Сущность разрядно-импульсной технологии при изготовлении и установке свай

Сущность разрядно-импульсной технологии.

Грунт или бетонную смесь обрабатывают серией разрядов импульсного тока-электровзрывов там, где требуется по расчету. В результате происходит глубинное уплотнение грунта, формируется тело сваи или корень анкера, цементируется грунт или кладка стен.

Изготовленные по этой технологии сваи и анкера называют: сваи-РИТ и анкера-РИТ.

Подробное описание технологии дано в журналах «Транспортное строительство» №10, 1997; «Строительные и дорожные машины» №11, 2003 и др.

Для электрического пробоя бетонной смеси между электродами  создают высокую плотность энергии  до 109 Дж/м3.

В момент пробоя образуется разряд, давление и температура в котором достигают 1013 Па и 10.0000 С. Разряд развивается, преобразуясь в полость. Процесс протекает быстро, и бетонная смесь не нагревается.

Порожденная электровзрывом ударная  волна и, получившая мощный импульс  кинетической энергии, бетонная смесь, воздействуют на окружающий массив, где  кинетическая энергия расходуется  на деформацию грунта. Давление в полости  падает и бетонная смесь под действием  сил гравитации заполняет полость.

Разряды повторяют до тех пор, пока в основании сваи-РИТ не сформируют зону уплотнения, как у забивной сваи размер зоны уплотнения оценивают по объему камуфлетной полости, судят по расходу бетонной смеси на ее заполнение.

Ударная волна и импульсы давления действуют очень короткое время, поэтому их не «слышат» окружающие здания (велосиграммы сейсмических колебаний).

Развитие электровзрыва в жидкости:

1. скважина до обработки

2. электродная система

3. ГИТ (генератор импульсных токов)

4. бетононасос или магнум

5. зона цементации грунта

6. зона уплотнения грунта

7. камуфлетное уширение в основании сваи-РИТ    

Особенности разрядно-импульсной технологии и последовательность операций при изготовлении свай-РИТ:

1. бурение скважины ;

2. установка инвентарного кондуктора;

3. заполнение скважины мелкозернистой  бетонной смесью (в Германии делали  сваи-РИТ из бетонной смеси со щебнем фракции 8 мм);

4. промывка скважины бетонной смесью;

5. установка электродной системы  на забой скважины, обработка  пяты и ствола сваи по расчетному режиму;

6. монтаж армокаркаса;

7. формирование оголовка;

8. Утепление оголовка в зимнее время от замерзания бетона;

Последовательность операций может  быть изменена в зависимости от конкретных условий, проектных решений или  пожеланий Заказчика.     

Преимущества разрядно-импульсной технологии:

1. Зона уплотнения грунта вокруг  сваи-РИТ зависит от количества  разрядов, их энергии и уплотняемости  грунта. Формируя камуфлетную полость,  уплотняют грунт на 3…3,5 его диаметра.

Зона уплотнения у забивной сваи не превышает 2,5…3,0 ее диаметров даже при погружении в легко уплотняемые  грунты.

Сравнительный пример:

При забивке свай 0,3х0,3 м грунт  уплотняется на 0,75-0,9 м.

При обработке нижнего конца  свай-РИТ ø 300 (пр-т Вернадского, д. 37) бетонная смесь оседала на 0,87м, заполняя камуфлетную полость объемом

Диаметр этой полости:

Диаметр зоны уплотнения:

 т.е. в 1,9 раза больше, чем под забивной сваей.

2. Создаваемое электровзрывами  обжатие грунта, обеспечивает высокую  жесткость. Под нагрузкой 120-130 т осадки свай-РИТ Ж 250 мм  не превышают 8…10 мм, а ø 300 мм  под нагрузкой 240 т не превышают 20 мм.

3. Висячие сваи-РИТ, опирающиеся  на пески, приближаются по характеристикам  к сваям стойкам, несущая способность  которых лимитируется прочностью материала ствола сваи.

4. Высокая несущая способность  и надежность свай-РИТ, позволяют  их применять для высотных зданий (>30 этажей).

5. Высокая управляемость технологическим  процессом позволяет делать сваи-РИТ с заданными параметрами.

