Cement-based piles application efficiency

Full Text

Долговечность и безаварийность зданий и сооружений во многом определяются конструкцией и технологией производства оснований и фундаментов при возведении объектов промышленного и гражданского строительства. Многообразие вариантов возведения оснований и фундаментов расширяет возможности оптимизации строительства на нулевом цикле [1–6]. Существенное сокращение затрат при разработке и возведении оснований зданий и сооружений позволяет применять свайные фундаменты, объем внедрения которых увеличивается с каждым годом.

Конструкции и технологии возведения свайных фундаментов зависят от вида грунта, формы и размеров строительных площадок. Очень важно обладать достоверной и полной информацией о свойствах грунтов на строительных площадках. Для возведения свайных фундаментов максимально целесообразным является применение местных строительных материалов, укрепленных связующим материалом, например цементом. Однако разнообразные климатические, грунтовые и гидрологические факторы обусловливают повышенные требования к физико-механическим свойствам укрепленных цементом грунтов. Кроме того, низкая морозостойкость является еще одним недостатком цементогрунтов, значительно снижающим эксплуатационные характеристики верхней части оснований и фундаментов зданий и сооружений. На прочностные характеристики цементогрунтов также влияет степень измельчения грунтового компонента перед добавлением его в цементогрунтовую смесь и получением нового связующего материала для устройства цементогрунтовых свай буросмесительным способом [7–12].

Комплексное изучение процессов, происходящих в цементогрунтах, позволит повысить технологичность возведения свайных фундаментов, выполненных на основе цементогрунтов. Выбор оптимального состава цементогрунтовой смеси в интересах повышения технологичности производства свайных работ с учетом повышения их морозостойкости обусловливает проведение комплексных исследований. Совершенствование технологии возведение цементогрунтовых свай с применением механоактивации позволит обеспечить потребности строительной отрасли в дешевых строительных материалах на основе местных грунтов.

Цель работы

Цель работы — выполнение технико-экономической оценки эффективности применения в строительстве цементогрунтовых свай и разработка рекомендации по их сооружению.

Материалы и методы

При освоении под строительные площадки территорий, которые ранее не застраивались по причине сложности инженерно-геологических условий вследствие неоднородности грунтов, проектные организации все чаще применяют сваи при конструировании фундаментов зданий и сооружений.

В последние два десятиления применяют различные конструкции и технологии изготовления свай. Широкое распространение получили сваи заводского изготовления: винтовые, забивные и других конструкций.

Существуют различные технологии изготовления свай непосредственно на строительной площадке. Рассмотрим одну из таких технологий (рис. 1).

 

Рис. 1. Технология изготовления свайного фундамента на строительной площадке: 1 — сверление отверстия; 2 — размещение внутри отверстия стальной трубы; 3 — размещение в трубе каркаса арматуры; 4 — заливка бетоном каркаса; 5 — извлечение трубы

Fig. 1. Technology for making a pile foundation on a construction site: 1 — drilling a hole; 2 — placing a steel pipe inside the hole; 3 — placing a reinforcement frame in the pipe; 4 — pouring concrete into the frame; 5 — removing the pipe

 

Технологический процесс изготовления свайного фундамента на строительной площадке состоит из пяти этапов (см. рис. 1). На этапе 1 бурильной установкой формируют в грунте скважину под будущую сваю. На этапе 2 в скважину, полученную на этапе 1 технологического процесса, погружают трубу соответствующего диаметра, которая выполняет роль опалубки. На этапе 3 в трубе размещают стальной арматурный каркас. На этапе 4 стальной арматурный каркас заливают бетонной смесью. Бетонную смесь уплотняют вибратором. Не дожидаясь отверждения бетонной смеси, на этапе 5 из сырого бетонного раствора извлекают трубу. После отверждения бетонной смеси полученная свая готова для дальнейшего сооружения фундамента.

