Технология изготовления и области применения буроинъекционных свай

На сегодняшний день буроинъекционные сваи широко востребованы в сфере гражданского, промышленного и дорожного строительства. Свайные фундаменты применяются при застройке загородных участков с проблемными грунтами, реконструкции исторических зданий и создании высотных сооружений. Рассмотрим технологию создания и основные сферы применения буроинъекционных свай.

Буроинъекционные сваи (англ. micropile) относятся к классу набивных свай и изготавливаются путем пробуривания скважины и заполнения ее цементно-песчаной или водо-цементной смесью при помощи инъекционной спецтехники. Для усиления несущей способности буроинъекционные сваи могут укрепляться железными трубами, арматурными стержнями или армокаркасом – вводимой в скважину объемной металлической конструкцией в форме призмы или цилиндра. Характерными особенностями свай буроинъекционного типа являются:

• Повышенная гибкость;
• Диаметр до 400 мм.;
• Специфическая инъекционная технология изготовления.

В большинстве случаев буроинъекционные сваи создаются на базе необсаженных скважин с помощью полого шнека. На твердых устойчивых породах установка свай буроинъекционного типа может выполняться насухую, при работе с проблемными видами почв для стабилизации стенок скважины применяется буровой раствор, который затем вытесняется из скважины подаваемой под большим давлением цементной смесью.

Впервые буроинъекционные сваи стали применяться в Италии в 1950-х годах. Изобретение буроинъекционных свай в послевоенное время было связано с необходимостью проводить масштабные восстановительные работы в городских районах с плотной застройкой. Применение популярных на тот момент забивных свай для подобных целей не подходило в связи с высоким риском повредить соседние постройки и подземные инженерные сети.

Гибкие и долговечные буроинъекционные сваи обладают значительной несущей способностью. В отличие от установки набивных свай, проводимой с помощью вибропогружателя или сваебойной машины, введение в грунт буроинъекционных свай не сопряжено с сильными динамическими воздействиями и позволяет минимизировать уровень шума и повреждения фундаментов соседних сооружений.

Классификация

Сваи буроинъекционного типа разделяются на две категории в зависимости от того, какая часть сваи передает основную нагрузку на грунт:

• Сваи-стойки – упираются в глубоко залегающие слои твердых пород, передают нагрузку через пяту;
• Висячие сваи – устанавливаются на участке без прочного несущего слоя, передают нагрузку на грунт через боковую поверхность.

В связи с преобладанием слабых и сжимаемых грунтов большинство свай буроинъекционного типа являются висячими. При установке висячих свай особое внимание уделяется качественному сцеплению между поверхностью сваи и стенками скважины.

Отличия буроинъекционных и буронабивных свай

На данный момент буроинъекционные сваи рассматриваются как разновидность буронабивных. Сваи буроинъекционного типа применяются в тех случаях, когда к прочностным характеристикам свай предъявляются особенно высокие требования и необходимо полностью исключить возможность осыпания грунта со стенок скважины. Технология изготовления буронабивных и буроинъекционных свай одинакова, однако при создании последних используется специализированная техника, оснащенная полым шнеком для заливки цементного раствора. Благодаря использованию полого шнека скважина начинает заполняться цементом сразу после разбуривания породы до нужной глубины. Подобная методика позволяет избежать обрушения стенок скважины и возникновения включений в теле сваи, снижающих ее несущую способность.

Области применения буроинъекционных свай

Усиление несущих конструкций сооружений

Буроинъекционные сваи рекомендованы к применению в случае повышения требований к несущей способности объекта (увеличение количества этажей, расширение мостов и эстакад, установка более тяжелой промышленной техники), а также при аварийной осадке зданий и сооружений из-за изменения геологических условий, износа или перегруженности несущих конструкций. Благодаря современной технологии установки, буроинъекционные сваи могут применяться для укрепления фундаментов уже существующих построек даже в условиях плотной городской застройки, а также на площадках с проблемными геологическими условиями.

