Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Современные технологии возведения свайных фундаментов в условиях плотной застройки 10
1.1. Сравнительный анализ известных технологических решений по погружению свай и шпунта, обеспечивающих сохранность существующих зданий и сооружений 10
1.2. Особенности технологии вдавливания свай и шпунта установками разных типов в различных гидрогеологических условиях . 20
1.3. Анализ результатов известных исследований процесса погружения свай вдавливанием 31
ГЛАВА II Методика оценки экспериментальных данных при определении эффективных режимов вдавливания свай и шпунта ; 44
2.1. Критерии сравнительной оценки эффективности различных технологических решений вдавливания свайных элементов. 44
2.2. Анализ экспериментальных результатов по критериям производительности, усилию вдавливания и несущей способности свай 56
2.3. Оценка степени безопасности для существующих зданий и сооружений новых технологических решений при вдавливании свай по данным исследований динамических возмущений и остаточных деформаций в грунте 62
2.4. Методика проведения динамических исследований, применяемые измерительные средства и аппаратура 71
Выводы по главе
ГЛАВА III Экспериментальные исследования процессов вдавливания свай и шпунта вблизи существующих зданий и сооружений при использовании новых технологических решений ... 77
3.1. Изучение влияния на параметры вдавливания свайных элементов предварительного рыхления грунта и устройства лидерных скважин 77
3.2. Установление зависимости величины несущей способности свай, погруженных вдавливанием, от предварительного рыхления грунта и устройства лидерных скважин 86
3.3. Исследование влияния рабочих характеристик вдавливающих установок и параметров процесса вдавливания на уровень колебаний грунта и осадки существующих зданий и сооружений 100
Выводы по главе 114
ГЛАВА IV Разработка и обоснование усовершенствованных технологических решений по вдавливанию свай и шпунта в условиях плотной застройки 115
4.1. Обоснование рациональных параметров рабочих процессов разработанных технологических решений, обеспечивающих безопасность существующих зданий и сооружений при вдавливаниисвай и шпунта 115
4.2. Анализ данных производственного опыта применения новых технологических решений. Оценка экономической эффективности применения этих решений и усовершенствованных конструкций вдавливающих установок в практике строительства 125
4.3. Обоснование структуры и основных положений технологического регламента по безопасному вдавливанию свай и шпунта в условиях плотной застройки 133
Выводы по главе 140
Основные выводы по работе 141
Список использованной литературы
- Особенности технологии вдавливания свай и шпунта установками разных типов в различных гидрогеологических условиях
- Анализ экспериментальных результатов по критериям производительности, усилию вдавливания и несущей способности свай
- Исследование влияния рабочих характеристик вдавливающих установок и параметров процесса вдавливания на уровень колебаний грунта и осадки существующих зданий и сооружений
- Анализ данных производственного опыта применения новых технологических решений. Оценка экономической эффективности применения этих решений и усовершенствованных конструкций вдавливающих установок в практике строительства
Особенности технологии вдавливания свай и шпунта установками разных типов в различных гидрогеологических условиях
Применение буронабивных свай имеет ряд преимуществ перед динамическими методами, отмеченных во многих исследованиях [2, 77, 81]. Существует ряд конструкций таких свай, которые могут быть разделены на две группы, предполагающие использование соответствующих технологий: - сваи без обсадных труб; - набивные сваи с извлекаемой обсадной трубой; Сваи без обсадных труб применяют в грунтах, которые позволяют осуществлять бурение скважин без крепления их стенок. Это относительно быстрый и экономически выгодный способ, не требующий сложного оборудования. Есть возможность формирования уширенной пяты разбуриванием. В слабых грунтах проходку скважин прозиводят под защитой глинистого раствора, который вытесняется из скважины при подаче бетона [12]. Контроль качества ствола сваи по принципу определения объема смеси, уложенной в скважину и соответствия его объему скважин ненадежен, т.к. на позволяет оценить плотность укладки и найти в ней каверны, раковины и т.п. дефекты [21]. Геотехнический мониторинг, проведенный на нескольких объектах, где применялась эта технология, показал определенные динамические воздействия на грунт и неравномерные осадки грунтов, связанные с бурением скважин.
