Буроинъекционные сваи являются разновидностью буронабивных свай. Основным их отличием является то, что они не предназначены для восприятия больших вертикальных нагрузок, а предназначены для решения следующих задач:
- инъецирование твердеющего материала в тело бутовой или кирпичной кладки при усилении фундаментом и стен зданий;
- создание под подошвой фундаментов зоны уплотненного и закрепленного «сцементизированного грунта»;
- создание зоны уплотненного грунта на различных горизонтах (по всей длине скважины) при глубинном уплотнении грунтов.
Вследствие этого, буроинъекционные сваи отличаются небольшими диаметрами (не более 200мм) и значительной длиной. Как правило, такие сваи н армируются, и это обстоятельство предъявляет повышенные требования к прочности материала свай.
Известны исследования и некоторый опыт устройства буроинъекционных свай по разрядно-импульсной технологии (РИТ). Сущность данной технологии заключается в передаче динамических воздействий в теле сваи на окружающий скважину грунт через твердеющий материал. Данные воздействия могут создаваться ударными волнами, сопровождающими высоковольтный электрический разряд в твердеющем материале сваи. РИТ отличается легкой управляемостью процессом электровзрыва, возможностью его многократной повторяемости. Именно поэтому данная технология устройства буронабивных свай нашла свою нишу в фундаментостроении и изложена в Технических рекомендациях НИИОСП им. Н. М. Герсеванова.
В зависимости от диаметра свай в качестве материала формирующего тело сваи применяются цементные бетоны с фракцией щебня 20 – 40 мм. При выборе энергетических параметров электро-разрядных установок (генераторов импульсных токов) исследователи, как правило, руководствуются тем, что для увеличения мощности выделяемой энергии в канале разряда целесообразно увеличивать напряжение на электродной системе (разряднике), так как N = CU2/2, где: N – мощность, С – емкость конденсатора, U – напряжение.
В результате чего для данной технологии применяются напряжения доходящие до 40~50 кВ и относительно небольшие электрические емкости ГИТов (до 100~200 мкФ).
При больших диаметрах свай и относительно высокой плотности бетонной смеси в теле сваи (по сравнению с окружающим сваю грунтом) данное решение является целесообразным.
Однако в случае буроинъекционных свай, основной задачей которых является уплотнение околоскваженного грунта целесообразно увеличивать время протекания разряда и следовательно, время действия ударной волны на грунт.
Очевидно, что увеличение время протекания электрического разряда всецело зависит от величины ее емкости конденсатора ГИТа. Как следует из диаграмм (Рис.1) характер протекания процесса при различных протеканиях U и С при фиксированных б и Е различается. При увеличении ёмкости (С = 2000 мкФ) время протекания пробоя, а следовательно и время действия импульса давления на грунт, увеличивается в несколько раз.
Рисунок 1. Характер развития давления (Pg) при фиксированных значениях б, Е.
1 – Pg при U = 10 кВ и С = 400 мкФ
2 -- Pg при U = 5 кВ и С = 2000 мкФ
Кроме увеличения времени действия давления во фронте волны сжатия, применение относительно низких (не более 5 кВ) напряжений и большой электрической ёмкости генератора импульсных токов имеет еще одно довольно существенное преимущество. Напряжение свыше 10 кВ ведет к быстрому (по квадратической зависимости) росту мощности выделяемой энергии (N = CU2/2). По условиям техники безопасности при применении таких напряжений нахождение людей в радиусе ближе 10 м категорически не допускается, в том числе и обслуживающий персонал разрядно-импульсной установки.
Характер распределения Рg в твердеющем материале сваи и в околоскваженном грунте носит сложный характер и зависит от многих трудно фиксируемых факторов. Снижение давления во фронте ударной волны сжатия происходит по экспоненте (Рис.2) с учётом коэффициента затухания меняющихся в твердеющей смеси и грунте после каждого импульса (разряда).
Рисунок 2. Характер распределения динамического давления во фронте ударной волны сжатия в твердеющем материале сваи и грунте. Плоскость раздела фаз (бетон – грунт), до электрического разряда (а) и после (в).
1 и 1а – изменение Pg в твердеющем материале до и после уширения скважины;
2 и 2а – изменение Pg в грунте до и поле уширения ;
Р0 -- динамическое давление на стенку скважины;
Рг.б – гидростатическое давление материала сваи.