6. Щадящее сейсмическое воздействие  на рядом стоящие здания. Серией  сейсмически-безопасных электровзрывов  формируют сваю-РИТ, несущая способность которой больше забивной сваи.

7. При изготовлении свай-РИТ  осуществляется надежный контроль  за размерами формируемых в грунте зон уплотнений.

8. При креплении сваями-РИТ бортов  котлована обеспечивается сцепление  грунта с бетоном сваи-РИТ,  превышающее величину природного  сцепления грунта, трение его  по стволу сваи, превышает угол внутреннего трения грунта j'.

9. Между грунтом и сваей-РИТ  обеспечивается настолько надежный  контакт, что нет необходимости проверять ствол сваи-РИТ на устойчивость, за исключением очень слабых грунтов (торф, ил), у которых сопротивление сдвигу меньше 0,1 кг/см2 (10 кПа).

10. Несущая способность корня  грунтового анкера-РИТ превышает прочность стального тяжа.

11. Для устройства свай-РИТ высокой  несущей способности используются  скважины небольших диаметров,  снижается объем вывозимого грунта, и расход бетона, что очень  важно при работе в подвалах, сооружениях ГО, при строительстве в центре города.

12. Экологическая безупречность.

 О повышении несущей способности свай, изготавливаемых по разрядно-импульсной технологии (РИТ).

На основе полевых испытаний  статической нагрузкой свай-РИТ, приводится статистика превышения их несущей способности по сравнению  с расчетными данными. Обосновывается необходимость усовершенствования расчетного метода с учетом напряженно-деформированного состояния грунта вокруг сваи.

В конце XX века в строительстве  стали широко применяться новые  типы геотехнических конструкций, изготавливаемые  с использованием эффектов, возникающих  при электрических разрядах в  жидкости, т.е. с использованием разрядно-импульсных технологий (РИТ) [1].

К середине 2003 года более 300 зданий и  сооружений, украшающих современную  Москву, в своем основании имели  сваи-РИТ. В списке таких объектов известные многим сооружения: Старый Гостиный двор (более 10 тысяч свай-РИТ), Здание Всероссийского театрального общества (ВТО), комплекс вспомогательных зданий Государственного Большого Академического театра, здание гимназии № 1529 во 2-ом Обыденском переулке ставшее Абсолютным победителем  Московского конкурса на лучший реализованный  проект в сфере строительства, большое  количество жилых и офисных зданий, школ, спортивных сооружений, мостовых переходов и т.д.

Если в первые годы освоения технологии сваи-РИТ применяли в основном для усиления фундаментов реконструируемых зданий, то в последующие годы сваи-РИТ  стали широко применять и в  новом строительстве. Особо стоит  отметить высокую эффективность  использования свай-РИТ в основании  высотных зданий, где по параметру  цена – несущая способность, сваи-РИТ  оказались вне конкуренции.

По мере накопления опыта, нагрузки, допускаемые на свай-РИТ, возрастали и в 2000 году перешагнули стотонный  рубеж. В 2002г. успешно испытали висячую  сваю-РИТ нагрузкой 270 т (Митино, микрорайон 8Б). При такой нагрузке свая-РИТ  приближается к своему пределу несущей  способности по материалу.

Контрольные испытания свай-РИТ, выполняемые  сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова  в соответствии с требованиями [2] ГОСТ 5686-94, подтвердили их высокую  несущую способность (см. таблицу 1). Так, висячие сваи–РИТ диаметром 250 мм при испытательной нагрузке 120…130т  давали осадку в пределах 8…15 мм. В одном из экспертных заключений НИИОСП им. Н.М. Герсеванова в 2000 г. зафиксировано: «Испытания подтвердили очень высокую жесткость и несущую способность свай-РИТ (при нагрузке 102 т осадка 4…6 мм). Одна свая была испытана нагрузкой 130 т и получила осадку около 8 мм, что также далеко от потери несущей способности. Дальнейшее нагружение было остановлено из-за прогиба опорной балки испытательного стенда».

