63,12 
73,90 
Закрепление грунтов представляет собой искусственное изменение строительных свойств грунтов различными физико-химическими способами для укрепления основания возводимых зданий и сооружений – от жилых многоквартирных домов до транспортных объектов. Такое преобразование обеспечивает прочность, устойчивость, уменьшает сжимаемость и водонепроницаемость. Об опыте проведения работ по усилению и стабилизации слабых оснований зданий и сооружений рассказали эксперты в рамках Третьей всероссийский научно-практической конференции «Современные технологии фундаментостроения», организованной на прошлой неделе Международной Ассоциацией Фундаментостроителей и Центром Инновационных технологий в строительстве ИДПО ГАСИС НИУ ВШЭ.
На сегодняшний день существует два основных способа закрепления грунтов: поверхностное и глубинное.
Поверхностное закрепление выполняют на глубину до 1 м. При этом способе грунт предварительно разрыхляется, перемешивается с закрепляющими материалами (вяжущие, цемент, известь, песок) и затем уплотняется. Глубинное закрепление предусматривает обработку грунтов без нарушения их естественного сложения путем инъекции закрепляющих материалов, термообработки и замораживания, с использованием предварительно пробуренных скважин, шпуров или забиваемых инъекторов. Инъекцию производят с использованием вяжущих, силикатных материалов и смол.
Разработан ключевой Свод правил (СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений), который регламентирует деятельность, связанную с укреплением, стабилизацией и консолидацией закреплением грунтов. Практически все технологии, которые применяются проектировщиками и фундаментостроителями, содержатся в этом СП. Однако ежегодно появляются новые технологии, внедрение которых возможно только после согласования специальных тех условий (СТУ).
«Есть определенные вопросы, вязанные с разъяснением и внедрением проектными организациями инновационных решений по усилению и стабилизации грунтов. Происходит это потому, что исторически Россия была больше ориентирована на производство бетона и железа, так что вся советская и постсоветская наука основывалась на применение свай и замене грунтов. В результате российские проектировщики привыкли проектировать по давно заведенным правилам и некоторым трудно дается этот переход на новые требования и технологии. Но этот процесс уже начался, мы, наконец, обратились к западному опыту и внедряем его в нашей стране», - говорит Никита Романов, директор по развитию в России французской компании Menard.
Кроме этого, с 6 мая 2017 года в силу вступило Изменение 1 к СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85». Анализ вышедших изменений показал, что они существенно повлияли на методику и нормативно-правовое регулирование расчетов свай глубокого заложения. Нормативные требования должны учитывать ограничения по использованию уширении свай в зависимости от местных геологических условий в обводненных песчаных, просадочных грунтах, текучих супесях и суглинках, и других неустойчивых грунтах.
«Для обеспечения качества буровых свай необходимо ужесточить контроль за процессом производства работ. Уширения должны создаваться с помощью механических буровых инструментов, позволяющих с поверхности контролировать процесс их работы, - отмечает Валентина Лебедева, инженер АО «Институт «Стройпроект». Результаты контроля за процессом производства работы должны быть отражены в исполнительной документации, включая работы по очистке забоя скважины от следов шлама и трамбования грунта в забое. Фактическое исключение возможности повышения несущей способности буронабивных свай с большими диаметрами ствола и значительными длинами за счет устройства уширений приводит к необходимости предусматривать в составе фундаментов сваи большей длины, либо к увеличению общего количества свай, что с учетом значительной стоимости работ по устройству буронабивных свай в свою очередь неоправданно увеличивает сметные стоимости сооружения объектов капительного строительства, особенно фундаментов мостовых сооружений, подверженным воз-действию значительных нагрузок».
Традиционные способы усиления фундаментов заключаются, преимущественно, в увеличении ширины подошвы фундаментов, то есть обеспечивают уменьшение удельного давления на грунт. Более современные способы усиления фундаментов и оснований базируются на двух принципах: «пересадке» здания на сваи и закреплении грунтов оснований инъекцией в грунт строительных растворов. Кроме того, эти работы обычно включают меры по усилению кладки фундаментов. В то же время на Западе популярные другие направления, связанные с тяжелыми трамбовками, консолидацией и закреплением грунтов. О некоторых применяемых сегодня новых технологиях укрепления слабых грунтов и усиления основания зданий в нашей стране рассказали эксперты.
