ТЕХНОЛОГИИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ

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.

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.

Трёхшарошечное долото диаметром 540 мм.

В практике геотехнического строительства эта технология получила значительное распространение в связи с отсутствием 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), иногда используются местные каолиновые глинопорошки, что не позволяет многократно использовать этот раствор для промывки скважины без регенерации (очистки от примеси грунта). 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. Особого внимания в сваях, устраиваемых под защитой глинистого раствора, требует качество мелкозернистого 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).

Технология устройства свай с короткими проходными шнеками

Получила свое развитие в начале 90 х годов 20 века на базе использования российского парка бурильных машин: Беркут, Стерх, Фигаро, СБГ-2, ПБУ, ЛБУ, БГМ, УБГ-СГ. Сегодня кроме отечественных буровых установок работают машины среднего класса западных фирм ТИИАЙ (TEI), КЛЕММ (Klemm), СОИЛМЕК ( Soilmec), КАСАГРАНДЕ ( Casagrande), ИДЖИТИ ( EGT). Среди компаний, которые сегодня используют технологии коротких проходных шнеков, можно назвать «МСО Геострой», «Восстановление», «ГРиФ», «Дрилворк», «Геостройсервис», «Инжстройреставрация» и другие.
Технология по устройству свай с использованием коротких проходных шнеков заключается в погружении шнеков (длина шнеков зависит от применяемого оборудования и варьируется от 900 до 2500мм) на проектную глубину, нагнетании мелкозернистого бетона по внутренней полости шнека с помощью бетононасоса при одновременном его извлечении и последующем погружении арматурного каркаса в заполненную бетоном скважину.
К преимуществам этой технологии относятся: отсутствие вибрации и ударов (что дает возможность работать вблизи существующих зданий), высокая несущая способность свай, высокая производительность (4 – 6 скважин глубиной 25 м в смену), хорошее качество заполнения скважины бетоном за счет подачи того под давлением, высокая точность постановки свай (весь процесс контролируется при помощи бортового компьютера). Данная технология оказывается вне всякой конкуренции на площадках с неравномерным напластованием грунтов.
Однако есть у нее особенности, требующие повышенного внимания. Так, требуется особо тщательное выполнение операции разъединения проходных шнеков при их подъеме, во избежание образования шеек и заплывания скважины грунтом. При бурении через прослои тугопластичных или полутвердых суглинков или глин скорость проходки снижается, поэтому необходим контроль соотношения скорости проходки и частоты вращения шнека для исключения выноса из скважины на дневную поверхность лишнего грунта. При бурении имеет место влияние на массив грунта, что вводит ограничение на количество одновременно устраиваемых скважин при работе вблизи существующих зданий (конкретно их число определяется ППР на основании геомониторинга).

Технология непрерывного проходного шнека (или технология SOB-колонны, CFA, (от англ. continuous flight auger)

Данная технология по устройству свай заключается в погружении непрерывного проходного шнека на проектную глубину, извлечении грунта в объеме разбуриваемой скважины на поверхность, нагнетании бетона по внутренней трубе шнека при одновременном извлечении шнековой колонны и последующем погружении арматурного каркаса вибропогружателем в заполненную бетоном скважину. Таким образом, формирование сваи происходит без дополнительного крепления стенок скважины.
Технология незаменима для грунтов, имеющих слои, существенно отличающиеся по прочности. Особенно она эффективна при проходке большой толщи песков, полутвердых и тугопластичных суглинков, когда изготовление свай уплотнения невозможно.
Наиболее безопасным для окружающих зданий является бурение со сравнительно небольшой частотой вращения рабочего органа и как следствие – со значительным крутящим моментом (такой вид бурения принято называть медленновращательным). Оно производится разными по конструкции рабочими органами на основе шнекового бура.
Шнековый бур для медленновращательного бурения представляет собой механический бурильный инструмент, имеющий в качестве породоразрушающего элемента бурильную головку и шнек для аккумулирования и транспортировки на поверхность разрушенного грунта. Шнековые буры чаще всего изготавливают с одной (однозаходный), реже с двумя (двухзаходный) шнековыми спиралями. Торцы шнека, подверженные значительному износу, наплавляют износостойкими сплавами. Породоразрушающая бурильная головка имеет либо плоские, либо круглые резцы, а иногда комбинацию тех и других. Резцы снаряжены твердосплавными элементами, которые значительно повышают их износоустойчивость. В процессе эксплуатации, по мере износа они подлежат замене.
Серьезным преимуществом является высокая производительность (до 20 свай глубиной 25 м в сутки) и высокое качество заполнения скважины бетоном, так как бетонная смесь подается под давлением при помощи бетононасоса.
Необходимо обратить внимание на то, что при устройстве свай по технологии SOB-колонны (CFA) происходит тиксотропное разупрочнение грунта в околосвайном массиве, следствием чего введено ограничение по ее использованию вблизи существующих зданий, если модуль деформации грунта меньше 5 МПа, а угол внутреннего трения меньше 10 градусов.
При устройстве буронабивных свай в водонасыщенных грунтах наиболее надежной защитой от обрушения стенок скважин при бурении является использование обсадных труб.

