Б.Г. Фрейдман - технический директор ЗАО "Стройтрест - 28"
Подготовка к празднованию трехсотлетия города и реализация комплексной программы "Центр С-Петербурга" ставит задачи по реконструкции исторического центра, что предполагает строительство новых и реконструкцию старых объектов в зонах примыкания к существующим зданиям, многие из которых являются памятниками архитектуры и находятся под защитой государства При этом предпочтение отдается возведению в историческом центре города зданий на свайных фундаментах, опирающихся на глубинные прочные слои грунта. В этом случае обеспечивается минимальное воздействие статической нагрузки от нового здания на основание существующих строений, возведенных на фундаментах мелкого заложения. При строительстве зданий в стесненных городских условиях, наряду с сооружением буронабивных свай, все чаще начинают применять новые способы безударного погружения свай заводского изготовления. К ним относится, прежде всего, вдавливание. При всех различиях эти технологии объединяет щадящее отношение к окружающим зданиям и сооружениям. В настоящее время в С-Петербурге свайные работы по технологии вдавливания ведет ЗАО "Стройтрест - 28", который владеет различными технологиями статического погружения свай с применением ряда сваевдавливающих установок УСВ-200, УСВ-120, УСВ-120М.
Установка по вдавливанию свай УСВ-200 была разработана и изготовлена в начале 70-х годов в Главленинградстрое. Установка проста в обслуживании, не энергоемка и позволяет погружать сваи с несущей способностью до 200-250т в тяжелые грунты с коэффициентом консистенции IL > 0,2. Недостатками ее являются малая производительность из-за необходимости перемонтажа на каждой свае, отсутствие возможности корректировки направления сваи в процессе погружения, большие габариты, что позволяет применять установку главным образом в условиях квартальной застройки, в зонах примыкания к существующим зданиям.
Возникшая необходимость производства свайных работ в стесненных условиях плотной застройки исторического центра города определила потребность совершенствования технологий вдавливания, внедрения нового оборудования. Самоходная электрогидравлическая сваевдавливающая установка УСВ-120М на базе экскаватора Э6122, разработанная совместно институтом ВНИИГС и ЗАО «Стройтрест-28», значительно превосходит УСВ-200 по технологическим возможностям. На установке реализован циклический принцип погружения, хорошо зарекомендовавший себя в процессе эксплуатации сваевдавливающей установки УСВ-200. Технологические возможности установки расширяет клиновой механизм зажима, позволяющий зажимать сваю по всем четырем боковым поверхностям, а также погружать и извлекать шпунт. Реактивная нагрузка воспринимается собственным весом машины. Таким образом, установка УСВ-120М, сохраняя все достоинства предшествующей, лишена ее основных недостатков. Она высокопроизводительна, мобильна, позволяет погружать сваи на расстоянии менее 1м от существующих зданий, погружать и извлекать шпунт. Если производительность установки УСВ-200 не превышает 2-3 свай в смену, то УСВ-120М погружает в зависимости от характеристик грунта 10-12 свай той же длины и сечения. УСВ-120М имеет самопишущий прибор контроля, позволяющий вести постоянный мониторинг усилия вдавливания в процессе погружения сваи, что значительно повышает точность расчета несущей способности сваи, что в ряде случаев позволило отказаться от проведения динамических испытаний. Установка была рассчитана на применение в условиях связных грунтов с показателем консистенции IL > 0,3. Однако получен положительный опыт вдавливания свай в плотных и средней плотности глинистых и песчаных грунтах с показателем консистенции IL < 0,2 с применением лидерного рыхления грунта буровым оборудованием, которым снабжена установка. Основными недостатками этой установки являются высокая энерго- и металлоемкость, необходимость специального транспорта для доставки к месту производства работ.