Марк Абелев
Д.т.н., директор Центра инновационных технологий в строительстве ИДПО ГАСИС НИУ ВШЭ, заслуженный строитель РФ.
Сегодняшняя головная боль фундаментостроителей – это то, что большинство строительных объектов попадают в сейсмические зоны. Крым является, к примеру, такой сейсмической зоной. Все это создает дополнительные нагрузки. Для осуществления расчетов, нужны инженеры, математики, с хорошими специалистами у нас дефицит. Для укрепления фундаментов сооружений на слабых водонасыщенных и глинистых грунтах используются сваи. Однако если свая при испытании на ударопрочность не дошла до проектной отметки, ее нужно обязательно обследовать. Берем сваю, производим удар специальным «молотком», по объекту идут волна. Сегодня нужно обязательно вводить контроль длины сваи.
Как строить в условиях слабых грунтов? Возьмем, к примеру, Калиниград, где сегодня возводится большой стадион к ЧМ по футболу 2018 года. Условия площадки следующие: уровень балтийского моря, 5 м торфа, 6 метров ниже – мел. Если внизу, ниже слоя слабых грунтов на небольшой глубине (хотя бы на 20 метрах) залегают прочные грунты, сваи можно устанавливать без дополнительного уплотнения. Сваи ставят набивные или составные. При использовании составных свай возникают дополнительные проблемы – а именно проблемы стыка (когда по свае производится удар, в месте стыка, на глубине 10-12 м, происходит разлом. Зачастую если речь идет о более прочных грунтах, то в 50% случаев составные сваи ломаются. Решить эту проблему можно только одним способом – обе части сваи должны соединяться друг с другом точно под прямым углом, тогда при передаче удара они не крошатся.
Помимо использования свай, также используются различные технологии уплотнения грунта в виде тяжелых трамбовок в верхних слоях с применением песка, извести. Если у нас в России используется трамбовка в 7-10 т, то французские коллеги уже давно применяют технологии по уплотнению грунтов в 40-50 и в некоторых случаях до 135 тонн. Использование песка в уплотнении, впрочем, оправдано только транспортное плечо до карьера с сырьем от площадки строительства – небольшое, в остальных случаях это значительно удорожает строительство.
Еще одна технология уплотнения грунтов дополнительной нагрузкой – так называемый метод предварительного напряжения грунтов, когда на месте строительства мы устанавливаем резервуары для временного уплотнения фундамента из металлоконструкции. Возводим насыпь, таким образом формируем нагрузку на слабые грунты значительно большую, чем она будет впоследствии. После этого нагрузку снимаем, частично или полностью, и уже на этом месте возводим сооружение.
Владимир Шишкин
Главный инженер проектов СП АО «НИИграфит» Госкорпорации РОСАТОМ, почетный строитель
Строительство глубоких котлованов в стесненных городских условиях требует применения таких технологий, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию окружающей застройки. К такой технологии относится возведение нулевых циклов «сверху-вниз» (метод «up-down»). Технология строительства нулевых циклов методом «up-down» включает устройство проектных плит перекрытий сначала на верхних этажах, откопку грунта из-под этих перекрытий, а затем возведение перекрытий на нижележащих этажах, откопку грунта из-под них и строительство фундаментной плиты. Во время строительства все плиты перекрытия опираются на временные сваи и ограждение котлована. После возведения проектных колонн и стен, набора соответствующей прочности их бетона и узлов соединения с перекрытиями все временные конструкции удаляются.
Роль распорок в котлованах по этой технологии играют проектные плиты перекрытия, жесткость которых значительно выше, чем традиционных стальных конструкций. Благодаря увеличению жесткости распорных конструкций снижаются деформации грунта вблизи ограждения котлована и уменьшается его влияние на окружающую застройку, тем самым, повышается безопасность при строительстве. Однако сложнейшая задача заключается в том, чтобы обеспечить безопасность непосредственно на строительстве при откопке котлована «сверху-вниз». Следует таким образом конструировать узлы сопряжения временных и постоянных конструкций нулевого цикла, чтобы нагрузку от верхних строений перенести с временных на постоянные проектные конструкции.