Сваи с извлекаемой обсадной трубой позволяют производить работы в более широком диапазоне грунтовых условий с лучшим качеством. Однако, они требуют применения специальной техники, что увеличивает их стоимость и сроки проведения работ. Погружение обсадных труб осуществляется в пробуренные скважины (сваи Страуса) или используя вибраторы и молоты (частотрамбованные сваи, сваи Франки). Обсадную трубу заполняют бетоном слоями, уплотняя трамбовками или вибраторами. Таким образом, строго бездинамическими эти технологии не являются. Хотя сопротивление грунта погружению трубы значительно ниже, чем сплошной сваи, возникающие при этом динамические нагрузки могут быть опасны для соседних зданий, что подтверждают наблюдения и исследования [85]. В процессе изготовления буронабивных свай типа «Бауэр» и «Казагранде» при реверсе направляющей возможны удары станины о грунт. Возникает динамическое воздействие, отрицательно сказывающееся на состоянии зданий, расположенных вблизи места производства работ. При этом колебания грунта при извлечении трубы иногда выше, чем при погружении и часто превосходят допустимые.
Принципиальное отличие свай, изготавливаемых непосредственно на месте производства работ по любой из перечисленных технологий от свай заводского производства влечет за собой еще одно обстоятельство, существенно усложняющее применение набивных свай, - это отсутствие оперативного метода контроля качества ствола сваи в процессе его формования. Все применяемые в настоящее время на строительных площадках способы контроля являются опосредовательными или недостаточно надежными [107]. Решающим образом на несущую способность таких свай влияет качество зачистки забоя. Буровой шлам, остающийся на дне скважины, вызывает относительно большие по сравнению с допустимыми осадки сооружений, возведенных на буронабивных сваях, в период строительства и эксплуатации
За рубежом, кроме имеющихся способов контроля качества набивных свай в процессе их формования (например, радиотехнический, не применяемый в России), гарантией качества сваи, изготавливаемых непосредственно на месте производства работ, является неукоснительное соблюдение технических условий, характерных для каждого типа набивных свай[68]. Для обеспечения этого условия должны существовать специальные службы, организация которых в России пока не налажена. Набивные свай, изготавливаемые с выемкой грунта из скважины, материалоемки именно в силу этой технологической операции. Отсутствие уплотнения грунта вокруг сваи снижает силу бокового трения. Поэтому, для обеспечения проектной несущей способности требуется устройство свай большего поперечного сечения, по сравнению с забивными в тех же грунтовых условиях. Значительный разброс (до 20 - 30%) значений несущей способности одинаковых свай в идентичных грунтовых условиях осложняет прогноз несущей способности фундамента на стадии проектирования [5].
Перечисленных недостатков лишена технология сооружения фундаментов и шпунтовых стенок из свайных элементов заводского изготовления вдавливанием - одним из наиболее безопасных способов погружения в условиях плотной застройки. Он предполагает приложение к свае статической нагрузки, заведомо большей сопротивления грунта. Этот способ имеет следующие преимущества [8, 46]: - заводское качество изготовления свай; - сборность; - технологическая освоенность; - высокая производительность применяемого оборудования. - непрерывность процесса погружения сваи с минимальными затратами энергии на преодоление упругих деформаций грунта; - минимальные динамические нагрузки как на погружаемую сваю, так и на конструкцию рядом расположенных зданий и сооружений. Работы внутри производственных помещений можно производить без опасности повреждения существующих конструкций и оборудования, а в отдельных случаях и без остановки технологического цикла производства, что особенно важно при реконструкции действующих предприятий и устройства примыкания к зданиям; - высокая точность погружения свай, определяющая затраты при устройстве ростверка, особенно сборного;
Анализ экспериментальных результатов по критериям производительности, усилию вдавливания и несущей способности свай
Сравнение эффективности вариантов конструктивного технологического решения производится по коэффициенту общей технологичности К: K=JZKi5 (2.3) i=l где: п - количество анализируемых подсистем. В работе Р.Н. Фокова [36] предложен коэффициент технологичности конструкции зданий и сооружений, а также принимаемых технологических решений, вычисляемый из соотношения следующего вида: С-С К=1 + —- -, (2.4) где: С - расчетная стоимость возведения рассматриваемого варианта; Сб - расчетная стоимость возведения базового варианта
Предложенная Э.К. Завадскасом [110] методика определения технологичности проектов зданий и сооружений предусматривает использование нескольких различных технологических показателей и применение для сравнения технологий методов принятия решений для анализа и комплексной оценки. Предусматривается создание матрицы решений, которая включает в себя большое число предварительно определенных частных критериев оптимальности. Предварительно критерии подвергаются нормализации, т.е. приводятся к размерностям на основании сравнимых шкал измерений. Общая технологичность оценивается по интегральному показателю, вычисляемому на основе нескольких показателей, приведенных в соизмеримый вид: KT=EK,-mu, (2-5) где: КІ - коэффициент весомости обобщенного критерия оценки, определяемый на основе экспертного опроса специалистов и изменяющийся в пределах от 0 до 1. ixiij - дифференциальный критерий технологичности.
