СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАЙНОГО ФУНДАМЕНТОСТРОЕНИЯ
(буронабивные сваи)

    Основываясь на практическом опыте работы, авторы статьи анализируют технологии и виды буронабивных и набивных свай, представленных на строительном рынке города, стараясь объективно изложить достоинства и недостатки каждой из известных технологий.

    Чтобы лучше понять направления дальнейшего совершенствования технологий и способов геотехнического строительства в области фундаментостроения (и как его составной части – свайного фундаментостроения в сложных инженерно-геологических условиях Северо-Запада России), полезно оглянуться назад.

    История свайного фундаментостроения, эволюция использования свай прошли через множество витков совершенствования технологий. А начиналось все с простых забивных деревянных свай.

    Археологические раскопки на берегах Цюрихского озера показали, что сваи использовались человеком в глубокой древности – в эпоху неолита. Сначала они служили в качестве стоек, позволявших приподнять пол жилища над водой или землей. Римский архитектор и инженер Витрувий (I в. до н. э.) подчеркивал необходимость использования деревянных свай при строительстве на наносных или болотистых грунтах для передачи нагрузки от зданий на так называемый «материк». Позднее применение свай позволило возводить на слабых грунтах все более и более массивные сооружения.

    Нельзя обойти вниманием опыт Нидерландов, где болотистая почва сделала сваи необходимой составляющей строительства. По свидетельству П. П. Гнедича только «благодаря сваям нидерландцы защитились от моря и отвоевали у него значительную площадь суши. Амстердам со своим населением в четверть миллиона человек весь стоит на сваях».

    Петр I использовал опыт голландцев, о чем свидетельствует его письмо к И. Коробову, в котором он дает указание изучить «манер голландской архитектуры, а особливо фундаменты» из-за схожести грунтов. В 1715 году Петром издается приказ о подготовке к сентябрю, где есть следующая цитата «...каждый против своего дома паженные сваи для обивки берегов, мерою трехсаженные, числом сколько против каждого двора оных бы столбов могло пойти». И в ноябре этого же года – новый приказ «Об окончании Санкт-Петербургскими жителями к будущей весне бития свай против домов своих, по берегам большой и малой Невы и протокам, под опасением отобрания тех дворов». Согласно ему каждый житель обязан был бить сваи, закладывать за ними связки фашинника и утрамбовывать землю на берегу напротив своего участка.

    Следы свайных построек мы находим и в архивных описаниях сердца Санкт-Петербурга – стрелки Васильевского острова. Зимой 1805 года началась реконструкция набережной стрелки по проекту генерал-лейтенанта Ф. И. Герарда. Из сметы на строительные работы видно, что на «построение намеченного берега противу биржи рустином в полуциркуль пошло: бревен на шпунтовые сваи длиной 3 х саженей шириной 8 вершков – 1500 шт.; круглых свай длиной 3 х саженей толщиной 6 вершков – 4025 шт.»

    При капитальной реконструкции Дворцовой набережной в 1925 году обнаружилось, что вся ее проезжая часть опирается на сплошное свайное основание. О внешнем виде набережных (например, о том, что наклонные сваи закладывались деревянными щитами) можно судить по гравюрам А. Зубова и Х. Морселиуса.

    Представляют интерес свидетельства современников строительства Исаакиевского собора, опубликованные в «Инженерном журнале» в 1861 году. «Работа фундамента произведена следующим образом: по отрытии фундаментной ямы, откачав из нея воду помощью Архимедовых винтов, которые работали постоянно и в последствии, в дно ямы всей ея поверхности были забиты частоколом сосновыя сваи от 11 до 12 д. в диаметре и длиною 3 саж. Расстояние между сваями равнялось диаметру их. Сваи были забиты до отказа бабою в 70 пуд. весом. Копров было 10; бабы на них поднимались помощью конных воротов, на каждом из которых работали 4 лошади. Работа эта продолжалась целый год и не прекращалась и зимою. Забивкою свай грунт был так уплотнен, что весьма трудно было отрывать его в промежутках между сваями. Срезка свай под одну горизонтальную плоскость была произведена очень просто: для этого действие водоотливных машин было приостановлено, и когда вода в фундаментной яме достигла желаемой высоты, то она тем самым отметила на каждой свае высоту, на которой ее нужно было срезать, что и было затем исполнено. Промежутки между головами свай были отрыты на 14 дюйм. и заполнены сильно утрамбованным древесным углем. После этой операции место постройки фундамента представляло совершенно горизонтальную плоскость. С забитыми в нее 10 762 сваями».

    Долгое время забивка свай осуществлялась вручную. Первое описание примитивного ручного копра относится к 1660 году. Изобретение станины с направляющими для бабы и присоединение для ее подъема различных приспособлений позволило увеличить мощность снаряда. Несомненным достижением технической революции было изобретение Нэсмитом (Великобритания) паровой бабы. В 1889 году эта конструкция была усовершенствована русским инженером С. А. Арцишем, что позволило значительно увеличить ее производительность.