По технологии «up-down» в Москве нашим НИИ были запроектированы и построены силами НПФ «Фундамент-стройпроект» здание Галереи А. Шилова по улице Знаменка, дом на Таганской площади, здание института МГЭИ на Ленинском проспекте, а также жилой дом с 2-мя подземными этажами по улице Гиляровского. При этом корпус шгалереи А.Шилова — наиболее удачный пример как в плане эффективности использования технологии «сверху-вниз».
Фундаменты под несущими стенами были ленточные, из обломков кирпича и бутового камня-известняка на известковом растворе. При производстве работ было установлено, что раствор фундамента, построенного в 20-х годах XlX века практически полностью разрушен и материал фундаментов ничем не связан (фундамент буквально можно было разобрать руками). При этом, основному зданию примыкала кирпичная подпорная стенка, укрепляющая уступ насыпной террасы. Стенка тоже находилась в аварийном состоянии. До начала работ по устройству ограждения котлована были перенесены электрические кабели, кабели связи, напорные трубопроводы водопровода и газоснабжения. Другой существенной проблемой, осложнявшей производство подземных работ, стало расположение рядом со строительной площадкой участка перегонного тоннеля мелкого заложения Сокольнической линии метрополитена.
Технологические решения по возведению подземной части нового корпуса галереи включали: усиление оснований фундаментов существующего здания, по стене, прилегающей к строительной площадке. С этой целью были выполнены: цементация контакта «фундамент-грунт»; химическое закрепление грунтов под подошвой фундаментов на глубину 8 м, несколько превышающую глубину котлована; цементация тела фундамента с устройством монолитной железобетонной рубашки толщиной 15 см и высотой 1,75 м в предварительно откопанной захватками по 2 м траншее на всю глубину до подошвы фундамента, с последующей обратной засыпкой.
По первоначальному проекту предполагалось построить здание нового корпуса дом 3, откапывая грунт в котловане на всю глубину. При этом шпунтовое ограждение требовалось выполнить из труб диаметром 325 мм и почти столько же металла требовалось на распорную систему. Приняв в качестве распорной системы перекрытие на отметке 0.0, мы добились следующего:
— убрали дорогостоящую распорную систему; — повысили жесткость и, соответственно, — уменьшили деформации существующего здания 5; — снизили диаметр шпунта до 219 мм; — уменьшили технологическое воздействие при лидерном бурении меньшим диаметром; — снизили расход металла на шпунт.
Однако у технологии есть два существенных минуса: — удорожание разработки грунта; — добавились временные сваи.
Работы осложнялись необходимостью разборки старых фундаментов, фрагмента неиспользуемого инженерного коллектора с кабелями связи и отдельно расположенных инженерных сетей. На отметке низа плиты перекрытия подвала (-0,3) к шпунтовому ограждению приваривалась обвязочная балка. Конструкция этих узлов позволила перенести всю нагрузку от перекрытия на временные сваи и шпунт. А после возведения колонн и стен нижнего этажа труба сваи вырезана и удалена.
Также был произведен процесс уплотнения основания под деревянные балки, по которым укладывается фанера опалубки и арматура плиты перекрытия. Армирование такой плиты перекрытия усложнено множеством выпусков арматуры вверх и вниз в местах сопряжения стен и колонн. Далее - процесс бетонирования плиты перекрытия, трубы в арматуре представляли собой верхушки временных свай, а свободные от опалубки грунт — проем для откопки грунта из-под плиты. Плита перекрытия подвала в этом случае выполняла несколько функций: позволяла одновременно вести работы по устройству подвальной части здания и возводить надфундаментное строение, а также играет роль распорки шпунтового ограждения, что дало возможность отказаться от металлических распорных креплений, уменьшить длину и диаметр труб ограждения и существенно ускорить производство работ в котловане. При сборке арматурного каркаса плиты были заранее смонтированы выпуски арматуры для стен и колон подвала и первого этажа и оставлены технологические отверстия для разработки грунта в котловане и подачи бетона в конструкции колонн и стен подвала.