Следующим шагом по расширению технологических возможностей метода вдавливания станет внедрение сваевдавливающей установки УСВ-300, которая в настоящее время находится в стадии разработки. Это установка мостового типа с торцевой передачей усилия на сваю. Реактивное усилие воспринимается анкерными сваями специальной конструкции. По энергоемкости она не превышает показатели УСВ-200, не требуя при этом громоздкого пригруза, а по производительности приближается к показателям УСВ-120М, имея существенно более низкие транспортные габариты. Кроме того, анкерный способ восприятия реактивных нагрузок позволяет полностью исключить динамические нагрузки на грунт, связанные с приподниманием установки над поверхностью грунта при высоких значениях усилия вдавливания.
Опыт применения метода статического вдавливания выявил следующие преимущества:
- минимальны динамические нагрузки как на погружаемую сваю, так и на конструкцию рядом расположенных зданий и сооружений;
- возможность применения свай с низкой маркой бетона и металлоемкостью;
- применение свай заводского изготовления, что гарантирует качество армирования и бетона;
- обеспечивается высокая точность погружения свай;
- осуществляется непрерывный контроль усилия вдавливания и ведется оценка несущей способности свай;
- исключаются вибрации, шум и загазованность воздуха, что важно с позицией охраны окружающей среды.
Вместе с тем у метода есть определенные недостатки, по устранению которых в настоящее время ведутся исследования:
- наличие определенных динамических нагрузок на грунт при прохождении сваями плотных слоев, связанные с так называемой «раскачкой» сваи, когда реакция грунта превышает рабочее усилие установки;
- ограничения применяемости метода по геологическим условиям строительных площадок;
- динамика при проведении лидерного рыхления грунта бурением и осадки грунта из-за его частичного извлечения из скважины;
Исследования степени влияния различных методов вдавливания на колебания грунта и осадки соседних зданий с целью расширения возможностей оборудования и подбора оптимальных технологических приемов проводились на основании данных геомониторинга, проводимого специалистами ЗАО «Геореконструкция», при устройстве свайного фундамента на объекте ул. Шпалерная д.50. В геологическом отношении грунты на стройплощадке представляют собой пылеватые пески, пылеватые супеси и суглинки с прослойками гравелистых с валунами полутвердых супесей. Верхний слой – насыпные грунты с остатками старых фундаментов. Грунтовые условия площадки можно охарактеризовать как неблагоприятные, в виду их сильной сжимаемости и способности быстро переходить в текучее состояние. Грунты весьма чувствительны к динамическим воздействиям, в частности, к низкочастотным (ударным) воздействиям. Исходя из этого, в проекте предусматривалось погружение свай методом статического вдавливания с бурением верхнего слоя.
Первоначально погружение производилось установкой УСВ-200 без лидерного рыхления. Анализ данных геомониторинга показал наличие значительных колебаний грунта на последних стадиях погружения. Результаты этого анализа приведены в диаграмме на Рис. 1. На ней в графическом виде представлены ускорения колебаний грунта, измеренные на разных расстояниях от установки при погружении сваи на установленную глубину.
Рис. 1 Диаграмма изменения ускорений колебаний грунта в зависимости от глубины погружения сваи установкой УСВ-200 на объекте Шпалерная,50: А – на расстоянии 15м от установки; Б - на расстоянии 1,5м от установки.
Замеры проводились при погружении второй секции сваи с отметки от –16м до -28м от поверхности. Из диаграммы видно, что при прохождении сваей отметки 19-20м ускорение колебаний грунта достигало 0,14м/с2 (0,014g), что близко к предельно допустимой величине 0,15м/с2, определяемой ВСН-490-87. При этом амплитуда смещения достигала 237мкм, что при длительном воздействии могло привести к значительным осадкам соседних зданий. Наблюдения за работой установки показали, что динамические нагрузки связаны с тем, что при возрастании реактивного сопротивления грунта до 140-150т в момент перехвата сваи зажимным устройством установка всей массой ударялась о грунт.