К преимуществам рассмотренной технологии изготовления свайного фундамента следует отнести, следующие:

• возможность сооружать фундамент строящегося здания или сооружения вблизи существующих построек, поскольку данная технология относится к категории безударных;
• большая несущая способность полученного по данной технологии фундамента;
• возможность устройства фундамента по данной технологии в любых грунтовых условиях.

К недостаткам рассмотренной технологии изготовления свайного фундамента относят необходимость прогрева бетонной смеси в зимнее время, так как бетонирование происходит в полевых условиях, и сложность контроля качества формирования скважины.

Однако при строительстве зданий и сооружений, особенно на неоднородных грунтах в сложных инженерно-геологических условиях, свайные фундаменты составляют примерно 25 % общего объема сооружаемых фундаментов, поэтому исследования по совершенствованию технологии их возведения в настоящее время приобрели широкую актуальность. Прежде всего это технологии, которые при обеспечении прочности и надежности свайных фундаментов позволяют снизить трудоемкость и стоимость изготовления.

Одним из наиболее перспективных способов сооружения свайных фундаментов является буросмесительный способ [13–18].

Буросмесительный способ сооружения свайных фундаментов позволяет закреплять все виды структурно-неустойчивых и слабых грунтов независимо от их влажности и расположения горизонта подземных вод. Буросмесительный способ достаточно экономичен по следующим причинам:

• в составе материала свай используются местные грунты;
• технологический процесс отличается низкой стоимостью;
• работы механизированы на высоком уровне;
• грунты (присадочные грунты любой влажности и активности, глинистые текучие и текуче-пластичные грунты, рыхлые водонасыщенные пески) под строящимся объектом будут закреплены.

Этот способ отличается экологической чистотой и возможностью применения как для сооружения фундаментов новых зданий и сооружений, так и для реконструкции уже существующих.

Многолетний опыт укрепления грунтов подтверждает необходимость совершенствования методов улучшения свойств цементогрунтовых свайных фундаментов [19–24]. Одним из них является метод механоактивации грунтов, который позволяет снизить расход цемента и повысить прочность цементогрунтовых свайных фундаментов.

Буросмесительный способ сооружения свайных фундаментов с механоактивацией грунтов можно реализовать с помощью буросмесительных машин, буровых установок, полых буровых штанг, обеспечивающих принудительную подачу бурового состава (рис. 2).

 

Рис. 2. Технологическая схема изготовления цементогрунтовых свай буросмесительным способом с применением механоактивации: 1 — устройство приямка; 2 — погружение буросмесителя и перевод грунта в текучее состояние; 3 — скважина, заполненная грунтом текучей консистенции; 4 — выглубление буросмесителя и подача водогрунтоцементного раствора; 5 — готовая свая

Fig. 2. Technological scheme for manufacturing cement-soil piles using the drilling-mixing method with the use of mechanical activation: 1 — pit device; 2 — boring -mixing device immersion and conversion of the soil into a fluid state; 3 — a borehole filled with fluid-consistency soil; 4 — drilling-mixing device excavation and supply of water-soil-cement matrix; 5 — finished pile

 

Технологическая схема изготовления цементогрунтовых свай буросмесительным способом с применением механоактивации грунта состоит из следующих операций (см. рис. 2):

1. устройство приямка;
2. погружение буросмесителя и перевод грунта в тягучее состояние;
3. заполнение скважины грунтом тягучей консистенции;
4. выглубление буросмесителя и подача водогрунтоцементного раствора.

Устройство приямка осуществляют бурением приемной скважины диаметром на 0,1 м больше диаметра сооружаемой сваи и глубиной 0,5–2,0 м в зависимости от длины будущей сваи и физико-механических свойств грунта. Приемная скважина предназначена для приема избытка цементогрунтовой смеси, возникшей при подаче в грунт воды и цемента. Извлеченный из скважины грунт применяют для приготовления механоактивированной цементогрунтовой смеси. В зависимости от физико-механических свойств грунта и количества вводимого связующего материала определяют глубину скважины.

