Геотехникам известно более 150 видов свай [1]. В СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (действует с 20 мая 2011 г.) включен новый вид свай: сваи-РИТ, изготавливаемые с использованием электрических разрядов импульсов тока (РИТ). Более 90 тысяч свай-РИТ уже работают в основаниях более 900 объектов, в т.ч. повышенного уровня ответственности и уникальных зданий. Но, несмотря на это, многие специалисты до сих пор еще не слышали о таких сваях.
Высотные здания на сваях-РИТ
Первая высотка (36 этажей) на сваях-РИТ была построена концерном «МонАрх и С» в русле р. Раменка, засыпанном при строительстве станции метро «Проспект Вернадского». Грунтовые условия для строительства оказались очень сложными. В процессе инженерно-геологических изысканий было выделено 33 инженерно-геологических элемента. На 3-6 м ниже дна котлована залегали насыпные водонасыщенные неслежавшиеся глины и суглинки с остатками мусора. Кроме того, в этих грунтах находился переливной коллектор для пропуска паводковых вод из пруда, отделенный от котлована перемычкой шириной 8 м. Его дно располагалось на 2 м ниже зеркала воды в пруде. Коллектор требовалось сохранить до окончания строительства байпаса.
Рис. 1. Жилые дома №37-39 на пр-те Вернадского, возведенные на сваях-РИТ. Вид со стороны пруд
Наличие в основании неслежавшихся насыпных грунтов требовало передать всю нагрузку от зданий на сваи, поэтому в первоначальном проекте были предусмотрены буронабивные сваи диаметром 1 м и длиной 24 и 22 м. До устройства этих свай следовало вынести упомянутый переливной коллектор, что на год отодвигало начало основных работ.
Рис. 2. План свайного поля из 899 свай-РИТ 320 мм, длиной 21 м под 36-этажный корпус высотой 120 м, массой 128 000 тс. По диагонали свайное поле пересекает коллектор
Сметная стоимость устройства свай диаметром 1 м для двух корпусов в ценах 2002 г. превышала 240 млн руб., что ставило под вопрос целесообразность освоения площадки, расположенной у выхода в метро.
Поэтому был разработан новый проект с использованием свай-РИТ несущей способностью 150 тс/сваю. Для высотного корпуса массой 128 тыс. тс было предусмотрено 899 свай-РИТ длиной 21 м, диаметром 320 мм по бурению, объединенных плитой площадью 1570 м2 (рис. 2) и толщиной 2,2 м. В марте-июне 2002 г. изготовили нужное количество свай, восемь из которых испытали статической вдавливающей нагрузкой согласно ГОСТ 5686-94 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Зависимость нагрузка-осадка приведена на рис. 3.
В течение двух лет после окончания строительства НИИОСП им. Н.М. Герсеванова осуществлял мониторинг деформаций: осадки стабилизировались не достигнув 4 см, а крены не превысили 0,0006, что значительно меньше предельных значений для таких зданий. Эффективность применения свай-РИТ в ценах 2002 г. составила 129,6 млн руб.
Рис. 3. График зависимости осадки S от нагрузки P свай-РИТ №101, №190, №779, №824, при нагрузке 216 т стабилизация деформаций наступила при осадке свай до 18,46 мм, осадка после снятия нагрузки составила 1,77-5,90 мм
В качестве примера можно привести и административно-офисный комплекс «Соколиная гора» (ул. Семеновская, д. 21) – первую высотку, возведенную по программе «Новое кольцо Москвы». Это 33-этажное здание построено в 2007 г. специалистами «Монтажспецстрой» на 502 сваях-РИТ диаметром 320 мм и длиной 18-26 м.
Для уменьшения влияния нового здания на обделку тоннеля метро, построенного в 1933 г. и расположенного на расстоянии 9 м от места строительства, три ряда свай-РИТ (ближайших к тоннелю) были выполнены длиной 26 м, остальные – 18 м.