Технология устройства свай под защитой обсадной трубы

Наиболее распространенная в нашем регионе, она заключается в погружении инвентарной трубы с помощью вращателя и трубовкручивающего стола (осциллятора). Данная технология позволяет изготавливать буронабивные сваи диаметром 450, 600, 620, 700, 770, 880, 1000, 1200, 1500, 1800 мм. Известны примеры бурения скважин диаметром 1500 мм на глубину до 75 м.
Следует отметить, что при бурении в слабых водонасыщенных грунтах обсадная труба вкручивается с опережением относительно уровня выемки грунта (положения рабочего бурового органа). Таким образом формируется грунтовая пробка. Во избежание попадания грунта из-за трубного пространства внутрь скважины разницу хода между обсадной трубой и шнеком обычно принимают равной 3 – 4 м, иногда до 6 – 7 м (точно определяется ППР). В некоторых случаях при наличии напорных горизонтов подземных вод необходимо создание противодавленияв скважине посредством заполнения ее водой или глинистым раствором. Использование обсадной трубы позволяет перекрывать горизонты плывунных грунтов, обеспечивать безопасность ведения свайных работ, контролировать параметры буровой скважины, гарантировать высокое качество заполнения скважины бетоном. Данный вид свай является наиболее популярным среди транспортных строителей и мостостроителей в силу его высокой надежности.

Преимуществами данной технологии являются:
Отсутствие динамических и вибрационных воздействий на грунт, что делает возможным устройство свай вблизи существующих зданий и сооружений.
Высокая надежность современного оборудования позволяет безошибочно контролировать процесс бурения с достижением несущего слоя.
Возможность разбуривания или извлечения валунов.
Заполнение скважины производится через бетонолитную трубу, что исключает образование шеек при наличии в скважине арматурного каркаса.
В процессе бурения осуществляется прямой контроль соответствия фактических инженерно-геологических условий проектным, что позволяет исключить ошибки и найти оптимальное решение.
Возможность устройства уширения позволяет наиболее полно использовать несущую способность сваи.
При устройстве свай по данной технологии особое внимание необходимо обратить на то, что во время прохождения водонасыщенных грунтов, во избежание выпора грунта в скважине, необходимо создавать или грунтовую пробку большой длины, или избыточное давление с помощью воды или глинистого раствора. Принимая во внимание невысокую производительность и возможность воспринимать значительные нагрузки, проектные решения могут обеспечивать полное использование несущей способности свай по грунту. В качестве примера можно привести конструкцию использования системы «свая-колонна», что существенно минимизирует затраты на фундирование (т.е. устройство фундаментов).
Для решения проблемы производительности была разработана технология двойного вращателя (Double Rotary)

Технология двойного вращателя (Double Rotary)

Ее особенность – наличие системы двойного вращателя: верхний вращатель приводит в движение непрерывный проходной шнек, а нижний – поворачивает обсадную трубу в противоположном направлении. При этом возможны следующие размеры свай: 300, 350, 400, 450, 500, 550 мм. По окончании бурения по внутренней трубе проходного шнека из бетононасоса под давлением подается бетон. Технология двойного вращателя абсолютно безопасна при устройстве буронабивных свай вблизи существующих зданий. К преимуществам устройства буронабивных свай методом двойного можно отнести: Возможность ее применения для всех видов дисперсных грунтов (несвязные плотные грунты, илы, твердые глины).
Отсутствие шума и значимых вибрационных воздействий позволяет устраивать сваи вблизи существующих зданий.
Высокая производительность – до 24 свай глубиной до 25 м в смену.
Высокое качество заполнения скважины бетоном за счет подачи бетона под давлением.
Параметры бурения контролируются высокоточным бортовым компьютером.
Возможность выполнять конструкции «стена в грунте» из секущихся свай.

Технология устройства набивных свай уплотнения (DDS)

Основана на принципе раскатки скважин, т. е. устраивается без выемки грунта, с уплотнением стенок скважины, посредством применения рабочего органа – раскатчика. Происходит непрерывный процесс образования цилиндрической полости в грунте путем его деформации и уплотнения раскатывающим механизмом в стенки скважины. Благодаря этому вокруг скважины образуется уплотненная зона грунта. Раскатчик представляет собой ряд установленных последовательно друг на друга на общем валу конических катков, оси которых смещены относительно оси вала в стороны таким образом, что при вращении вала они катятся по винтовой линии, осуществляя подачу раскатчика. Это позволяет осуществлять проходку в грунте благодаря крутящему моменту, приложенному к валу раскатчика. Использование раскатчика обеспечивает бурение скважин с гладкими и прочными стенками значительного диаметра (до 1 м). И это с достаточно высокой скоростью, при отсутствии вибрации и шума, что делает технологию набивных свай уплотнения особенно привлекательной при работе в условиях плотной городской застройки. Кроме того, ее применение снижает стоимость работ за счет экономии на затратах по вывозу грунта.
При реализации технологии устройства набивных свай уплотнения требуется жесткое соблюдение порядка ведения работ, так как и в других технологиях уплотнения возможно влияние на вблизи расположенные дома вследствие выпора грунта при массовом производстве работ .
Другая разновидность свай, изготавливаемых без выемки грунта, – сваи Atlas, разработчиком технологии которых является бельгийская Франки Групп.