Усиление несущих конструкций сооружений при аварийной осадке	Усиление несущих конструкций сооружений при недопустимых горизонтальных перемещениях
1 - существующий фундамент; 2 - буроинъекционные сваи; 3 - слабый грунт; 4 - плотный грунт

Создание новых объектов вблизи уже существующих сооружений

Строительные проекты, предусматривающие создание какого-либо объекта на минимальном расстоянии от уже существующего, относятся к числу наиболее технически сложных. Для того, чтобы защитить фундамент и стены построек от вибрации и повышенных нагрузок в период строительства и последующей эксплуатации нового объекта, их укрепляют при помощи буроинъекционных свай. Использование свай дает возможность минимизировать риски деформации, неправильной осадки и подвижки грунта в процессе строительных работ. Благодаря применению малогабаритных буровых машин и мобильных бетонозаводов, выполнить работы по установке буроинъекционных свай можно даже в условиях ограниченного пространства (строительство туннеля, надстройка зданий, укрепление существующего фундамента, создание подземных парковок).

Строительство туннеля рядом с существующими зданиями	Надстройка существующего здания
1 - существующие фундаменты; 2 - новые фундаменты на сваях

Коррекция крена здания

Повышение уровня грунтовых вод, переувлажнение грунта и износ несущих конструкций часто часто приводят к сильной неравномерной осадке сооружений, возведенных на традиционном плитном или ленточном фундаменте. Единственным способом остановить разрушение исторических зданий в подобных случаях является использование буронабивных свай. Существует две технологии устранения крена:

• Фундамент усиливается сваями в точке максимальной осадки, через необходимый промежуток времени проводится усиление также других точек фундамента, просевших до нужной отметки;
• Наиболее просевший участок фундамента укрепляется путем ввода свай, затем другие зоны фундамента искусственно опускаются до той же отметки путем ослабления оснований по методике замачивания или выборки грунта.

Коррекция крена здания 1 - положение фундаментов до начала усиления; 2 - буроинъекционные сваи I стадии усиления; 3 - сваи II стадии усиления; 4 - сваи III стадии усиления

Строительство на проблемных грунтах

В целом ряде случаев установка буроинъекционных свай становится единственным способом создания долговечных и устойчивых фундаментов под различные объекты. Особенно рекомендовано использование свайных несущих конструкций в следующих случаях:

• Работа на грунтах с крупными скальными включениями или сильными показателями просадки;
• Строительство на участках с уклоном более 8%;
• Создание фундамента на слабых грунтах при недостаточной толщине глубоко залегающих твердых пород;
• Строительство на участках с «плывунами» или высоким уровнем грунтовых вод.

Усиление оснований фундаментов под оборудование	Фундамент мостовой опоры в сложных грунтовых условиях
1 - сваи; 2 - крупнообломочный материал; 3 - фундамент

Создание фундамента «стена в грунте»

Фундамент типа «стена в грунте» относится к числу наиболее прогрессивных типов опорных конструкций и позволяет возвести масштабные высотные сооружения даже на малосвязных, слабых и переувлажненных почвах. Также сооружения типа «стена в грунте» широко применяются в качестве подпорных стен для защиты от оползней, а также противофильтрационных завес, предохраняющих подземные сооружения от грунтовых вод. Суть технологии «стена в грунте» заключается в создании узкой траншеи или ряда скважин, которые заполняются цементной смесью. При работе в условиях плотной застройки «стена в грунте» из буронабивных или буроинъекционных свай позволяет в кратчайшие сроки создать прочные опорные конструкции и избежать повреждения фундаментов соседних зданий.