Для рассматриваемого случая производства свайных работ в условиях плотной застройки поиск рационального конструктивно-технологического решения основан на сравнительной оценке рассматриваемых вариантов технологий по нескольким критериям: - производительность (количество погружаемых свай в смену) с учетом особых условий строительной площадки и времени на монтажно-демонтажные работы а также на перемещение оборудования с одной точки погружения на другую; - энергоемкость выбранного комплекта машин и механизмов; - обеспечение требуемых показателей по несущей способности свай с оценкой влияния применяемых технологических приемов на качество и надежность возводимого фундамента; - уровень негативного воздействия на прилегающий грунт основания и существующие здания и сооружения (динамические нагрузки, перемятие грунта), возможность регулирования режима работы установки для минимизации этих воздействий; - вероятность появления вредных последствий для конструктивной целостности сваи и шпунта от работы машины; - возможность одним видом оборудования осуществлять погружение свай и погружение и извлечение шпунта; - экономичность с учетом предотвращенного ущерба и сокращения стоимости возводимого фундамента. - экологическая безопасность технических средств. На основе анализа существующих разработок с учетом специфики рассматриваемого технологического процесса для сравнения вариантов технологий возведения свайных фундаментов вдавливанием в условиях плотной застройки, предлагается методика, согласно которой интегральный показатель технологичности Тт вычисляется как произведение трех укрупненных показателей: Тт = ТнТмТд, (2 6) где: Тн - показатель влияния на взаимодействие сваи с грунтом дополнительных технологических мероприятий, представляющий собой отношение фактической несущей способности сваи, полученной в результате статических испытаний, к расчетной несущей способности той же сваи, погруженной в целик;
Тм - показатель использования материала сваи, выраженный как отношение фактической несущей способности сваи по грунту основания к несущей способности сваи по материалу;
Тд - показатель динамичности, характеризующий снижение уровня колебаний грунта основания при применении определенного технологического решения.
Под оптимальной конструкцией свайного фундамента, возводимого в условиях приближения к существующим зданиям и сооружениям, условимся понимать такую конструкцию, работа которой обеспечивает эксплуатационные требования, предъявляемые к фундаменту, в наибольшей степени позволяет использовать прочность материала сваи и оказывает минимальные негативные воздействия на стоящие рядом здания и сооружения, обеспечивая безусловную их сохранность как в процессе возведения, так и при эксплуатации нового сооружения, оставаясь при этом минимально материалоемкой и трудоемкой, и характеризуется минимальными приведенными затратами.
Исследование влияния рабочих характеристик вдавливающих установок и параметров процесса вдавливания на уровень колебаний грунта и осадки существующих зданий и сооружений
Для исследования влияния технологических параметров предварительного рыхления и устройства лидерных скважин на силовые характеристики процесса вдавливания свай была использована база данных погружения способом вдавливания 68 призматических железобетонных свай размерами от 30x30 до 40x40 мм длиной от 6 до 32м. Сваи погружены в различных геологических районах Санкт-Петербурга, как в целик (24 сваи), так и с применением предварительной обработки грунта (44 сваи). Произведено сравнение фактических ходограмм усилия погружения свай с расчетными зависимостями усилия вдавливания от глубины погружения.