Действительно, висячие сваи-РИТ  по своим характеристикам и в  частности, жесткости, практически  соответствуют сваям стойкам. Если посмотреть на графики зависимости  осадки от нагрузки у обычной буро-инъекционной висячей сваи, то обнаружим характерный  резкий перелом – свидетельствующий  о срыве сваи по боковой поверхности (рис. 1). На графиках испытаний свай-РИТ  такой перелом отсутствует. График имеет более пологую кривую, даже при испытательных нагрузках  достигающих расчетного сопротивления  сваи по материалу (рис. 2). На графиках изменения осадки сваи-РИТ во времени  по ступеням нагружения видно, как наступает  стабилизация деформаций (рис. 3). После  снятия нагрузки, сваи-РИТ возвращаются практически в исходное положение, остаточные деформации у них измеряются первыми миллиметрами. Это свидетельствует о том, что система сваи-РИТ-грунт работает в стадии упругих деформаций.

Несмотря на достигнутые успехи в применении свай-РИТ, остается еще  много не решенных проблем. Реальная несущая способность свай-РИТ  по грунту, определяемая по результатам  контрольных испытаний, значительно  превосходит несущую способность, определяемую предварительными расчетами.

Нет сомнений, что самый надежный способ определения несущей способности  свай по грунту – полевые испытания  грунтов натурными сваями, проводимые при инженерных изысканиях для строительства, в конкретных геологических условиях данной строительной площадки. Однако организационные проблемы не позволяют  выполнить испытаний грунтов  натурными буронабивными сваями на стадии проведения геологических изысканий. Учитывая это, необходима методика для предварительного определения несущей способности свай-РИТ.

Рекомендуемый в [3] метод предварительного определения несущей способности  буроинъекционных свай по грунту отличается от методики расчета, изложенной в СНиП [4], введением повышающих коэффициентов, учитывающих условия работы грунта под нижним концом сваи γ_cr и на ее боковой поверхности γ_cf..

При нагружении ступени 290т  начали разрушаться сварные швы  в анкерной системе. После разгрузки  сваи остаточная деформация составила 12,64мм. Свая работает в упругой стадии деформаций.

Коэффициент условий работы грунта под нижним концом буровой сваи с  камуфлетным уширением, согласно [4], следует принимать γ_cr = 1,3. Значение этого коэффициента было узаконено в СНиП 2.02.03-85 п. 4.6 после проведения обширных экспериментальных исследований и продолжительной дискуссии в специальных журналах. Вес заряда взрывчатого вещества (ВВ) для получения камуфлетных уширений, при проектировании свай, определяется по [5]. Он может достигать нескольких килограмм. Взрыв мощного заряда ВВ обеспечивает условия работы грунта под нижним концом сваи, соответствующие принятому в [4] коэффициенту γ_cr = 1,3.

В [3] для свай ЭРСТ (электроразрядная свайная технология) рекомендовано  принимать коэффициенты условий  работы связных грунтов под нижним концом сваи γ_cr = 1,8, песков и супесей γ_cr = 2,4. Для свай Л-38, камуфлетное уширение которых устраивается с помощью электрохимического взрыва недетонирующей водонаполненной экзотермической смеси, рекомендовано принимать коэффициенты условий работы связных грунтов под нижним концом сваи γ_cr = 2,5…3,0, песков и супесей γ_cr = 5,0 !!!

Трудно согласиться с тем, что  взрывом экзотической смеси, не проверенной  массовым производством свай, можно  создать условия работы грунта под  нижним концом сваи (γ_cr = 2,5…5,0), лучшие, чем в результате взрыва мощного заряда традиционного ВВ (γ_cr = 1,3). Тем более не возможно поверить, что после, указанных в типовом технологическом регламенте [3], 10 электрических разрядов по 15…20 кДж, выделяющих энергию эквивалентную взрыву 1,5…2 грамм тротила, можно добиться лучших условий работы грунта под нижним концом сваи (γ_cr = 1,8…2,4), чем в результате взрыва много- килограммового заряда ВВ (γ_cr = 1,3).

Введенные в [3] ни чем не обоснованные, не подтвержденные и, самое главное, не контролируемые в процессе устройства сваи, повышенные значения коэффициентов  условий работы грунта под нижним концом и на боковой поверхности  сваи γ_cr и γ_cf, вызывают сомнение в их достоверности.

