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.