Новые технологии устройства стальных трубосвай. "Федеральный строительный рынок". №3 2008

Социально-экономическое развитие нашей страны предусматривает более эффективное использование капитальных вложений в области строительства, снижение материалоемкости, трудоемкости и стоимости благодаря улучшению планирования и организации строительного производства. Большое внимание уделяется повышению производительности труда, а также качеству и надежности возводимых объектов.
Основание зданий и сооружений является наиболее важным и определяющим фактором в обеспечении надежности и долговечности сооружения при его эксплуатации. В общем объеме строительства устройство оснований и фундаментов имеет значительный удельный вес как по стоимости, так и по трудоемкости строительных работ. Поэтому необходимо производить рациональное проектирование оснований и фундаментов с рассмотрением возможных вариантов и их последующим технико-экономическим сопоставлением.
В последние годы в фундаментостроении широкое распространение получили свайные фундаменты. Они позволяют возводить здания и сооружения на слабых грунтах с недостаточной несущей способностью. Во многих случаях это единственный способ возведения сооружений в сложных инженерно-геологических условиях.
Применение открытых снизу стальных трубчатых свай способствует сокращению объемов и сроков производства строительных мероприятий, затрат рабочей силы и материала свай за счет более рационального функционирования поперечного сечения ствола под расчетной нагрузкой.
Территория строительства в таких районах, как, например, Санкт-Петербург, в геологическом отношении представлена четвертичными отложениями на глубину 15–20 м, состоящими из напластований песков пылеватых, суглинков и супесей текучих, водонасыщенных. Грунты отличаются повышенной чувствительностью к различным техногенным воздействиям, низкой прочностью и неустойчивостью.
Современные технологии возведения фундаментов предлагают устройство буронабивных фундаментов. Однако подобный способ в грунтовых условиях центральной части Санкт-Петербурга приводит к значительному увеличению сроков и стоимости строительства. Помимо этого, технология устройства буронабивных фундаментов в условиях исторической застройки может вызвать неравномерную осадку близлежащих зданий, что в свою очередь повлечет возникновение крена и приведет прилегающую часть здания в аварийное состояние.
При строительстве Большого морского порта в Санкт-Петербурге были использованы преимущественно стальные трубчатые сваи диаметром до 1 420 мм и длиной до 30 м и более [1, 2, 3], которые характеризуются высокой несущей способностью, но при этом достаточно дороги (фото 1, 2). Железобетонные сваи прочны и экономичны, но их несущая способность по грунту невысока. Здесь уместно будет отметить, что есть примеры возведения высотных зданий в Китае, например 88-этажная башня Джин Мао высотой 420 м, построенная в 1988 г, фундаментная плита которой из железобетона толщиной 4 м базируется на 429 стальных трубосваях, которые уходят на глубину 65 м в илистую почву.
Надежность фундамента обеспечивается несущей способностью сваи. Несущая способность сваи — это максимальное сопротивление сваи вдавливанию в грунт основания. Сопротивление вдавливанию пропорционально сопротивлению погружения сваи. Это сопротивление для стальных трубчатых свай равно сумме сопротивлений в виде:
а) сопротивления прорезанию острия трубы в форме кольцевого сечения;
б) сил трения грунта на внешней поверхности трубы;
в) сил трения грунта на ее внутренней поверхности, контактирующей с грунтом.
Таким образом, несущая способность трубосваи определяется по формуле:
Fd = FdR + Fdf + FdЯ, (1)
где (выделим следующие составляющие): FdR — полное лобовое сопротивление по сечению стальной трубосваи, т.е. ножевое (по площади нетто); Fdf — полное боковое сопротивление по наружной поверхности; FdЯ — полное лобовое сопротивление грунтового ядра, заполняющего полость стальной трубосваи при ее забивке.
И здесь требование существенного повышения несущей способности сваи входит в техническое противоречие с необходимостью применения сваебойного (погружающего) оборудования соответствующей мощности. А последняя всегда ограничена жесткими рамками его наличия на момент строительства. Предлагаемая технология и направлена на разрешение этого противоречия.
Практика применения свай показывает, что заметное влияние на ее несущую способность оказывает форма острия сваи. При этом использование наконечников в трубосвае приводит к максимальному снижению энергоемкости погружения трубосваи и расширению ее функциональных возможностей.
В данной работе задача снижения энергоемкости погружения сваи решена за счет того, что наконечник трубосваи дополнительно снабжен утолщением и с внутренней стороны, при этом поперечное сечение наконечника выполнено в виде криволинейного клина, в т.ч. со сторонами двоякой кривизны. Дополнительно в наконечнике может быть выполнена полость с отверстиями для выпуска жидкости, а труба снабжена системой поясов аналогичных утолщений с внешней и внутренней ее стороны. Между поясами выполнена перфорация трубы или вмятины на ее поверхности в шахматном порядке. Другой вариант трубосваи содержит размещенные в полостях утолщений элементы накаливания и покрытие утолщений слоем антифрикционного материала.
Сущность работы поясняется чертежами (рис. 1, 2).
Рассмотрим устройство в статике.
Внешние утолщения, например, 2, 4 (рис. 1, а–в) и внешние грани других наконечников (рис. 1, д–к) и поясов 8 (рис. 1, д) создают зазор между трубой 1 и грунтовым массивом, тем самым снижая усилия трения между ними и, соответственно, энергозатраты на погружение трубосваи.