Таким образом, срок строительства здания сокращается благодаря одновременному возведению вверх и вниз. Весь период строительства нулевой части, включая усиление фундаментов существующего здания и возведение стен первого этажа, занял около 3-х месяцев. За это время было погружено более 200 металлических свай диаметром 219 мм и длиной от 11 до 14 м, разработано около 5000 куб м грунта и старых фундаментов, уложено около 600 кубометров железобетона. Экономия средств на этапе закрепления оснований фундаментов, по сравнению с буроинъекционными сваями, составила более 50%. В целом по объекту была достигнута экономия денежных средств в размере 22% по сравнению со строительством аналогичного сооружения открытым способом.
Применение технологии «сверху-вниз» позволяет реализовать проекты устройства нулевых циклов глубиной свыше 5 м при наличии в зоне влияния строительства многоэтажных сооружений, аварийных зданий и памятников архитектуры в сжатые сроки. Благодаря жесткости распорной системы из плиты перекрытия возможно применение шпунтовых ограждений в виде металлических труб, которые экономически целесообразно погружать в предварительно пробуренные скважины пневмопробойником в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений.
Однако использование организации строительства методом «сверху-вниз» требует соответствующего расчётного технико-экономического обоснования с применением математического моделирования методами конечных элементов (например, на программном комплексе PLAXIS) строительства нулевого цикла, дополнительных расчетов несущих конструкций с учетом распорных нагрузок, монтажных проемов и технологи-ческой последовательности возведения. Несмотря на крайне высокую трудоемкоть проектирования и возведения нулевых циклов «сверху-вниз», такая организация строительства позволяет совместить строительство нулевого цикла с возведением надземных этажей и, тем самым, сократить сроки ввода здания. Осуществление строительства по методу «up-down» может отложить строительство подвала на несколько лет после возведения надземной части здания. При стесненности средств застройщика крайне выгодно введение в эксплуатацию здания частями. Такая технология позволяет строить под зданием и одновременно эксплуатировать его надземную часть, что также повышает привлекательность объекта в глазах будущих покупателей квартир в многоэтажных домах, возводимых по такому методу.
Олег Шулятьев
Заместитель директора НИИОСП им. Н.М. Герсеванова АО «НИЦ «Строительство» по научной работе
Способ возведения фундамента на слабых грунтах включает ограничение участка по периметру будущего фундамента на расчетную глубину, монтаж компенсационных средств по предупреждению осадок грунта в результате вертикальных и горизонтальных перемещений, устройство фундамента и фиксацию напряженно-деформируемого состояния грунта по окончании строительства. Ограничение участка под фундамент осуществляют путем разработки по периметру фундамента вертикальной щели, при этом дополнительно вертикальные щели разрабатывают под основанием будущего фундамента с образованием секторов. В образованные вертикальные щели погружают многокамерные пневмооболочки, подают в них сжатый воздух и производят обжатие грунта в горизонтальной плоскости до создания заданного напряженно-деформируемого состояния с последующим регулированием параметров давления в период строительства до окончания процессов консолидации. Технический результат состоит в повышении несущей способности и снижении деформативности грунта основания за счет регулирования его напряженно-деформированного состояния.
Известен способ возведения фундамента на слабых грунтах путем устройства свайного фундамента. Недостатком данного способа является большая трудоемкость и стоимость. Кроме этого, горизонтальные деформации, возникающие при устройстве самой компенсационной траншеи, могут привести к дополнительным осадкам фундаментов. Существует также способ регулирования положения здания, сооружения с помощью пневмоконструкций и возведения фундамента, включающий ограничение участка по периметру будущего фундамента на расчетную глубину, монтаж компенсационных средств по предупреждению осадок грунта в результате вертикальных и горизонтальных перемещений с последующей по окончании строительства фиксацией напряженно-деформируемого состояния грунта. Недостатками известных технологий возведения фундаментов, впрочем, являются недостаточная несущая способность грунта основания из-за невозможности обеспечения постоянного регулирования напряженно-деформированного состояния грунта основания в процессе строительства (увеличение нагрузки).