Ниже приведен пример расчета ходограммы усилия вдавливания применительно к условиям конкретной строительной площадки. Рассматривается технологический процесс погружения сваи вдавливанием на площадке строительства по адресу ул. Шпалерная, д 50.
В геологическом строении массива грунта, на котором проводились работы по погружению свай, принимают участие насыпные грунты - супесь, песок, битый кирпич, изредка - обломки древесины.
Согласно табл. 5 приложения 3 [115] верхний слой, как представляющий собой слежавшуюся свалку грунта, может быть охарактеризован расчетным сопротивлением около 100 кПа. Ниже до глубины - 19,5 - 22 м (абсолютная отметка - 14,3 - 17 м) находятся послеледниковые отложения, представленные ш в пределах верхних 10-13 м текучими пылеватыми супесями с линзами песков мощностью до 2 м (пылеватых в кровле и крупнозернистых в нижней части) и включения растительных остатков. Ниже по разрезу находятся слоистые суглинки текучепластичной консистенции с растительными остатками (1,5-3 м), сменяемые у подошв слоя гравелистыми грунтами, песками средней плотности мощностью от 1 до 4 м. Пылеватые пески и пылевато - глинистые грунты характеризуются невысокой несущей способностью, неустойчивы к динамическим воздействиям, которые могут вызвать дополнительное уплотнение песков и нарушение структуры залегающих ниже текучих супесей и суглинков со снижением их строительных свойств.
Далее располагается толща озерно - ледниковых отложений, лужских и балтийских, представляющих собой слоистые и ленточные суглинки и супеси, имеющих консистенцию от мягкопластичной до текучей, выклинивающихся в пределах застраиваемого участка с востока на запад от 9 м до 0. Эти грунты также весьма чувствительны к динамическим воздействиям. Кровля лужской морены отмечена на глубине 19,4 - 29 м (абсолютная отметка 14,3 -24 м БС). Колебания уровня грунтовых вод находятся в пределах 1,5 - 2,6 м. Грунтовые воды приурочены к насыпному слою, послеледниковым пескам и легким супесям и гидравлически связаны с р. Невой. Ориентировочные значения физико-механических свойств грунта основания исследуемой строительной площадки представлены в табл. 3.1. Анализ грунтовых условий позволяет сделать следующие основные выводы: - в целом грунтовые условия площадки можно охарактеризовать как неблагоприятные, в виду их сильной сжимаемости и способности быстро переходить в текучее состояние. - в соответствии с классификацией грунтовых условий Санкт-Петербурга] ], грунты относятся к группе AIL - грунты весьма чувствительны к динамическим воздействиям, в частности, к низкочастотным (ударным) воздействиям. - несущим слоем для опирання лобовой поверхности свай является слой №7 - супесь полутвердая с модулем общей деформации Е=28,0 МПа.
Строительное освидетельствование дома показало, что состояние конструкций удовлетворительное. Трещины в стенах здания имеют, в основном осадочное происхождение и связаны как с неоднородностью напряженно-деформированного состояния основания, так и с длительными деформациями толщи слабых грунтов.
Жилой дом представляет собой 4-х этажное строение. Дом линейный, протяженный, с подвалом и чердачным помещением. Подвал в периоды наибольшего подъема грунтовых вод затопляется до отметки +120 см от существующего пола подвала.
В сечении дом представляет собой жесткую конструкцию с несущими поперечными и продольными стенами, связанными дисками перекрытий. Наружные стены кирпичные, толщиной 2,5-3 кирпича. Внутренние стены толщиной в 2,5 кирпича. Перекрытия междуэтажные - железобетонные настилы.
В начале 50-х годов дом был поставлен на капитальный ремонт, в результате которого деревянные перекрытия были заменены на железобетонные настилы, частично заменялась кирпичная кладка стен по ходу дымовых каналов и в местах с выветрившимся раствором.