Для исключения негативных воздействий на соседние здания последующее погружение свай производилось установкой УСВ-120 с лидерным рыхлением грунта шнековым буром диаметром 380мм на глубину 24м (при длине сваи 28м) с тем, чтобы не нарушать сплошности несущего слоя сваи, определенного проектом. Данные замеров были проанализированы теми же методами. Результаты анализа приведены в диаграмме на Рис. 2. На диаграмме «Б» представлены данные ускорения колебаний стены соседнего здания в процессе погружения сваи. Из диаграммы видно, что применение данной технологии существенно снизило влияние негативных факторов по сравнению с предыдущим методом.
Рис. 2 Диаграмма изменения ускорений колебаний стены соседнего здания в зависимости от глубины погружения свай установкой УСВ-120 на объекте Шпалерная,50: А – с применением пригруза; Б - без применения пригруза.
Пиковые динамические нагрузки, возникающие при погружении сваи в плотный несущий слой на отметке –24м, объясняются так называемой «раскачкой», когда к свае циклически прикладывается нагрузка обратного знака, выдергивающая. Таким способом удается пройти плотные слои грунта. При этом установка поднимается, опираясь на сваю, и в момент изменения направления нагрузки ударяется о грунт. Чтобы снизить эти динамические нагрузки была разработана технология погружения свай с пригрузом установки. Дополнительные грузы, расположенные на кронштейнах, закрепленных на раме установки, опираются на грунт на протяжении всего процесса погружения сваи. Если сопротивление вдавливаемой сваи превышает усилие, развиваемое собственным весом установки, машина стремится приподняться над грунтом, опираясь на сваю. При этом вес груза, установленного на кронштейны, через тяги передается на раму установки, что приводит к увеличению усилия вдавливания, не позволяя установке приподняться над грунтом, что исключает динамику в момент перехвата сваи. Эффект применения такой технологии представлен на диаграмме «А» рис. 2, из которой видно, что колебания грунта при ее применении существенно снизились. Статические испытания свай, проведенные по окончанию работ, показали, что величина несущей нагрузки свай, погруженных без лидерного рыхления и с лидерным рыхлением, после необходимого «отдыха» практически одинакова.
Кроме того, на объекте Шпалерная,50 было проанализировано влияние негативных факторов, возникающих при лидерном рыхлении грунта шнековым буром. Динамические нагрузки, возникающие при рыхлении плотных слоев грунта, особенно гравелистых прослоек с валунами, оказались по величине сравнимыми с нагрузками от погружения свай. А частичное извлечение грунта из скважины, предотвратить которое невозможно при шнековом бурении, приводило к подвижкам грунта на горизонте проходки, что определенно сказывалось на осадках соседних зданий. В настоящее время ведутся исследования по подбору оптимальных режимов бурения и конструкции бура, которые позволили бы минимизировать эти негативные влияния.
Рис. 3 Диаграмма развития осадок соседних зданий при производстве свайных работ на объекте Шпалерная,50: А – дворовый фасад здания гимназии; Б - дворовый фасад дома №50; В – лицевой фасад здания гимназии.
На Рис. 3 представлена диаграмма, полученная в результате обработки данных наблюдений за осадками соседних зданий за все время производства свайных работ. Диаграмма наглядно иллюстрирует динамику развития осадок в зависимости от изменения технологий погружения свай. Осадки первого периода наблюдений с 15 по 25 день связаны с применением установки УСВ-200. После применения методов лидерного рыхления с пригрузом установки УСВ-120, как показывает диаграмма, осадки оставались практически нулевыми за весь период погружения свай вдавливанием. Дальнейшее нарастание осадок с 140 дня наблюдений объясняется погружением свай динамическими методами в разрешенных для этого зонах и работами по откопке котлована.
Таким образом, опыт применения вдавливания свай позволяет сделать вывод о том, что этот метод является одним из наиболее конкурентных и перспективных для решения сложных задач устройства свайных фундаментов в реконструируемом центре города и требует дальнейшего изучения и развития. Заслуживает внимания и разработка технологий усиления существующих фундаментов мелкого заложения при реконструкции и реставрации памятников архитектуры с применением статически вдавленных свай. Возможность погружения наклонных свай заводского изготовления при производстве таких работ может составить серьезную конкуренцию традиционным технологиям сооружения буроинъекционных свай.