Техническая задача специалистов по фундаментостроению заключается в повышении несущей способности и снижении деформативности грунта основания за счет регулирования его напряженно-деформированного состояния. Поставленная задача решается таким образом, что в способе возведения фундамента на слабых грунтах, включающем ограничение участка по периметру будущего фундамента на расчетную глубину, монтаж компенсационных средств по предупреждению осадок грунта в результате вертикальных и горизонтальных перемещений с последующей по окончании строительства фиксацией напряженно-деформируемого состояния грунта, согласно изобретению ограничение участка под фундамент производят путем разработки по периметру фундамента вертикальной щели и погружают в нее многокамерную пневмооболочку, после чего в пневмооболочку под давлением подают сжатый воздух до создания заданного напряженно-деформируемого состояния грунта основания фундамента и регулирования его параметров в период строительства до окончания процессов консолидации. Кроме того, вертикальные щели разрабатывают дополнительно в грунте основанием будущего фундамента, погружают в них многокамерные пневмооболочки с последующей подачей в них сжатого воздуха под давлением в период строительства в соответствии с заданными параметрами напряженно-деформируемого состояния, а по окончании процессов консолидации пневмооболочки, расположенные по периметру фундамента и под ним, заполняют твердеющим раствором.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что ограничение участка под фундамент производят путем разработки по периметру фундамента вертикальной щели и погружают в нее и многокамерную пневмооболочку, после чего в пневмооболочку под давлением подают сжатый воздух до создания заданного напряженно-деформируемого состояния грунта основания фундамента и регулирования его параметров в период строительства до окончания процессов консолидации.
Использование пневмоконструкций для обжатия слабого грунта на участке, ограниченном в горизонтальной плоскости с размещением их в образованной по периметру фундамента вертикальной щели, позволяет сократить период возведения зданий, упростить производство работ и снизить трудозатраты за счет исключения необходимости замены слабого грунта основания или укрепления его искусственным путем. Причем возникает возможность регулирования параметров напряженно-деформируемого состояния грунта в процессе возможного изменения величины и направления нагрузок и содержания грунта на заданном уровне. При этом, в случае необходимости возможно дополнительные пневмооболочки в основании фундамента в вертикальных щелях, которые воздействуют на грунт основания в горизонтальном направлении под основанием, разбивая площадь грунта основания на сектора. При этом фиксация напряженно-деформируемого состояния грунта под фундаментом после окончания процессов консолидации можно осуществлять путем заполнения пневмооболочек твердеющим раствором.
Способ возведения фундаментов на слабых грунтах осуществляется следующим образом. Первоначально по контуру будущего фундамента 1 в грунте основания под бентонитовым раствором устраивают щель и погружают в нее многокамерную пневмооболочку 2. Далее в оболочку под давлением при помощи компрессора 3 подают сжатый воздух до создания заданного усилия обжатия и создания напряженно-деформированного состояния грунта основания. Конструкция может быть выполнена из отдельных замкнутых пневмоэлементов (длиной до 5 м в плане), давление в которых создается индивидуально и контролируется манометрами 4. В случае необходимости под будущим фундаментом размещают дополнительные пневмооболочки 5, которые воздействуют на грунт основания в горизонтальном направлении, разбивая площадь грунта основания на сектора. Во время возведения фундамента и строительства здания производят систематические наблюдения за осадками фундамента. В случае, если в процессе наблюдений за осадками фундамента обнаружится их неравномерность или осадка превысит прогнозируемые значения, то производят дополнительное обжатие грунта путем увеличения давления воздуха в камерах пневмооболочки.
По окончании строительства и процессов консолидации в оболочку подается твердеющий раствор для фиксации установившегося напряженно-деформированного состояния грунта основания.
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:
Павел Долгов
Главный инженер-геотехник «ГЕОИЗОЛ»
Технология использования устройства щебеночных и песчаных свай используется для увеличения несущей способности слабых грунтов основания транспортных сооружений, в частности мостов, возможной потери устойчивости основания, уменьшения деформаций и времени стабилизации деформаций, для предотвращения возможности разжижения и потери прочности грунтов при сейсмическом воздействии.