Технология изготовления свай АТЛАС ( Atlas)

Технологической особенностью свай АТЛАС (они относятся к набивным) является погружение обсадной трубы с оставляемым наконечником, что позволяет погружать бетонную смесь в сухой забой. Для устройства свай по данной технологии используются буровые машины, обеспечивающие одновременное вращение и перемещение обсадной трубы. Данная технология предполагает наличие большого усилия для извлечения обсадной трубы с винтовым забурником на конце. Технологический порядок выполнения работ при устройстве свай по данной технологии выглядит следующим образом:
Ввинчивание трубы снабжённой в нижней части забурником с винтовыми лопастями и теряемым режущим наконечником до проектной отметки.
Установка армокаркаса в погруженную трубу и начало нагнетания бетонной смеси.
Бетонирование с одновременным извлечением обсадной трубы, посредством вращения при помощи вертикальной тяги тросов (наконечник остается в грунте, что позволяет увеличивать несущую способность свай).
Применяются режущие наконечники диаметром: 360, 410, 460, 510 мм. , при их использовании диаметр винтовой поверхности составляет соответственно 530, 610, 670, 720 мм. Винтообразная поверхность формируется в тугопластичных и полутвердых глинистых грунтах; в мягкопластичных грунтах явно выраженной винтовой формы поверхности не образуется. Производительность – до 15 свай в смену. Технология изготовления набивных свай с использованием винтового забурника и теряемого режущего наконечника включает в себя погружение инвентарной трубы, на нижнем конце которой закрепляется теряемый режущий наконечник. Различие заключается в форме теряемого наконечника и принципе формирования ствола сваи. Шаг винтовых лопастей забурника и их форма определяются расчетом в зависимости от свойств разбуриваемого грунта.
В настоящее время для устройства свай АТЛАС применяются две различные технологии– ФУНДЕКС (Fundex) и ЮНТАН (Junttan). Обе основаны на одном принципе, хотя используются разные типы бурового оборудования.
Сваи ФУНДЕКС изготавливаются установками вращательно-вдавливающего (извлекающего) действия (F12, F16, F 3500). Пятой будущей сваи служит «теряемый» чугунный винтовой наконечник, который выставляется на точку поверхности грунтового основания.
Сваи с теряемым наконечником ЮНТАН выполняются с использованием универсальных базовых машин PM 25, PM 26 или PM 30, оснащенных вращателем с вращающим усилием 40 т*м.
К наконечнику с помощью специального соединения через тройную гидроизолирующую мягкую прокладку крепится нижний конец обсадной трубы, ее верхний конец зажимается в силовом рабочем органе бурового стола, перемещающегося по направляющей стреле.
Скважина для будущей сваи создается путем вращательно-вдавливающего погружения до заданной отметки системы «наконечник – буровая труба». В процессе бурения грунт раздвигается в радиальном направлении от оси скважины и одновременно уплотняется. По достижении наконечником проектной отметки труба проверяется на отсутствие воды.
В сухую инвентарную трубу через открытый верхний конец опускается арматурный каркас. Перед бетонной смесью для предотвращения ее расслоения в трубу подается порция праймера, состоящего из одной части цемента, одной части песка и одной части воды. После чего происходит порционное заполнение полости пластичным бетоном на мелком (5...20 мм) заполнителе с осадкой конуса 12...14 см посредством сбрасывания бетонной смеси из установленного на трубу бункера.
Извлечение буровой трубы из грунта производится возвратным вращением с одновременным вытягиванием.

Технология устройства свай Атлас.

Сваи ФРАНКИ

Буронабивные сваи данной технологии устраиваются без выемки грунта путем погружения инвентарных обсадных труб, нижний конец которых закрыт бетонной пробкой. Погружение трубы в грунт производится ударным способом до проектной отметки, далее трубу удерживают, предотвращая ее дальнейшее погружение, а пробку как бы вбивают в грунт, образуя тем самым уширение пяты сваи, диаметр которой в 1,5 – 2 раза превышает диаметр обсадной трубы.

Порядок выполнения работ:
Установка обсадной трубы на точку бурения. Подача жесткой бетонной смеси в трубу и формирование пробки за счет ударов молота-трамбовки по уложенной бетонной смеси.
Бетонная пробка схватывается с обсадной трубой и при последующих ударах молота начинает погружение в грунт, увлекая за собой трубу.
После достижения проектной глубины обсадную трубу подвешивают на тросах и производят подачу жесткой железобетонной смеси. Ударами трамбовки выбивают пробку. Пробка втрамбовывается в грунт и образует уширенную пяту сваи.
Затем в трубу погружают арматурный каркас и производят бетонирование с постепенным извлечением обсадной трубы.