По результатам шурфовки, фундаменты здания состоят из рваных известняковых плит на известняково-песчаном растворе, ленточные бутовые, на естественном основании. Отметка подошвы фундаментов располагается на глубине 2,8-2,9 м от дневной поверхности. Ширина подошвы фундаментов около 1,0 м. Горизонтальной гидроизоляции по обрезу фундаментов не обнаружено. Состояние вскрытых фундаментов во всех шурфах -удовлетворительное.
Особенностью производства работ на этом объекте явилось то, что пробные сваи, предназначенные для проведения предпроектных испытаний, были погружены установкой УСВ-200 в целик без применения дополнительных технологических решений. Анализ данных геотехнического мониторинга на этом этапе выявил опасные значения колебания грунта и конструкций соседних зданий, и также значительные осадки грунта. Поэтому, в процессе массового погружения свай для снижения негативных влияний применялось как предварительное рыхление грунта шнековым буром диаметром 300мм на глубину 18м, так и устройство лидерных скважин тех же размеров. Сваи, погруженные с применением различных технологических решений, испытаны статической нагрузкой.
Сравнительный анализ совокупности данных погружения и испытания статической нагрузкой пяти свай, погруженных в гидрогеологических условиях одной строительной площадки, позволяет определить качественную картину влияния различных технологических решений как на уровень безопасности процесса их погружения на соседние здания, так и на изменение несущей способности погруженных свай.
Результаты расчетов для сваи 35x35 см, погруженной на глубину 32м, сведены в табл. 3.2. Характерные расчетная и фактическая ходограммы усилия вдавливания сваи в разрыхленный грунт доя геологических условий рассматриваемого объекта представлены на рис 3.1. По горизонтальной оси показана глубина погружения сваи Н, а по вертикальной - усилие вдавливания N, рассчитанное согласно приведенной выше методике и фактическое No, определенное по показаниям гидравлических приборов установки на протяжении процесса вдавливания. Сопоставление расчетных данных с фактической ходограммой усилия погружения свай показывает на достаточную сходимость графиков изменения усилия вдавливания.
По расчету максимальное усилие вдавливания сваи в целик при прохождении слоя гравелистых песков
Анализ данных производственного опыта применения новых технологических решений. Оценка экономической эффективности применения этих решений и усовершенствованных конструкций вдавливающих установок в практике строительства
В результате исследований технологических параметров автором установлено, что негативные воздействия на грунты основания и конструкции расположенных рядом с местом производства работ зданий и сооружений при погружении свай способом вдавливания в условиях плотной застройки связаны прежде всего с превышением сил сопротивления грунта погружению над развиваемым установкой вдавливания свай усилием.
Чаще всего это происходит при производстве работ в грунтах со структурой природного залегания, в целик. Производство работ по такой технологической схеме в геологических условиях Санкт-Петербурга требует применения технологического оборудования способного погружать сваи с усилием до 200 т. Это крупногабаритные несамоходные установки балочного типа с балластными грузами массой свыше 200т. такая технология требует проведения работ по монтажу и демонтажу установки на каждой точке погружения сваи. Время цикла погружения сваи может быть определено по формуле (2.6): Тц = Т! + Т2 + Тз + Т4 + Т5 + Т6, (4.1) где: Ті - монтаж установки на точке вдавливания; Т2 - загрузка балластом; 116 Тз - подача сваи во вдавливающий узел; Т4 - вдавливание сваи; Т5 - разгрузка балласта; Тб - демонтаж установки. Анализ циклограммы процесса (рис. 4.1) показывает, что вспомогательные операции занимают большую часть процесса, длительность которого достигает 4 часов. Таким образом производительность работ в случае применения такой технологии не превышает 2 сваи в смену.
Как показывает комплекс проведенных исследований, при погружении свай в целик уровень негативных воздействий на грунты основания и конструкции расположенных рядом зданий и сооружений часто превышают допустимые. Причинами возникновения сверхнормативных динамических нагрузок являются: - собственные колебания механизмов установки на предельных режимах вдавливания; - удары установки о грунт при несоблюдении машинистом технологии и правил управления механизмами; - значительный выпор в межсвайном пространстве и подвижки глубинных слоев грунта.