Рис. 4. Общий вид построенного здания (фото слева)
Рис. 5. Вид котлована, момент устройства свай-РИТ длиной 26 м со стороны тоннеля метро
В 2008 г. вместо свай диаметром 900 мм было выполнено свайное основание из 1100 свай-РИТ для жилого 42-этажного дома, построенного специалистами концерна «КРОСТ».
Рис. 6. Устройство свай-РИТ длиной 24 м, диаметром 320 мм (фото слева сделано с борта котлована, фото справа – общий вид построенного дома). Экономический эффект более 30 млн руб.
Примеры строительства уникальных сооружений
В пойме р. Сетунь построен комплекс зданий Московской школы управления (МШУ) «Сколково». Грунтовые условия местности были весьма сложные, в некоторых скважинах грунтовые воды изливались на поверхность, на которой изготавливали сваи. Проектом предусмотрено 1347 свай-РИТ длиной от 19 до 27 м, диаметром 320 мм, несущей способностью по грунту 150 тс/сваю. Из-за сложных условий производства работ было дополнительно выполнено 34 сваи, чтобы дублировать те сваи-РИТ, в работоспособности которых у специалистов ООО «МПО РИТА» возникало хотя бы малейшее сомнение.
Рис. 7. Фрагмент свайного поля из свай-РИТ, изготовленных в потай, т.е. головы свай находились ниже поверхности, на которой изготавливались сваи. На фото зафиксирован момент срубки оголовков свай длиной до 1,4 м в процессе разработки грунта (2007 г.)
Рис.8. Процесс возведения одного из корпусов массой 25 тыс. тс
Рис. 9. Завершение строительства уникальных зданий МШУ «Сколково» (5 июня 2010 г.), вид на один из корпусов в сторону МКАД. Корпус, длиной более 130 м и фактической массой 25 тыс. тс, с консолями длиной более 28 м, центральным пролетом более 65 м, опирается на два лестнично-лифтовых блока, в основании каждого из них выполнено по 80 свай-РИТ несущей способностью 150 тс/сваю
Согласно заданию общая нагрузка на сваи должна была составлять 186450 тс. Фактическая масса комплекса зданий с фундаментной плитой оказалась более 230 тыс. тс. Генеральному проектировщику, отвечающему за сбор нагрузок, удалось убедить заказчика, что плита лежит на земле и не действует как нагрузка на сваи, а конструкции каналов, засыпок и «полов» (с железобетонной плитой перекрытия толщиной 400 мм) действуют на сваи не более 10% от их общего веса. Кроме того, в процессе строительства уточнялись объемно-планировочные решения, вызвавшие существенное изменение нагрузок в местах их приложения. Например, в задании была указана нагрузка 950 тс с учетом веса плиты на куст свай, поэтому было изготовлено семь свай. Фактическая нагрузка составила 1260 тс без учета веса плиты, сваи (в количестве семи единиц) оказались перегруженными на 36%. В смежном кусте наоборот была нагрузка 1050 тс, поэтому изготовили восемь свай, а фактическая нагрузка составила 763 тс, сваи оказались недогруженными на 30%. В результате фундаментная плита «поворачивалась» относительно недогруженных опор, в результате чего с одной стороны фиксировался подъем, а с другой – превышение расчетных осадок на несколько миллиметров.
Существенно возросли нагрузки за счет барража, созданного построенным Сколковским тоннелем. Уровень грунтовых вод (УГВ) стал меняться от сезона к сезону до 5,5 м. В монографии [2] проанализировано влияние изменения УГВ на уплотнение глинистых грунтов. Установлено, что циклическое понижение и поднятие УГВ (замачивание и обезвоживание грунта), за счет «стягивания» частиц грунта капиллярными силами в глинистых грунтах, уплотняет его. Капиллярное давление на пределе усадки достигает 3 МПа (300 т/м2). Естественно, такие напряжения создают предпосылки для дополнительного самоуплотнения грунта в зоне переменного УГВ и увеличения нагрузок на сваи.