Экспериментальным путём установлено, что в зависимости от характеристик грунта и состава твердеющего материала тела сваи при энергии разряда в 40 кДж давление в грунте на расстоянии 1 м от центра скважины составляет 3,5 ~ 3,8 МПа, на расстоянии 1,5 м – давление равно 1,5 МПа. Этого давления достаточно для увеличения плотности грунта 15~20% , что делает предлагаемую технологию конкурентно способной по сравнению с традиционными способами глубинного уплотнения грунтов.
Немаловажным фактором эффективности технологии уплотнения грунтов с применением РИТ является подбор состава твердеющей смеси, закачиваемой в скважину.
Критериями здесь служат высокая проницаемость смеси в межзерновое пространство грунтового массива и обеспечение прочной связки массива грунта при ее последующем твердении. К тому же твердеющая смесь по своему составу должна быть устойчива к действию агрессивных грунтовых вод.
Данным критериям, на наш взгляд, соответствуют растворы на шлакощелочных вяжущих (шлакощелочной цемент). В настоящее время он довольно широко используется, как в европейских странах, так и в Японии, и США. В России измельченный доменный шлак широко используется в качестве активных минеральных добавок при производстве цементов. К сожалению, как самостоятельное вяжущее ШЩВ в нашей стране в промышленных масштабах практически не применяется. Вместе с тем, научные исследования, выполненные различными авторами свидетельствуют о его преимуществах по сравнению с цементами:
- высока прочность (до 130 МПа);
- низкая теплоотдача при гидротации;
- высока скорость набора прочности;
- высокое сопротивление хлоридам, сульфатам и кислотам;
- большая плотность и морозостойкость (до 1000 циклов);
К тому же, себестоимость бетонов на ШЩВ в 1,5 – 2 раза ниже цементных. Причин тому, что ШЩВ практически не применяется в нашей стране много, и основными являются их подробный и аргументированный анализ, что не является целью данной статьи. Однако в последние годы, в связи с неоправданно высокими ценами на портландцемент и увеличивающимися объемами строительства применение ШЩВ становится, весьма, актуальным.
С целью определения возможности применения шлакощелочных растворов для буроинъекционных свай были выполнены исследования по подбору энергетических параметров ГИТа для получения устойчивого электрического пробоя шлакощелочных водных растворов, определены оптимальные величины межэлектродного зазора разрядника, емкость конденсатора и напряжение на электродах.
Экспериментальные исследования по устройству буроинъекционных свай с использованием измельченных доменных шлаков Череповецкого металлургического комбината и щёлочного активатора (кальцинированная сода) свидетельствуют, что при правильном сочетании шлака и активатора прочность растворов и бетонов, приготовленных на ШЩВ, не уступает прочности цементных бетонов при сжатии и изгибе. Данная технология может быть применена для изготовления буронабивных свай, для глубинного уплотнения грунтов и устройства ограждений глубоких котлованов методом «стена в грунте».
Л и т е р а т у р а
- ТР 206-09 Технические рекомендации по проектированию и производству работ по устройству ограждающих конструкций котлованов в стесненных условиях городской застройки. М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 2009.
- ТР 50-180-06 Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности. М.: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, 2006.
- Еремин В.Я. Разрядно-импульсные технологии на стройках России. М.: Журнал «Стройклуб» № 5-6* 2001. – 6 стр.
- Золотов В.М., Кадушкин Ю.В. Перспективы применения базальтошлакощелочного бетона для строительства сельскохозяйственных сооружений.// Сб. науч. тр. «Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования», ч. II - СПб. СПбГАУ, 2013 – 3 стр.
Аннотация
Статья посвящена совершенствованию технологии устройства буроинъекционных свай при усилении фундаментов зданий с применением разрядно-импульсной технологии (РИТ). Приводятся расчеты по оптимизации энергетических параметров генератора импульсных токов (ГИТ), а также рекомендации по применению в качестве твердеющего материала свай шлакощелочных растворов и бетонов.
Применение предлагаемой технологии позволит снизить себестоимость работ по устройству буроинъекционных свай, буронабивных свай, а также ограждений глубоких котлованов выполняемых методом «стена в грунте» за счет снижения стоимости материала и совершенствования технологии.
Annotation
The article is devoted to the improvement of the technology of the device of bored piles when strengthening the foundations of buildings with the use of discharge-pulse technology (DPT). Calculations are given for optimizing the energy parameters of pulsed current generators (GCB), as well as recommendations for using slag-alkaline solutions and concrete as a hardening material.
The application of the proposed technology will reduce the cost of work on the device of injection piles, as well as fencing of deep pits using the “wall in soil” method and “deep soil compaction” by about 2 times due to the reduction in material cost and improvement of technology.