Упомянутые в [3] сваи РИТ (пишется  раздельно), должны изготавливаться  по патенту 2087617. Настоящие сваи-РИТ (пишется через дефис) изготавливаются  с использованием разрядно-импульсной технологии (РИТ), а не по указанному патенту, поэтому они имеют высокую  несущую способность при незначительных деформациях (см. таблицу 1). В дальнейшем, мы будем иметь в виду настоящие  сваи-РИТ и будем писать их название через дефис, просим не путать их со сваями РИТ, название которых написано раздельно.

В результате исследований, проведенных  лабораторией свайных фундаментов  НИИ оснований и подземных  сооружений им. Н.М. Герсеванова с  участием специалистов фирмы РИТА, в 2001 году была разработана Методика [6] определения несущей способности  висячих свай-РИТ по грунту, одобренная Главгосэкспертизой Госстроя России и  рекомендованная всем экспертным организациям субъектов Федерации для практического  использования. Согласно этой Методике, разрядно-импульсную обработку осуществляют до получения «отказа», т.е., до полного уплотнения грунта вокруг скважины, о степени уплотнения судят по величине оседания бетонной смеси в устье скважины после каждого разряда или серии из 5 разрядов. Однако Методика [6] не учитывает изменений напряженно-деформированного состояния грунта, подвергнутого комплексному воздействию полей, возникающих в процессе разрядно-импульсной обработки изготовляемой сваи-РИТ.

Как правило, верхние слои грунта находятся  выше уровня грунтовых вод, поэтому  часть ствола сваи, а иногда вся  свая может оказаться в песках природной влажности средней  плотности, а часто и в рыхлых песках. В таких грунтовых условиях сваи-РИТ имеют высокую несущую  способность, подтвержденную многочисленными  контрольными испытаниями свай вдавливающими  нагрузками, при чем, деформации (осадки) свай-РИТ не превышали 10…15 мм, что  свидетельствует о недоиспользовании  несущей способности свай-РИТ  по грунту в песках природной влажности (ω = 5…8 %). Исследований изменения напряженно-деформированного состояния “сухих” песков, подвергнутых разрядно-импульсной обработке, не проводилось.

Для выяснения главных причин значительного  прироста несущей способности в  сухих песках было проведено исследование прилегающего к свае-РИТ грунта [7]. В качестве «полигона» было решено использовать строительную площадку в  границах котлована строящегося  в Москве жилого комплекса на пересечении  улицы Остоженка, Коробейникова  и Хилкова переулков.

К сожалению, в процессе исследований грунтов вокруг свай-РИТ удалось  взять пробы грунта только вдоль  верхних участков стволов свай, которые  подвергались незначительной разрядно-импульсной обработке, всего по 5 разрядов с  шагом 300…350 мм по высоте.

Диаметр бурения свай составлял 250 мм. Диаметр сваи-РИТ после разрядно-импульсной обработки доходил в отдельных  местах до 450 мм. Результаты определения  несущей способности свай-РИТ  по грунту, установленные статическими испытаниями вдавливающей нагрузкой [8] приведены в таблице 2.

Геологический разрез строительной площадки представлен насыпными  грунтами (1…3 м), аллювиальными песками  малой и средней крупности, маловлажными с редким гравием (мощность более 8 м), с незначительным содержанием глинисто-пелитового вещества, основная часть которого сосредоточена в тонких глинисто-песчаных слойках, с глубины 7,5…8,0 м пески  водонасыщенные. Аллювиальные отложения  р. Москвы подстилаются морскими отложениями  верхней юры и среднего, верхнего карбона.

Внешний осмотр грунтовых  стенок, при разработке грунта у  свай-РИТ, показал, что грунт находится  в сухом и маловлажном состоянии, относительно устойчив и даже не требует  крепления. Стенки котлована вдалеке  от свай-РИТ (на участках, не обработанных по разрядно-импульсной технологии) были не устойчивы, требовали устройства крепления из досок и при малейшем промедлении с креплением, осыпались.

