалы симпозиума по спасению исторических памятников мировой цивилизации (Неаполь, 1996) свидетельствуют об эффективном использовании инъекционных технологий, в том числе в условиях слабых грунтов. К настоящему времени буроинъекционными сваями усилены более тысячи значимых памятников архитектуры. В ряде случаев проводились инъецирование и армирование кирпичной кладки спасаемых зданий (см. рис.6.13). В результате было решено несколько важных реконструкционных задач:

• — восстановлена прочность старой кирпичной кладки и улучшены условия статической работы здания за счет повышения жесткости;
• — улучшены условия передачи нагрузки на грунты основания;
• -восстановлена противокапиллярная изоляция над фундаментом в комплексе с усилением опорной части стены.

Однако при значительной толще слабого грунта (в Петербурге ее мощность достигает 25 — 30 м) эффективность и экономичность тонких длинных буроинъекционных свай может оказаться дискуссионной. Численное моделирование является единственным инструментом, позволяющим дать объективную оценку целесообразности предлагаемых реконструкционных мер с использованием свай усиления.

Как показали численные исследования и опыт реконструкции фундаментов, при использовании буроинъекционных свай необходимо учитывать следующие обстоятельства:

• 1. Угол наклона свай незначительно влияет на величину осадки усиленной конструкции, поэтому нет необходимости его увеличивать, что упрощает ведение работ по их устройству.
• 2. Сваи должны быть надежно закреплены в фундаменте, для чего состоящий из отдельных бутовых камней на растворе старый фундамент должен быть усилен инъекциями цементного раствора. Фундамент фактически превращается в ростверк и должен по прочности соответствовать своему назначению. Если прочность фундамента недостаточна либо заделка сваи в тело фундамента осуществлена менее чем на 5 ее диаметров, необходимо создать дополнительную конструкцию на контакте «фундамент-грунт», так называемый «контактный слой». Для этого имеются достаточно простые технологические приемы.
• 3. Расчетом установлено, что увеличение наклона значительно повышает внутренние усилия в сваях. Это обстоятельство в зависимости от основных прочностных и деформационных свойств грунта может быть учтено расчетом и, соответственно, специальной системой объемного армирования. В расчете буроинъекционная свая рассматривается как железобетонная конструкция, поэтому при ее изготовлении, помимо вяжущего цемента, необходим инертный материал. Учитывая технологические особенности, в качестве инертного материала можно использовать песок. Представляется, что цементные сваи могут применяться при небольших углах наклона для временных усилений и анкерных временных креплений (здание в зоне строительства подземных выработок и пр.).
• 4. При использовании арматурных каркасов должны быть запроектированы и выполнены равнопрочные стыки. Возможно включение в конструкцию свай прочных труб, металлических профилей, специального стекла. Последний вариант используется в Италии и требует апробации в условиях работы сваи в слабых грунтах. В любом случае для буро-инъекционных свай, устраиваемых в слабых грунтах, армирование должно производиться в зависимости от фактически действующих моментов в различных сечениях. Так, типовые конструктивные решения и технологические приемы армирования и бетонирования буроинъекционных свай, разработанные для относительно прочных грунтов Москвы и Киева, в условиях слабых грунтов Петербурга оказались неэффективными, а в отдельных случаях — опасными.
• 5. Технология изготовления буроинъекционных свай, обеспечивающая в условиях слабых грунтов необходимые расчетные прочностные параметры, достаточна сложна и требует применения комплекса специального оборудования. Чтобы разработать такой комплекс, необходимо проанализировать основные достоинства и недостатки буроинъекционной технологии. В сопоставлении с другими технологиями усиления фундаментов они рассматривалось ранее. Остановимся лишь на основных реконструкционных случаях, когда буроинъекционные сваи и инъекционные технологии успешно использовались в отечественной и зарубежной практике: усиление оснований и фундаментов при необходимости стабилизации незатухающих осадок;
• — усиление различных конструктивных элементов, включая фундаменты, кирпичную кладку несущих стен, сводов, перекрытий;
• — изменение конструктивной схемы здания с перераспределением нагрузок на грунты либо догружение фундаментов;
• — устройство отдельностоящих и ленточных свайных фундаментов в зоне примыкания к существующему зданию в случаях, когда, например, опасна динамика от погружения готовых свай;
• — устройство разделительных непрерывных стен между зданиями;
• — устройство стен неглубоких подземных сооружений, углубление подвалов;
• — анкеровка подпорных стен, в том числе выполненных методом «стена в грунте» ;
• — армирование грунта для улучшения его свойств и повышения несущей способности массива;
• — превентивное усиление существующих зданий.

Столь широкая применимость метода для усиления зданий и успешная его реализация в условиях слабых грунтов Петербурга, Архангельска, Вологды и других городов потребовала совершенствования технологии, направленного на повышение несущей способности свай усиления в условиях слабых грунтов.

• — Технологический цикл устройства буроинъекционных свай включает:
• — бурение кладки фундамента, установку трубы-кондуктора и ее тампонирование;
• — бурение скважины до проектной отметки под защитой обсадной трубы или под глинистым раствором;
• — заполнение скважины твердеющим раствором;
• — установку арматурного каркаса;
• — опрессовку заполненной раствором скважины давлением 0,2 — 0,4 МПа.