Внутренние утолщения, например, 2, 4 (рис. 1, а, б) и внутренние грани других наконечников (рис. 1, д–к) и поясов 7 (рис. 1, ж) создают зазор между трубой 1 и грунтовым ядром внутри нее и тем самым снижают силы трения по внутренней поверхности трубы 1.
Увеличение диаметра наконечника, создаваемое гранью 3а (рис. 1, г) по сравнению с внешним диаметром трубы 1, и аналогичное уменьшение диаметра наконечника, создаваемое гранью 3а (рис. 1, в) по сравнению с внутренним диаметром трубы 1, в нашем случае выполняют роль утолщений наконечника соответственно с внешней и внутренней сторон трубы 1, поскольку обеспечивают зазоры между поверхностью трубы 1 и грунтом.
Утолщения в зависимости от многообразия грунтовых условий могут быть выполнены с прямыми гранями 5–10 (рис. 1, д–ж), с криволинейными –11, 18 (рис. 1, з, к) и гранями двоякой кривизны 16 (рис. 1, и).
В наконечнике 11 (рис. 1, з) выполнена полость 12, соединенная трубкой 13 с насосом (на рис. не показан) и снабженная отверстиями 14, 15 и 15а для выпуска жидкости.
В полостях 17 наконечников 16 и 18 (рис. 1, и, к) могут быть встроены элементы накаливания, например, типа спиралей электронагревательных приборов и т. п. Наконечник 18 может быть выполнен из отрезка трубы.
Поверхностям контакта утолщений с грунтом могут быть приданы зубчатая форма и покрытие слоем антифрикционного материала.
Утолщения поясов 7 и 8 на трубе 1 (рис. 1, д) также выполнены в форме клиньев, острые концы которых обращены в сторону наконечника. Эти утолщения могут иметь различные формы и полости, отмеченные выше. Пояса по окружности стенки трубы могут быть выполнены прерывистыми из отрезков проката, например, типа уголка.
Вариантом трубы будут ее перфорированные стенки с частотой, уменьшающейся в направлении от наконечника, и отверстиями, вытянутыми вдоль трубы, имеющими преимущественно круглую или близкую к эллиптической форму и расположенными в шахматном порядке. Отверстия могут иметь и треугольную форму, например, в виде прямоугольного 19 (рис. 2, а), равнобедренного 20 (рис. 2, б) или равностороннего 21 (рис. 2, в) треугольников, а также иную форму.
Другим вариантом служит замена отверстий перфорации выпуклостями и/или вмятинами на стенках трубы с сохранением их формы и расположения, включая форму клина.
Устройство работает следующим образом.
При погружении сваи с наконечником (рис. 1, а) поверхность 3 внешнего утолщения 2 плавно отжимает набегающий грунт наружу от стенки трубы 1, образуя зазор и снимая тем самым силы трения грунтового массива по боковой поверхности трубосваи. Поток же грунта, пропускаемый внутрь трубосваи, проходит суженную цилиндрическую часть 4 наконечника и расслабляется за счет расширения полости трубы 1.
При этом снижаются силы трения грунта ядра по внутренней поверхности трубы 1, что практически исключает возникновение эффекта "самозапирания" грунтового ядра в полости трубы при ее погружении. Соответственно существенно уменьшается и энергоемкость погружения.
Аналогично работают и наконечники других вариантов, отличие которых друг от друга заключается в большей или меньшей степени отжатия грунта от стенок трубы 1.
Дополнительное снижение удельной энергоемкости погружения достигается (рис. 1, з) путем нагнетания воды, глинистого или цементного раствора через трубку 13 в полость 12 и выпуска его через отверстия 14, 15 и 15а для смазки стенок трубы 1 в процессе погружения трубосваи. При этом цементный раствор после его твердения существенно повысит и несущую способность трубосваи.
Наличие ряда поясов утолщений 7 и 8 по длине трубы 1 (рис. 1, д) обеспечит отжатие грунта от стенок трубы по всей ее длине, повысит устойчивость и скорость погружения. Размещенные в полости 17 наконечников (рис. 1, и, к) элементы накаливания позволят часть грунтовой воды превратить в пар, который уменьшит трение наконечника по грунту.
Восстановление несущей способности грунтового ядра трубосваи производят смятием столба грунта ядра вертикальной пригрузкой или погружением в него свай любого рода и конфигурации [4]. При этом в случае наличия перфорации стенок трубы грунт ядра через отверстия будет выдавливаться наружу и увеличивать силы трения по внешней поверхности трубосваи.
Для проверки достоверности и качественного совпадения результатов теоретических расчетов рассчитаем несколько свай нефтеналивного терминала в г. Приморске, несущая способность которых была испытана "ЛенморНИИпроектом".
Сравнение несущей способности трубо-свай, полученной методом статических испытаний и с помощью расчета по предлагаемой методике, представлены в таблице 1. Из таблицы видно, что значения несущей способности трубосвай, вычисленные по предлагаемой методике, близки к значениям, полученным натурными испытаниями, что подтверждает правильность нашего подхода к расчету.
Использование предлагаемых наконечников позволяет расширить область применения трубосвай на большие их диаметры, на повышенные глубины погружения, труднопроходимые грунты и более полно использовать резервы трубосвай в части их несущей способности по грунту с одновременным снижением удельной энергоемкости погружения и соответственным уменьшением динамического воздействия на окружающую среду.