Подпорные стены для противооползневой защиты

Создание фундамента «стена в грунте»

Технология изготовления буроинъекционных свай

В связи с постоянным ускорением темпов строительства методика создания буроинъекционных свай постоянно совершенствуется. Ежегодно на рынке появляются новые разработки, позволяющие снизить стоимость работ и уменьшить время строительства. Одной из ключевых тенденций на данный момент является стремление объединить разные операции по установке сваи – например, некоторые производители предлагают буровые колонны одноразового использования, которые остаются в скважине и выполняют роль армирующей конструкции.

В качестве основных этапов создания буроинъекционных свай можно выделить:

• Бурение скважины;
• Установку армокаркаса;
• Введение цементного раствора.

В качестве армирующих элементов сваи могут применяться также металлические трубы, арматурные стержни и комбинированные металлоконструкции, однако трехмерные армокаркасы получили наибольшее распространение благодаря своей повышенной прочности. Как отмечают специалисты, именно этап конструирования армокаркаса является самым слабым звеном в технологии создания свай.

На сегодняшний день существуют две методики создания армокаркасов под буроинъекционные сваи:

• Сборка вручную.
  Армокаркас собирается при помощи полуавтоматических сварочных аппаратов. Возможно создание каркасов любой конфигурации, вес и длина могут значительно варьироваться. Основным плюсом ручной сборки является возможность создавать армокаркасы непосредственно на месте работ. Основной недостаток – отсутствие контроля за качеством сборки на разных этапах;
• Сборка на станке.
  Специализированная техника для сборки армокаркасов изготовляет конструкции с заданными размерами в режиме автоматической сварки. Станок позволяет изготовить армокаркас стандартного размера в 15 раз быстрее, чем при использовании ручной сборки, а также добиться безупречного качества полученного изделия. Минусами использования автоматизированной сборки является необходимость транспортировать готовые каркасы на площадку, а также ограничения по размерам изготовляемых металлоконструкций (не более 14 м. в длину, вес до 5 т.).

Создание армокаркасов вручную – более рискованная и трудозатратная методика, использование которой оправдано лишь при реализации масштабных строительных проектов на труднодоступных площадках и создании каркасов под сверхглубокие сваи. При работе с малыми и средними строительными объектами наиболее выгодным является использование станка для сварки армокаркасов, в кратчайшие сроки изготовляющего высококачественные конструкции с заданными параметрами.

В целом, технология изготовления свай незначительно варьируется в зависимости от применяемой техники. Выбор бурового оборудования и метода бурения выполняется в соответствии с типом почвы и строительными задачами.

Основные технологические схемы изготовления буроинъекционных свай

Глинистые почвы

На участках с глинистым грунтом (средний уровень влажности, 1-2 категория по просадке) для создания скважин под буроинъекционные сваи размером до 180 мм. применяется методика шнекового бурения. В связи с высокой нагрузкой рекомендуется выбирать буровые шнеки со сменным наконечником и использовать буровое долото с диаметром, превышающим диаметр шнека не более чем на 6-10 мм. Подобный технический прием позволяет избежать обрушения стенок скважины при извлечении шнека на поверхность – более влажная почва, поднимающаяся со дна скважины по виткам шнека, покрывает ее стенки и играет роль стабилизатора. При работе в удалении от уже существующих построек для погружения шнека можно использовать пневмопробойник. После пробуривания скважины в нее погружается армокаркас, затем с помощью шланга или бетонолитной трубы вводится цементная смесь.

В том случае, если в глинистом грунте необходимо пробурить скважину диаметром боле 180 мм., рекомендуется во избежание осыпания стенок скважины вначале проводить введение цементного раствора, а затем устанавливать армокаркас (подходит для армокаркасов длиной не более 5 м.).