Если прочность фундамента недостаточна, проводят инъекцию цементного раствора в его кладку. Буроинъекционный комплекс с малогабаритным буровым станком разработан при участии автора настоящей главы (рис. 6.14). Бурение в пределах фундамента ведется через кондуктор, являющийся направляющей трубой. Кондуктор обеспечивает надежность опрессовки, предотвращая выпор из скважины цементного раствора. Арматурный каркас или одиночные стержни опускают в скважины секциями, равнопрочный стык которых выполняют с помощью сварки, что существенно осложняет работу.

Важным этапом формирования тела буроинъекционной сваи, устраиваемой в слабых грунтах под защитой глинистого раствора, является опрессовка. От давления и времени опрессовки зависят в последующем сопротивление трению по боковой поверхности сваи и, соответственно, ее несущая способность. Происходит частичная цементация грунта на контакте свая — грунт. В слабых грунтах при опрессовке под давлением 0,2 — 0,4 МПа грунт вокруг сваи уплотняется, сечение сваи увеличивается, имеющиеся полости заполняются раствором.

На рис. 6.15 приводятся данные натурных испытаний буроинъекционных свай диаметром 132 мм, длиной 16 м, прорезающих толщу слабых грунтов.

Как видно, сваи такой длины опираются на плотные глинистые грунты твердой консистенции. Без опрессовки несущая способность сваи незначительна (кривая 1 на рис. 6.15). Опрессовка избыточным давлением повышает несущую способность свай в слабых грунтах (кривые 2 — 4 на рис. 6.15).

В Архангельске при ведении работ по усилению старинного здания в заторфованных грунтах были вскрыты буроинъекционные сваи. Их фактический диаметр составил 290 — 300 мм при исходном диаметре бурения 151 мм. Таким образом, с помощью режима опрессовки и подбора цементного или песчано-цементного раствора можно формировать несущую способность свай в слабых заторфованных грунтах. При выполнении работ по усилению оснований и фундаментов буроинъекционными сваями использовались отдельные технологические приемы, способствующие улучшению совместной работы системы «фундамент — свая усиления — грунт основания» .

Так, при усилении отдельностоящих опор под колонны костела Св. Екатерины в Петербурге (Невский пр., 32) после инъекции кладки фундамента производили повторную инъекцию контактного слоя, которая позволила выполнить консервацию гниющих деревянных лежней и способствовала более эффективной работе наклонных свай усиления. Контрольное бурение скважин небольшим диаметром через тело фундамента позволило оконтурить созданный контактный слой бетона между подошвой фундамента и грунтом. Толщина этого слоя достигла 500 мм. Все вышеуказанные технологические операции выполнялись с помощью отечественного бурового оборудования.

По первоначальному проекту усиление оснований и фундаментов костела Св. Екатерины предполагалось осуществить с помощью свай длиной 26 м, прорезающих толщу слабых грунтов и опирающихся на прочные моренные грунты. Стоимость работ в данном случае составила бы 4,86 млн. американских долларов.

Численное моделирование различных вариантов усиления позволило остановиться на коротких сваях, установленных в виде веера. Благодаря им были улучшены условия передачи нагрузки на относительно прочную толщу песчаных грунтов за счет ее армирования железобетонными стержнями (тонкими буроинъекционными сваями).

Своеобразной проверкой эффективности рекомендуемого комплексного подхода стал необычный объект — кирпичная арка Штакеншнейдера (Петербург, наб. р.Мойки, 11), деформированная в процессе строительства 2-этажного подземного гаража. Скорость осадки фундаментов на момент заключения контракта с зарубежной фирмой, ведущей подрядные работы, составила 4,5 мм в сутки. Выполнение всего объема усиления, включающего цикл подготовительных, проектных работ и собственно выполнение усиления, при круглосуточной работе 3 буровых станков заняло 6 суток. Обследование и моделирование вариантов усиления проводили по изложенной выше методике. Таким образом, эта методика приемлема и для аварийных случаев, когда осадки развиваются лавинообразно.

В последние годы отдельные фирмы Москвы и Петербурга применяют буроинъекционные вертикальные сваи диаметром 250−300 мм для устройства фундаментов новых зданий, встраиваемых между существующими при уплотнении городской застройки. Такие сваи при длине свыше 15 м представляют определенную опасность для нормальной эксплуатации встроек, связанную с возможностью нарушения вертикальности буровых скважин и сплошности ствола сваи. Сваи необходимо армировать на всю глубину, что осложняет процесс их изготовления по буроинъекционной технологии. В любом случае применимость сравнительно гибких длинных свай подлежит проверке специальными расчетами, которые предлагаются ниже. Эти сваи должны быть также подвергнуты обязательной проверке на сплошность ствола.

В любом случае геотехническое моделирование таких ответственных конструкций, как длинные буроинъекционные сваи, в толще слабых грунтов является необходимым этапом проектирования реконструкции этих свай. Для этих целей может быть успешно реализована предлагаемая методика численных исследований.