Кроме того, высокая степень объемной деформации массива грунта при таком способе погружения приводит к значительным неравномерным осадкам поверхности грунта и фундаментов расположенных рядом зданий и сооружений.
Высокое усилие вдавливания требует повышенного усилия зажима сваи в рабочем органе вдавливания при способе передачи усилия на сваю по боковым граням, который реализован на установке. Это приводит к нарушениям конструктивной целостности сваи, образованием трещин, сколов бетона.
Показано, что задача погружения железобетонных свай способом вдавливания в условиях плотной застройки эффективно решается применением технологий с использованием самоходных гидравлических установок типа УСВ-120М и дополнительных технологических решений в виде предварительного рыхления грунта и устройства лидерных скважин шнековым буром, а также дополнительного пригруза установки вдавливания.
Последнее возможно в связи с тем, что масса установки УСВ-120М позволяет развивать усилие вдавливания до 80 т, хотя мощность гидропривода ее узла вдавливания рассчитана на усилие 120 т. Для реализации повышенных параметров предлагается использовать систему статического пригруза [116]. Преимущество предлагаемой технологии заключается в том, что применение сравнительно небольшого веса пригруза в 20-25 т позволяет увеличить усилие вдавливания до 120 т. В качестве пригруза используются железобетонные плиты перекрытий весом 6 т, имеющие приспособления для удобной и безопасной строповки. При минимальных затратах времени на пригруз установки появляется возможность производства работ в нормативных зонах отдаления от существующих зданий и сооружений, где возникающие колебания безопасны доя их целостности.
Важной особенностью установки УСВ-120М является наличие специальной стрелы, снабженной направляющей для бурового вращателя СО-2. Это позволяет производить предварительное рыхление грунта и устройство лидерных скважин без включения в комплект технологического оборудования специальных буровых машин и механизмов.
Технологическая схема вдавливания спредварительным рыхлением и пригрузом установки. I - передвижение установки УСВ-120М на точку вдавливания; II - рыхление грунта по оси вдавливания сваи до заданной отметки; III - извлечение шнековой колонны из забоя с реверсом вращения; IV - подача сваи во вдавливающий узел; V -пригруз установки железобетонными плитами; VI - вдавливание сваи; VII - освобождение установки от пригруза. 1-установка вдавливания; 2-стрела; 3-шнековая буровая колонна; 4-вращатель; 5-напраляющая; 6-узел вдавливания; 7-разрыхленный грунт; 8-система статического пригруза; 9-железобетонные плиты; 10-свая; 11-монтажный кран; 12-плотный слой грунта. 120 T4 - подача сваи во вдавливающий узел; Т5 -пригрузка установки железобетонными плитами; Тб - вдавливание сваи; Т7 - освобождение установки от пригруза. Таким образом, количество операций цикла увеличивается, но продолжительность технологического цикла (рис. 4.3) снижается за счет уменьшения общей доли вспомогательных работ и составляет 0,9 часа. При применении такой технологической схемы производительность работ в условиях той же строительной площадки возрастает до 8 - 9 свай в смену.
Доказано, что снижение необходимого усилия вдавливания в той же пропорции уменьшает уровень негативных воздействий на грунты основания конструкции расположенных рядом зданий и сооружений. Следовательно, обоснованно выбирая параметры предварительной обработки грунта (диаметр и глубину) есть возможность обеспечить сохранность окружающей застройки для любого типа геологических условий, характерных Санкт-Петербурга.
В конкретных геологических условиях минимальные параметры дополнительных технологических решений определяются эффективностью снижения усилия вдавливания от их применения, а максимальные -необходимостью обеспечения проектной несущей способности сваи. Установлено, что оптимальное сочетание этих требований в наибольшей степени обеспечивает применение для снижения реактивного сопротивления погружению сваи предварительного рыхления грунта шнековым буром диаметром на 50 мм меньше стороны погружаемой сваи. При таком способе обработки грунт в месте погружения приобретает дополнительную возможность уплотнения при внедрении в него сваи. Оставаясь в забое, он охраняет стенки скважины от выпора в направлении полости скважины и препятствует глубинным подвижкам грунта, что уменьшает осадки.