    До 1838 года применялись только забивные сваи. Со временем они модернизировались – изменялся материал, при забивке свай в гравелистые и твердые грунты для деревянных свай стали использовать железные башмаки. В 1838 году Митчелл (Mitchall) предложил завинчивать сваи в грунт, для чего их нижняя часть снаряжалась винтом. Наконечники свай имели разный вид в зависимости от свойств грунта. В. Карлович в монографии «Основания и фундаменты» (1869 г.) признает преимущества винтовых свай перед забивными при применении их в некрепких грунтах, так как «концы их передают давление на большую площадь».

    Так, почти два века назад было положено начало использованию буронабивных и винтовых свай.

    Сегодня классификация свай по способу заглубления приводится в действующем Своде правил СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов»:

• забивные (вдавливаемые) железобетонные, деревянные и стальные, погружаемые в грунт без его выемки или в лидерные скважины с помощью молотов, вибропогружателей, вибровдавливающих, виброударных и вдавливающих устройств;

• сваи-оболочки железобетонные, заглубляемые вибропогружателями с выемкой грунта и заполняемые частично или полностью бетонной смесью;

• набивные бетонные и железобетонные, устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в скважины, образованные в результате принудительного отжатия (вытеснения) грунта;

• буровые железобетонные, устраиваемые в грунте путем заполнения пробуренных скважин бетонной смесью или установки в них железобетонных элементов;

• винтовые;

• бурозавинчиваемые.

    В свою очередь, набивные сваи по способу устройства подразделяются на:

1. набивные, устраиваемые путем погружения инвентарных труб, нижний конец которых закрыт оставляемым в грунте башмаком или бетонной пробкой, с последующим извлечением этих труб по мере заполнения скважин бетонной смесью;

2. набивные виброштампованные, устраиваемые в пробитых скважинах путем заполнения скважин жесткой бетонной смесью, уплотняемой виброштампом;

3. набивные в выштампованном ложе, устраиваемые путем выштамповки в грунте скважин с последующим заполнением их бетонной смесью.

    Буронабивные сваи по способу устройства подразделяются на:

1. буронабивные сплошного сечения с уширениями и без них, бетонируемые в скважинах, пробуренных в глинистых грунтах выше уровня подземных вод без крепления стенок скважин, а в любых грунтах ниже уровня подземных вод – с закреплением стенок скважин глинистым раствором или инвентарными извлекаемыми обсадными трубами;

2. буронабивные полые круглого сечения, устраиваемые с применением многосекционного вибросердечника;

3. буронабивные сваи с уплотненным забоем, устраиваемые путем втрамбовывания в забой скважины щебня;

4. буронабивные с камуфлетной пятой, устраиваемые путем бурения скважин с последующим образованием уширения взрывом и заполнением скважин бетонной смесью;

5. буроинъекционные диаметром 0,15 – 0,25 м, устраиваемые в пробуренных скважинах путем нагнетания (инъекции) в них мелкозернистой бетонной смеси или цементно-песчаного раствора, или буроинъекционные с уплотнением окружающего грунта путем обработки скважин по разрядно-импульсной технологии;

6. буроинъекционные, устраиваемые полым шнеком;

7. сваи-столбы, устраиваемые путем бурения скважин с уширением или без него, укладки в них омоноличивающего цементно-песчаного раствора и опускания в скважины цилиндрических или призматических элементов сплошного сечения со сторонами или диаметром 0,8 м и более;

8. буроопускные сваи с камуфлетной пятой.

    Далеко не все из перечисленного применимо на строительных площадках Санкт-Петербурга. Ограничения связаны с особенными инженерно-геологическими условиями в черте города, которые характеризуются наличием большой толщи слабых пылевато-глинистых водонасыщенных грунтов, имеющих низкие прочностные свойства и обладающих тиксотропностью (то есть при динамических воздействиях переходящих в плывунное состояние).

    В 2004 году Ван Импе, председатель международного комитета по фундаментостроению, представил следующую статистику использования разного вида свай в Европе:

• буронабивные сваи большого и малого диаметра занимают 52 % рынка;

• забивные сваи – 42 %;

• винтовые сваи – 6 %.

     Почему именно буронабивным и набивным сваям большого и малого диаметра принадлежит пальма первенства? Ответ прост. Потому что только с их помощью удается решать сложный спектр конструктивных задач по устройству высокоэффективных свайных оснований. Только они делают возможным восприятие несущим слоем грунтов высоких (от 4000 до 25000 кН) нагрузок от высотных зданий и сооружений. Эти виды свай широко используются при строительстве внутри застроенных территорий, поскольку, являясь щадящими технологиями, исключают вибрационные и динамические воздействия на конструкции расположенных в непосредственной близости к строительной площадке существующих зданий. В практике международного строительства известны примеры устройства свай в районах с распространением слабых грунтов глубиной погружения до 75 м. В Санкт-Петербурге сваи с максимальной глубиной погружения 47,5 м были использованы при строительстве перехода на Ладожском вокзале.