Щебеночные сваи — тип обработки грунта глубинной вибрацией с подачей щебня на дно формируемой скважины, при которой глубинный вибратор используется для создания непрерывных колонн из щебня с заданными длиной и диаметром. Устройство щебеночных свай выполняется в широком диапазоне инженерно-геологических условий, при наличии в основании глин и пылевато-глинистых грунтов, слабых глинистых грунтов и торфов. При использовании технологии возможно прохождение через песчаные и гравелистые грунты с частичным их уплотнением.
Технологический процесс устройства щебеночных свай включает в себя следующую последовательность: сначала глубинный вибратор погружается с помощью вибрации и подачи воздуха (иногда с минимальной подачей воды под давлением для прохождения плотных слоев), далее щебень вводится через специальный привод вдоль вибратора под давлением сжатого воздуха, и наконец, виброинструмент совершает возвратно-поступательные движения, уплотняя щебень и постепенно перемещаясь вверх формирует тело сваи.
При этом, щебеночные сваи не являются отдельно несущим элементом, как например сваи, выполненные из бетона. При устройстве щебеночных свай происходит увеличение прочностных характеристик массива грунта, в пределах которого выполняется усиление, вследствие чего значительно увеличивается его несущая способность и устойчивость. Устройство свай позволяет уменьшить значение деформаций основания от 2 до 6 раз. Щебеночные сваи представляют собой массивные дрены, вследствие чего при строительстве в условиях залегания в основании медленноу-плотняющихся водонасыщенных глинистых грунтов значительно уменьшаются сроки стабилизации деформаций.
При строительстве в крайне слабых глинистых грунтах (значение сопротивления недренирован-ному сдвигу менее 5 кПа), устройство щебеночных свай может комбинироваться с технологией устройства геосинтетических дрен, используемых для предварительной консолидации и уплотнения основания. При изготовлении таких щебеночных свай используется специальное оборудование, так называемый виброфлот — глубинный вибратор диаметром от 290 мм до 460 мм, подбираемый в зависимости от поставленной задачи. Для подачи уплотняемого материала под нижний конец оборудования, к вибратору крепится специальный привод. Существует возможность крепления оборудования на экскаватор, копровую установку и кран.
Оборудование позволяет выполнять устройство свай на глубину от 3 до 30 м, при необходимости усиления грунтов на большую глубину возможно изготовление оборудования специально под проект. При уплотнении щебеночная свая достигает диаметра от 0,6 м до 3,5 м в зависимости от задачи и грунтовых условий площадки строительства. В качестве материала уплотнения используется щебень фракции 5-50 мм, также возможно использование песка. Необходимо отметить высокую производительность устройства щебеночных свай, которая составляет от 200 до 400 метров погонных за смену. Данная технология положительно зарекомендовала себя при усилении слабых грунтов, на множестве объектов по всему миру, в том числе, успешно реализована при усилении основания насыпи сложенного слабыми заторфованными грунтами на участке скоростной автомобильной дороги Москва-Санкт-Петербург - М11, при усилении слабых глинистых грунтов при создании искусственного земельного участка на территории Крестовского острова в Финском заливе, при устройстве опытной площади в условиях залегания с по-верхности заторфованных грунтов на глубину до 7м на объекте «Строительство автомобильной дороги А-121 «Сортавала» и других объектах.
Мировой опыт использования технологии усиления грунта путем глубинной вибрации насчитывает более 70 лет. При определении характеристик усиленного массива грунта используются известные аналитические методики расчета, признанные во всем мире. Для расчета деформаций, устойчивости и времени консолидации могут использоваться отечественные нормативные методики расчета, а также современные программные комплексы с использованием метода конечных элементов.
Напомню, с целью стандартизации и нормирования проектирования и производства щебеночных свай в 2005 году создан Европейский нормативный документ DIN EN 14731.2005 «Выполнение специальных геотехнических работ — Укрепление грунта путем глубинной Вибрации». Устройство щебеночных свай по технологии виброуплотнения широко используется в мировой практике и зарекомендовало себя как надежный способ усиления основания проектируемых сооружений транспортной инфраструктуры.