Благодаря высокой надежности свай-РИТ, несмотря на нештатные ситуации, осадки здания за три года после возведения приблизились к расчетным, при определении которых не были известны нагрузки от фундаментной плиты, каналов, засыпки и «полов», не было информации о строительстве тоннеля, поэтому барражный эффект не мог быть учтен.
Что делать в этом случае? Следует вести мониторинг деформаций, чтобы, при необходимости, можно было своевременно выполнить дополнительные сваи-РИТ сквозь фундаментную плиту.
Рис. 10. Завершение строительства комплекса уникальных зданий, вид со стороны р. Сетунь, фото взято из интернета
Другой уникальный объект – санно-бобслейная трасса, введенная в эксплуатацию в 2007 г. в д. Парамоново Московской области. Трасса построена специалистами корпорации «Трансстрой» на сваях-РИТ. Условия работ по устройству свай весьма сложные, разность отметок между стартом и финишем – 161 м, длина трассы – более 1640 м. По данным инженерных изысканий на склонах могли проявляться оползневые явления.
Рис. 11. Общий вид санно-бобсейной трассы в д. Парамоново Московской области, построеной на сваях-РИТ на оползневом склоне, фото взято из интернета
Учитывая возможность резкого превышения заданных в проекте горизонтальных нагрузок за счет развития оползневых явлений, было предусмотрено усиленное армирование свай-РИТ на глубину до 6 м ниже подошвы ростверков, в зоне действия наибольших моментов.
Рис.12. Фрагмент склона, пораженного оползнем, д. Парамоново
Рис.13. Это не сваи, это колонны, пригруженные грунтом сползающего склона. Ростверки на сваях-РИТ воспринимают горизонтальные усилия многократно превышающие установленные в техническом задании
Сущность разрядно-импульсной технологии
При устройстве свай-РИТ осуществляют электрические разряды импульсов тока (РИТ) напряжением до 10 кВ в скважине, заполненной бетонной смесью подвижностью П4-П5. В результате серии электровзрывов ствол сваи-РИТ приобретает уширения в локальных местах за счет уплотнения грунта в этих зонах.
Рис. 14. Сваи-РИТ, изготовленные по разным технологиям: в буровых скважинах диаметром 150 и 250 мм верхняя часть ствола свай в моренных суглинках, нижняя – в супесях и песках, энергия в разряде 50 кДж, Москва, 2010 г.
Рис. 14/2. Cваи-РИТ, изготовленные в Южной Корее, 2005 г., диаметр бурения 300 мм, грунты – морские отложения, запасаемая энергия 30-40 кДж
Рис.14/3. Cваи-РИТ, изготовленные в Германии, 2002 г., буровые скважины диаметром 270 мм, верхняя часть в песках, нижняя – в мергелистых грунтах, между ними тонкая прослойка торфа, энергия в разряде не более 20 кДж
Такие сваи-РИТ имеют надежное сцепление с грунтом, поэтому хорошо работают не только на вдавливающие, но и на выдергивающие нагрузки.
Для устройства сваи-РИТ проходят скважину, заполняют ее бетонной смесью подвижностью П4-П5, погружают в нее электроды и с интервалом 3-10 с подают импульсы электрического тока напряжением до 10 кВ. Через 200-500 мкс после включения коммутатора плотность энергии между электродами достигает109-1012 Дж/м3, электрическая прочность бетонной смеси не выдерживает и происходит ее пробой – электрический разряд (см. рис. 16). За 10-30 мкс запасенная в накопителях электрическая энергия взрывообразно преобразуется в другие виды, поэтому этот процесс часто называют электровзрывом (ЭВ).
16 мкс 96 мкс 300 мкс
Рис. 15. Развитие электрического взрыва в жидкости после подачи на электроды импульса тока высокого напряжения (цифры под фотографиями – время в микросекундах). Исследования выполняли в ТРИНИТИ.
Сущность технологии устройства свай-РИТ поясняется на рис. 16.