Технология устройства свай под защитой обсадной трубы

    Наиболее распространенная в нашем регионе, она заключается в погружении инвентарной трубы с помощью вращателя и трубовкручивающего стола (осциллятора). Данная технология позволяет изготавливать буронабивные сваи диаметром 450, 600, 620, 700, 770, 880, 1000, 1200, 1500, 1800 мм. Известны примеры бурения скважин диаметром 1500 мм на глубину до 75 м.

    При строительстве Ладожского торгового центра свая диаметром 880 мм глубиной 26 м, испытанная нагрузкой 8640 кН, показала осадку всего 16 мм. При строительстве второй очереди Невского Паласа было проведено испытание сваи диаметром 880 мм глубиной погружения 32 мна нагрузку 6200 кН (осадка составила 12 мм) и диаметром 620 мм с глубиной погружения 32 м на нагрузку 4200 кН (осадка – около 20 мм). Это подтверждает возможности данных свай нести высокие нагрузки от зданий или сооружений.

    Следует отметить, что при бурении в слабых водонасыщенных грунтах обсадная труба вкручивается с опережением относительно уровня выемки грунта (положения рабочего бурового органа). Таким образом формируется грунтовая пробка. Во избежание попадания грунта из-за трубного пространства внутрь скважины разницу хода между обсадной трубой и шнеком обычно принимают равной 3 – 4 м, иногда до 6 – 7 м (точно определяется ППР). В некоторых случаях при наличии напорных горизонтов подземных вод необходимо создание противодавленияв скважине посредством заполнения ее водой или глинистым раствором. Использование обсадной трубы позволяет перекрывать горизонты плывунных грунтов, обеспечивать безопасность ведения свайных работ, контролировать параметры буровой скважины, гарантировать высокое качество заполнения скважины бетоном. Данный вид свай является наиболее популярным среди транспортных строителей и мостостроителей в силу его высокой надежности.

    Для выполнения буронабивных свай по технологии бурения скважины под защитой обсадной трубы используются буровые установки фирм Bauer ряда BG, Casagrande, Junttan.  Обсадная труба представляет собой секции труб, жестко соединенных между собой, толщина стенки обычно составляет 40 мм. Скорость проходки зависит от рабочих характеристик вращателя (прежде всего, мощности) и конструкции бурового органа (зависит от вида грунта).

    Преимуществами данной технологии являются:

1. Отсутствие динамических и вибрационных воздействий на грунт, что делает возможным устройство свай вблизи существующих зданий и сооружений.

2. Высокая надежность современного оборудования позволяет безошибочно контролировать процесс бурения с достижением несущего слоя.

3. Возможность разбуривания или извлечения валунов.

4. Заполнение скважины производится через бетонолитную трубу, что исключает образование шеек при наличии в скважине арматурного каркаса.

5. В процессе бурения осуществляется прямой контроль соответствия фактических инженерно-геологических условий проектным, что позволяет исключить ошибки и найти оптимальное решение.

6. Возможность устройства уширения позволяет наиболее полно использовать несущую способность сваи.

    При устройстве свай по данной технологии особое внимание необходимо обратить на то, что во время прохождения водонасыщенных грунтов, во избежание выпора грунта в скважине, необходимо создавать или грунтовую пробку большой длины, или избыточное давление с помощью воды или глинистого раствора. Принимая во внимание невысокую производительность и возможность воспринимать значительные нагрузки, проектные решения могут обеспечивать полное использование несущей способности свай по грунту. В качестве примера можно привести конструкцию использования системы «свая-колонна», что существенно минимизирует затраты на фундирование.

Технология непрерывного проходного шнека

     Или технология SOB-колонны, CFA, (от англ. continuous flight auger) впервые появилась в Санкт-Петербурге в 1997 году. Она использовалась французской фирмой «Солетанж Баши» при устройстве свай на строительстве Транспортно-коммерческого центра на Лиговском проспекте. Несмотря на предостережения геотехнической общественности, фирма не провела необходимых опытных работ и потерпела фиаско (были разрушены два здания). Кроме того, имело место нерасчетное поглощение бетона при подаче его в скважину. Так, при физическом объеме скважины – 7 м³, расход поглощения бетона последовательно выполненных свай составил – 16, 24, 38 и 56 м³. Данное обстоятельство заставило очень осторожно и технологически обоснованно внедрять технологию непрерывного проходного шнека на строительных площадках Санкт-Петербурга.