Изготовление буроинъекционных свай в маловлажных глинистых грунтах при диаметре сваи 13-18 см

Изготовление буроинъекционных свай в маловлажных глинистых грунтах при диаметре сваи более 18 см

I - бурение скважины, II - установка армокаркаса, III - бетонирование сваи 1 - буровой став, 2 - армокаркас, 3 - инъекционный шланг, 4 - готовая свая, 5 - бункер для выбуренного грунта, 6 - бункер для бетона, 7 - "дыхательная" трубка

Слабые почвы

Малосвязные грунты легко деформируются под влиянием влаги, поэтому в ходе буровых работ стенки скважин необходимо дополнительно укреплять. На участках с подобным типом почв буроинъекционные сваи устанавливаются под защитой обсадных труб, препятствующих обвалу стенок скважины. Бурение выполняется вращательным или ударно-вращательным методом, после извлечения буровой колонны в готовую обсаженную скважину вводится шланг или бетонолитная труба. Как только скважина заполняется полностью, верхняя часть обсадной трубы подсоединяется к компрессору при помощи специальной крышки. По мере того, как обсадная труба извлекается из скважины, составляющий тело сваи бетонный раствор равномерно опрессовывается. Благодаря использованию компрессора или насоса с регулятором давления, оператор может увеличить диаметр сваи, создав расширение в нужной точке. Недостатком данной технологии является необходимость использовать одноразовые наконечники для обсадных труб, которые остаются в скважине после окончания работ.

Технологическая схема изготовления буроинъекционных свай с помощью извлекаемых обсадных труб (I-IV в водонасыщенных грунтах; I, V, VI - в сухих)

I - бурение скважины; II, VI - установка армокаркаса; III, V - бетонирование сваи; IV - опрессовка скважины и извлечение обсадных труб; 1 - обсадные трубы; 2 - армокаркас; 3 - инъекционная труба; 4 - оголовок со штуцером; 5 - шанг растворонасоса; 6 - готовая свая

Почвы с высокой поглощающей способностью

Залегание слоя сильнопоглощающего грунта в пределах длины сваи может стать значительной проблемой при бурении. При наличии на участке прослоек породы подобного типа рекомендуется отдать предпочтение буроинъекционным сваям с трубчатым армированием. После ввода в скважину промывочного раствора в нее опускается полая арматурная труба с дополнительными отверстиями в стенках, закрытыми резиновой мембраной. После того, как промывочный раствор застыл и стабилизировал стенки скважины, в скважину подается цементная смесь. Резиновые мембраны лопаются, и цементная смесь выходит за пределы застывшей бентонитовой оболочки, образуя расширение в нужной точке.

Схема устройства свай с трубчатой арматурой

I - устройство скважины; II - заполнение скважины инъекционным раствором; III - установка арматуры; IV - опрессовка скважины; 1 - обсадная труба; 2 - инъекционная труба; 3 - трубчатая арматура; 4 - инъектор с двойным тампоном

Камень или бетон

Многие проекты предусматривают укрепление буроинъекционными сваями уже существующих плитных или ленточных фундаментов. Для создания скважин в толща каменного или бетонного фундамента используется трехшарошечное буровое долото, рекомендуется также выполнять продувку или промывку. Если в бетонной конструкции также есть железная арматура, она вырезается вместе с керном. В том случае, если укрепляемый фундамент нестабилен и имеет трещины либо полости, в толще бетона создается лидерная скважина не более 80 см. глубиной, затем в ней с помощью цементной смеси фиксируется одноразовая труба-кондуктор, через которую осуществляется дальнейшее бурение до необходимой точки. После того, как скважина заполняется подаваемым под давлением цементным раствором, происходит замоноличивание трубы-кондуктора. Использование подобной технологии позволяет качественно заполнить все трещины в бетонной основе, находящиеся ниже уровня трубы-кондуктора, и эффективно укрепить фундамент изнутри.

Усиление бутового фундамента

I - бурение лидерной скважины; II - установка трубы-кондуктора; III - бурение инъекционной скважины и бетонирование полостей и трещин; IV - изготовление буроинъекционной сваи 1 - лидерная скважина, 2 - труба-кондуктор, 3 - раствор омоноличивания, 4 - временная пробка, 5 - раствор в трещинах кладки, 6 - труба с сальником, 7 - буроинъекционная свая