Погружение буросмесителя и перевод грунта в тягучее состояние выполняют бурением грунта лопастным буросмесителем и подачей воды для перевода размельченного грунта в тягучее состояние.

Заполнение скважины грунтом тягучей консистенции проводят посредством подачи воды при погружении буросмесителя в грунт. В этом случае одновременно происходят два процесса: резание грунта и его увлажнение до тягучего состояния.

Выглубление буросмесителя и подача водогрунтоцементного раствора проводят посредством извлечения буросмесителя с одновременной подачей водогрунтоцементной смеси в необходимом объеме для поступления в грунтовую массу расчетного количества цемента.

Сооружение свайного фундамента в текучих смесях по сравнению с пластичными в 3 раза уменьшает время погружения и извлечения буросмесителя за счет увеличения частоты вращения до 130 об./мин и в 2–3 раза снижает усилие резания грунта. Кроме того, разработка грунта буросмесителем с подачей в скважину заданного объема воды для перевода грунта в тягучее состояние позволяет получить грунт необходимой степени измельчения.

Основными преимуществами буросмесительного способа сооружения свайных фундаментов с механоактивацией грунтов применение в качестве материала свай местного грунта, извлеченного непосредственно из скважины, и возможность монтажа свай рядом с существующими фундаментами и другими подземными сооружениями без их повреждения.

Результаты и обсуждение

Как указано выше высокая эффективность сооружения свайных фундаментов буросмесительным способом с механоактивацией из цементогрунтов обеспечивается применением местных грунтов в качестве основного материала. Это позволяет получить свайные материалы с высокими прочностными характеристиками. Особенно это относится к районам, не обладающим необходимым количеством каменных строительных материалов, которые в пределах Российской Федерации составляют 15 % территории. В связи с этим применение местных грунтов в качестве основного материала для свайных фундаментов при формировании цементогрунта дает реальное практическое преимущество.

Производство цементогрунтовых свай буросмесительным способом на основе механоактивированного связующего материала обеспечивает высокую экономическую эффективность за счет расхода цемента, являющегося главным дорогостоящим компонентом.

Прежде всего было проведено сравнение технических показателей при сооружении ленточных монолитных фундаментов и фундаментов на буросмесительных цементных сваях с монолитным ростверком (рис. 3–6).

 

Рис. 3. Расход бетона при сооружении ленточного и свайного фундаментов: 1 — ленточные монолитные; 2 — свайные с монолитным ростверком

Fig. 3. Concrete consumption in the construction of girder and pile foundations: 1 — monolithic strip; 2 — pile with a monolithic grillage

 

Рис. 4. Расход цемента при сооружении ленточного и свайного фундаментов (здесь и на рис. 5, 6 те же усл. об., что и на рис. 3)

Fig. 4. Cement consumption during the construction of girder and pile foundations

 

Рис. 5. Трудоемкость монтажа ленточного и свайного фундаментов

Fig. 5. The complexity of the installation of girder and pile foundations

 

Рис. 6. Общая трудоемкость сооружения ленточного и свайного фундаментов

Fig. 6. The overall complexity of the construction of girder and pile foundations

 

При выполнении расчетов технические показатели приведены на 1 пог. м. стен малоэтажных зданий с ленточными монолитными фундаментами и фундаментами на буросмесительных цементных сваях с монолитным ростверком при нагрузке 10 т на 1 пог. м.

В результате сравнительного анализа технических показателей при сооружении ленточных монолитных фундаментов и фундаментов на буросмесительных цементных сваях с монолитным ростверком можно утверждать, что значительным преимуществом характеризуются фундаменты на буросмесительных цементных сваях с монолитным ростверком по сравнению с ленточными монолитными фундаментами (табл. 1).