Для определения литологических особенностей отложений массива  и для исследования физико-механических свойств песков после их мелиорации методом разрядно-импульсного воздействия, были изучены пробы грунта, взятые в около свайном пространстве. В целом, было отобрано три группы проб, представляющих однотипные отложения, в которых гранулометрические различия были связаны с содержанием мелких и крупных частиц.

Основными задачами исследования являлись:

- Изучение минерало-петрографического  состава песчаных грунтов естественного  состояния и после проведения  разрядно-импульсного воздействия. 

- Получение количественных  оценок физико-механических свойств  песков в естественном залегании  и после разрядно-импульсной обработки. 

Монолиты песков отбирались методом забивки тонкостенного  стального стакана диаметром 120 мм. Грунт обрезали по высоте стакана, торцы  закрывались пластинами гидроизола и приваривались газовой горелкой.

Пробы изучались методами гранулометрического, рентгенофазового, микроскопического и химического  анализов. По данным проведенного анализа  был сделан вывод, что, прочностные  свойства грунтов зависит от многих факторов, для рассматриваемого случая, очевидно, важнейшими из них являются три: гранулярный состав песков; особенности  материала - заполнителя порового пространства песков; причины техногенного характера.

При сравнении массива  вне зоны влияния РИТ и грунтового массива в зоне влияния РИТ  выяснилось, что после проведения опытов, несмотря на незначительное разрядно-импульсное воздействие, всего по 5 разрядов с  шагом 300…350 мм по высоте, пески уплотнились  от рыхлых до средней плотности. Грунты стали более однородны по плотности  и пористости (рис. 7 и 8). Сопоставление  физико-механических свойств песков, находящихся в естественных условиях, и модифицированных, в результате разрядно-импульсной обработкой, при  изготовлении свай-РИТ показало:

1. коэффициент пористости  песков уменьшился в 1,04 раза (с  0,726 до 0,701);

2. влажность уменьшилась  в 1,17 раза;

3. плотность возросла  в 1,02 раза;

4. сцепление увеличилось  в 3,5 раза;

Исследованные выборки оказались  однородны по среднему квадратичному  отклонению и коэффициенту вариации.

Возможное участие цемента  входящего в состав бетонной смеси, в изменении структурных особенностей песков, довольно проблематично. Как  показали минерально-петрографические исследования, присутствие карбонатов цемента фиксируется в песках только на расстоянии не более 5 см от свай.

К сожалению, в условиях действующей  строительной площадки не удалось определить исходное напряженно-деформированное  состояние массива, его изменение  в процессе разрядно-импульсной обработки  при изготовлении свай-РИТ, а так  же исследовать грунт в зоне интенсивного воздействия, т.е. в зоне основания  сваи.

Как гипотезу положительного эффекта увеличения несущей способности  песков, являющихся основанием свай-РИТ, можно предположить наличие в  грунте остаточного напряженно-деформируемого состояния (НДС), которое сохраняется  после проведения импульсных воздействий  на грунт: удар-разгрузка, действующих  преимущественно в горизонтальных плоскостях. Остаточное НДС характеризуется  большими горизонтальными напряжениями в массиве грунта, которые значительно  больше вертикальных, вследствие чего грунт приобретает устойчивость.

Положительное действие разрядно-импульсной технологии на массив грунта, окружающий сваю-РИТ, не вызывает сомнений. Но для  полной и ясной картины изменения  состояния грунта, необходимо более  полное рассмотрение вопроса.

Целесообразно выполнить натурные опыты по определению прочностных  и деформационных свойств песков в естественном залегании, на различном  расстоянии от источника возмущения методом статического и динамического  зондирования грунтов, до разработки грунта вокруг свай. Для получения зависимости  изменения физико-механических свойств  песков и напряженно-деформированного состояния от величины разряда и  выбора оптимального технологического режима необходимо продолжить натурные и лабораторные эксперименты с различными исходными параметрами, особенно с  большими энергиями разряда и  их большим количеством, что позволит в конечном итоге разработать  более точную методику определения  несущей способности свай-РИТ.

Конструктивные решения

Наиболее распространенное решение  «козловые сваи».

При небольших нагрузках и невозможности   доступа к фундаменту со стороны подвала применяется одностороннее расположение свай.