Рис. 16. Сущность разрядно-импульсной технологии устройства сваи-РИТ.
1 – ствол скважины до обработки;
2 – штанга с электродами;
3 – ГИТ (генератор импульсов тока);
4 – бетононасос;
5 – зона цементации грунта;
6 – зона уплотнения грунта;
7 – ствол сваи после обработки электровзрывами.
Эффективность применения свай-РИТ
Стоит отметить, что сваи-РИТ дороже забивных свай. Поэтому их использование целесообразно в тех случаях, когда сваи невозможно забить: присутствуют техногенные грунты, мощный, непробиваемый без лидерных скважин слой песков, не допускаются динамические воздействия, шум и т.п.
По сравнению с задавливаемыми сваи-РИТ обладают большей несущей способностью по грунту, что позволяет получить незначительное снижение стоимости свайного основания. Динамические воздействия при устройстве свай-РИТ значительно меньше, чем при вдавливании свай установками массой более 100 т. Неопытных заказчиков убеждают, что при вдавливании испытывается каждая свая. Это не так. При вдавливании свая погружается в грунт со скоростью десятки сантиметров в минуту. При испытаниях по ГОСТ 5686-94 за расчетную несущую способность сваи принимается нагрузка, при которой наступает условная стабилизация осадки сваи, т.е. осадка 0,1 мм за последний час выдерживания под нагрузкой. Допускаемая на сваю нагрузка определяется делением испытательной нагрузки, при которой наступила стабилизация, на коэффициент надежности γk = 1,2. Оцените разницу: 0,1 мм за час выдерживания под нагрузкой и погружение сваи со скоростью несколько метров в час.
Но самое большое преимущество свай-РИТ перед вдавливаемыми сваями – это скорость устройства свайного основания.
Максимальная эффективность применения свай-РИТ обеспечивается при замене буровых свай большого диаметра. Упоминалась сумма экономического эффекта, полученного на проспекте Вернадского, д. 37. На свайном поле по адресу ул. Давыдковская, д. 19А по результатам тендера снижение стоимости строительства свайного основания для заказчика составило 22,8 млн руб.
Эффективным оказалось применение свай-РИТ для усиления оснований вновь возводимых зданий. Например, в Сходне строили 10-ти этажный жилой дом на фундаментной плите толщиной 700 мм. «Инвесторы» собрали деньги и разбежались, построив три этажа. Для того, чтобы решить проблему обманутых дольщиков, новому инвестору разрешили надстроить дом до 17 этажей. Прочность несущих конструкций позволяла повысить этажность, за исключением слабо армированной фундаментной плиты и основания. Для решения этой проблемы было изготовлено из подвала 832 сваи-РИТ диаметром 150 мм, несущей способностью 25 т на сваю. Дом стал 17-этажным. Подробнее читайте в [3].
Для расчета несущей способности свай-РИТ на основе ТР 50-180-06 разработана и сертифицирована программа RitPile. Для получения ключа к этой программе необходимо зайти на блог «Геотехнические проблемы России» и получить исчерпывающую информацию.
Валерий Яковлевич Еремин, к.т.н., ПСП ООО «МПО РИТА»
Использованная литература:
Готман А.Л. Свайные фундаменты. Обзорно-аналитическая лекция на Третьей юбилейной конференции, посвященной 50-летию РОМГГиФ. «Российская геотехника — шаг в XXI век». Москва, 15-16.03.2007, – 16 с.
Кульчицкий Л.И., Габибов Ф.Г. Исследование закономерностей изменения свойств лессовых суглинков при изменяющемся влажностном режиме (микрореологический подход). Баку, Издательство «Адильоглы», 2004, – 160 с.
Еремин В.Я., Еремин А.В., Соколов В.А., Обозов В.И., Тихонов М.С. Опыт усиления фундамента сваями-РИТ. Вестник строительного комплекса Подмосковья. Информационный сборник № 4, 2010, с. 66-67.
]]>