 

Таблица 1

Технические показатели по двум видам фундаментов

Technical indicators for two types of foundations

Показатель	Вид фундамента
	Ленточные монолитные фундаменты	Буросмесительные цементные сваи с монолитным ростверком
Расход бетона, кг	660	190
Расход цемента, кг	145	98,9
Трудоемкость монтажа, чел. ч	3,29	1,17
Общая трудоемкость, чел. ч	15,88	4,17

 

Кроме того, проведено сравнение технических показателей, установленных при сооружении фундаментов из сборных сплошных блоков, буронабивных бетонных свай и буросмесительных цементогрунтовых свай (рис. 7–9).

 

Рис. 7. Расход бетона при сооружении различных типов фундаментов: 1 — из сборных сплошных блоков; 2 — на буронабивных бетонных сваях; 3 — на буросмесительных цементогрунтовых сваях

Fig. 7. Concrete consumption in the construction of various types of foundations: 1 — from precast solid blocks; 2 — on bored concrete piles; 3 — on bored cement-soil piles

 

Рис. 8. Расход цемента при сооружении различных типов фундаментов (здесь и на рис. 9 те же усл. об., что и на рис. 7)

Fig. 8. Cement consumption during the construction of various types of foundations (here and in Fig. 9 are the same conditions as in Fig. 7)

 

Рис. 9. Трудоемкость монтажа при сооружении различных типов фундаментов

Fig. 9. The complexity of installation during the construction of various types of foundations

 

Расчеты технических показателей выполнялись при тех же условиях, т. е. на 1 пог. м. стен малоэтажных зданий с ленточными фундаментами из сборных бетонных блоков и фундаментами на буросмесительных цементных сваях со сборным ростверком при нагрузке 10 т на 1 пог. м.

В результате сравнительного анализа технических показателей при сооружении фундаментов из сборных бетонных блоков, буронабивных бетонных свай и буросмесительных цементогрунтовых свай со сборным ростверком можно утверждать, что значительным преимуществом характеризуются фундаменты на буросмесительных цкментогрунтовых сваях по сравнению с фундаментами из сборных бетонных блоков и буронабивных бетонных свай (табл. 2). Обращает на себя внимание равенство значений технического показателя расхода цемента при сооружении фундаментов на буронабивных бетонных и буросмесительных цементогрунтовых сваях 106 кг. Однако это не снижает преимущества сооружения фундаментов на буросмесительных цементогрунтовых сваях перед фундаментами на буронабивных бетонных сваях, поскольку возведение фундаментов на буронабивных бетонных сваях недопустимо рядом с существующими зданиями или сооружениями. Это связано с ударными воздействиями, которые необходимы при монтаже фундаментов на буронабивных бетонных сваях, способными нанести повреждения фундаментам рядом находящихся зданий или сооружений.

 

Таблица 2

Технические показатели по трем видам фундаментов

Technical indicators for three types of foundations

Показатель	Ленточный из сборных бетонных блоков	Буронабивные бетонные сваи	Буросмесительные цементогрунтовые сваи со сборным ростверком
Расход бетона, т	0,77	0,46	0,22
Расход цемента, т	0,17	0,106	0,106
Трудоемкость монтажа, чел. ч	3,84	3,99	2,9

 

Выводы

1. Применение вместо железобетонных забивных свай буронабивных способствует укреплению грунтов и повышает техникую эффективность строительного процесса.
2. Изготовление свай из цементогрунта буросмесительным способом с механоактивацией снижает потребность в крупном заполнителе, не требует вывоз грунта со строительной площадки.
3. При сооружении фундамента вместе с цементом в качестве механоактивированного компонента следует применять грунт из приямка.
4. Производство свай из цементогрунта буросмесительным способом с механоактивацией минимизиоует парк строительных машин и механизмов, сокращает количество строительных рабочих и снижает стоимость нулевого цикла.

About the authors

Vyacheslav I. Zaprudnov

BMSTU (Mytishchi Branch)

Email: zaprudnov@bmstu.ru

Dr. Sci. (Tech.), Professor 

Russian Federation, 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg.

Nikolay G. Seregin

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: SereginNG@mgsu.ru

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor 

Russian Federation, 26, Yaroslavl highway, 129337, Moscow

References

Supplementary files