    Наиболее безопасным для окружающих зданий оказалось бурение со сравнительно небольшой частотой вращения рабочего органа и как следствие – со значительным крутящим моментом (такой вид бурения принято называть медленновращательным). Оно производится разными по конструкции рабочими органами на основе шнекового бура.

     Шнековый бур для медленновращательного бурения представляет собой механический бурильный инструмент, имеющий в качестве породоразрушающего элемента бурильную головку и шнек для аккумулирования и транспортировки на поверхность разрушенного грунта. Шнековые буры чаще всего изготавливают с одной (однозаходный), реже с двумя (двухзаходный) шнековыми спиралями. Торцы шнека, подверженные значительному износу, наплавляют износостойкими сплавами. Породоразрушающая бурильная головка имеет либо плоские, либо круглые резцы, а иногда комбинацию тех и других. Резцы снаряжены твердосплавными элементами, которые значительно повышают их износоустойчивость. В процессе эксплуатации, по мере износа они подлежат замене.

    Применяемая технология по устройству свай методом SOB-колонны заключается в погружении непрерывного проходного шнека на проектную глубину, извлечении грунта в объеме разбуриваемой скважины на поверхность, нагнетании бетона по внутренней трубе шнека при одновременном извлечении шнековой колонны и последующем погружении армокаркаса вибропогружателем в заполненную бетоном скважину. Таким образом, формирование сваи происходит без дополнительного крепления стенок скважины.

    Технология незаменима для грунтов, имеющих слои, существенно отличающиеся по прочности. Особенно она эффективна при проходке большой толщи песков, полутвердых и тугопластичных суглинков, когда изготовление свай уплотнения невозможно.

    Серьезным преимуществом является высокая производительность (до 79 свай глубиной 25 м в сутки) и высокое качество заполнения скважины бетоном, так как бетонная смесь подается под давлением при помощи бетононасоса.

    Необходимо обратить внимание на то, что при устройстве свай по технологии SOB-колонны (CFA) происходит тиксотропное разупрочнение грунта в околосвайном массиве, следствием чего введено ограничение по ее использованию вблизи существующих зданий, если модуль деформации грунта меньше 5 МПа, а угол внутреннего трения меньше 10 градусов.

    При устройстве буронабивных свай в водонасыщенных грунтах наиболее надежной защитой от обрушения стенок скважин при бурении является использование обсадных труб.

 Технология устройства набивных свай уплотнения (DDS)

    Основана на принципе раскатки скважин, т. е. устраивается без выемки грунта, с уплотнением стенок скважины, посредством применения рабочего органа – раскатчика. Происходит непрерывный процесс образования цилиндрической полости в грунте путем его деформации и уплотнения раскатывающим механизмом в стенки скважины. Благодаря этому вокруг скважины образуется уплотненная зона грунта.

    Раскатчик представляет собой ряд установленных последовательно друг на друга на общем валу конических катков, оси которых смещены относительно оси вала в стороны таким образом, что при вращении вала они катятся по винтовой линии, осуществляя подачу раскатчика. Это позволяет осуществлять проходку в грунте благодаря крутящему моменту, приложенному к валу раскатчика. Использование раскатчика обеспечивает бурение скважин с гладкими и прочными стенками значительного диаметра (до 1 м). И это с достаточно высокой скоростью, при отсутствии вибрации и шума, что делает технологию DDS особенно привлекательной при работе в условиях плотной городской застройки. Кроме того, ее применение снижает стоимость работ за счет экономии на затратах по вывозу грунта.

    При реализации технологии устройства набивных свай уплотнения требуется жесткое соблюдение порядка ведения работ, так как и в других технологиях уплотнения возможно влияние на вблизи расположенные дома вследствие выпора грунта при массовом производстве работ (в случае, если процесс не регулируется ППР). К данному классу технологий относятся винтовые сваи. В Санкт-Петербурге они представлены оборудованием фирм Bauer, Fundex, Junttan и Atlas.

    По сравнению с аналогичным оборудованием других производителей раскатчик фирмы BAUER позволяет гарантировать качество бетонирования за счет использования бетонолитной трубы, вмонтированной в буровой инструмент, а также повышение несущей способности свай благодаря опрессовке бетонной смеси в скважине. Использование специального бурового инструмента, жестко закрепленного на буровом ставе, делает возможным устройство свай через плотные слои песков, а при встрече с препятствиями (валуном, например) произвести замену породоразрушающего инструмента на забурник и продолжить бурение без потери сваи. Высокая точность постановки свай в плане, соблюдение вертикальности забуривания, глубина погружения рабочего органа, давление бетона при заполнении скважины – все это контролируется бортовым компьютером. Данная технология более 5 лет успешно применяется на строительных площадках нашего города. К ее достоинствам также следует отнести высокую производительность – до 30 свай глубиной до 25 м в смену.