Ни для кого не секрет, что в последние десятилетия все больше увеличиваются объемы строительства и реконструкции в стесненных городских условиях, в том числе на слабых или переслаивающихся слабых и более прочных грунтах. Поэтому особенно остро стоит вопрос повышения несущей способности оснований и фундаментов с условием возможности использования техники, позволяющей работать в стесненных условиях, в том числе в подвалах существующих зданий.

При строительстве свайных и свайно-плитных фундаментов или при усилении фундаментов существующих зданий и сооружений одними из наиболее эффективных являются буроинъекционные сваи на мелкозернистом бетоне. Для их устройства в настоящее время в основном используется бурение под защитой глинистого раствора и шнековое. Однако первое представляется малоперспективным в связи со сложностью, а часто и невозможностью устройства зумпфов (накопителей обводненного материала в нижних частях скважин), с проблемами утилизации отработанного бурового раствора, с низкой несущей способностью созданных свай (поскольку глинистая корка на стенках скважины не позволяет обеспечить надежный контакт боковой поверхности сваи с грунтом) и т.д.

Недостатками же шнекового бурения являются большой объем остающегося на дне скважины бурового шлама и существенное ослабление несущих свойств грунта. Вертикальной нагрузки от веса затвердевающего инъецированного раствора и давления опрессовки недостаточно для качественного уплотнения шлама и возвращения свойств грунта на забое скважины в первоначальное состояние, что потом приводит к технологическим осадкам.

Наиболее перспективными являются способы, позволяющие увеличить площадь опирания свай под их нижними концами и на участках вдоль их боковой поверхности с соответствующей минимизацией осадок. К ним относятся следующие методы:

• использование электроразрядных технологий (разрядно-импульсной, электроразрядной, электроразрядной строительной и др.);
• изготовление набивных буровых свай;
• устройство свай с многоместными уширениями.

Буровые сваи с многоместными уширениями применяются давно. Опыт их использования есть у строителей Индии, ФРГ, Великобритании, Японии, России и др. Наличие, количество и объем уширений зависят от типа инженерно-геологических условий и требуемой несущей способности сваи. Но существуют разные методы их создания. Какой же лучше?

Например, использование механических уширителей неэффективно с точки зрения технологичности. Применение оборудования для изготовления таких свай за один проход бурового става невозможно вследствие ограниченных энергетических характеристик буровых станков. Создание свай в несколько этапов (бурение скважины, устройство уширений) экономически невыгодно из-за многооперационности и большой длительности технологического процесса (особенно в условиях работы в подвалах) [7].

Кроме того, использование механических уширителей является очень сложным в неустойчивых грунтах. В этом случае невозможно выполнить качественную очистку зон уширений от шлама, что приводит к разуплотнению и ослаблению несущих свойств грунтов под каждым уширением и значительным технологическим осадкам [12]. При этом очень большую проблему представляет неопределенность выбора мест устройства уширений в условиях перемежающихся слоев слабых и более прочных грунтов, поскольку такие разрезы очень изменчивы по площади, а шаг инженерно-геологических скважин при изысканиях не может быть беспредельно малым и не позволяет точно описать разрез в каждой точке.

Наиболее эффективным, как показала практика, является комбинированный способ устройства буровых свай, сочетающих в себе достоинства свай с многоместными уширениями и свай, выполненных с использованием электроразрядных технологий (ЭРТ) [4, 6–10]. Этот способ имеет следующие преимущества [3]:

• простота реализации;
• возможность устройства свай с применением доступных буровых станков, в том числе отечественных;
• обеспечение такого уплотнения грунта, при котором свая с многоместными уширениями работает как забивная;
• возможность точного определения мест создания уширений и их диаметров (по расходу бетонной смеси) для каждой сваи;
• возможность устройства необходимого количества уширений;
• минимизация технологических осадок;
• наибольшая несущая способность полученных свай по сравнению с буровыми сваями, созданными по любым другим технологиям.

Электроразрядные технологии уплотнения бетона буроинъекционных свай основаны на передаче кратковременных импульсов большой мощности через излучатель, опущенный на коаксиальном кабеле в тело скважины со свежеуложенной подвижной мелкозернистой бетонной смесью. Излучатель состоит из двух электродов с определенным расстоянием между ними. Для создания импульсов используются специальные установки, обеспечивающие повышение напряжения с 220–380 В до 4–10 кВ. При подаче на излучатель такого высокого напряжения образуется разряд, который сопровождается увеличением температуры и гидродинамического давления (до 10–100 млн МПа за 0,0001–0,00001 с). В результате такого гидравлического удара образуются сферические волны сжатия, которые проходят через жидкую бетонную смесь и распространяются в окружающем грунте, уплотняя его и расширяя стенки скважины. Таким образом, за счет кратковременного воздействия динамической нагрузки и повышения плотности грунта достигается уширение участка скважины (рис. 1). При этом динамическое воздействие за пределами зоны обработки скважины и окружающих ее грунтов незначительно и не оказывает вредного воздействия на усиливаемые конструкции фундамента и соседние со стройплощадкой здания и сооружения [1–3].

Преимущества электроразрядных технологий изготовления буроинъекционных свай рассмотрены, например, в статье В.М. Улицкого «Геотехническое сопровождение реконструкции городов» [14]. Эти технологии сами по себе экологически безопасны и позволяют [1]:

• формировать сваи разной конфигурации, создавая уширения на необходимых уровнях
• минимизировать земляные работы и операции по водопонижению при строительстве фундаментов;
• применять легкие малогабаритные станки и, соответственно, производить работы в стесненных условиях, в том числе из подвалов, цокольных или первых этажей, не создавая неудобств жителям находящихся выше этажей и соседних зданий;
• выполнять проходку в неустойчивых грунтах без обсадных труб;
• получать максимально возможную несущую способность свай при минимальном количестве выбуренного грунта и наименьшей длине свай.

Технологическая последовательность операций при изготовлении буроинъекционных свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядных технологий такова [1] (рис. 2):

• установка необходимого оборудования;
• бурение скважины;
• подача в скважину подвижной мелкозернистой бетонной смеси под давлением;
• установка электродной системы в забой скважины и обработка пяты сваи с использованием одной из электроразрядных технологий;
• электроразрядная обработка ствола сваи по расчетной схеме с дополнением бетонной смеси;
• погружение арматурного каркаса в еще не застывшую бетонную смесь;
• формирование оголовка сваи.

Уширения, создаваемые на пяте и выше вдоль ствола сваи, увеличивают сопротивление грунта под ее нижним концом и по боковой поверхности, одновременно уплотняя примыкающий к свае грунт, причем это вполне контролируемые процессы. Правильно рассчитав количество, места расположения и объемы уширений (в зависимости от типа грунтовых условий), несущую способность сваи можно увеличить многократно.

В отношении эффективности работы свай с уширениями, изготовленных с применением электроразрядных технологий, проводилось много исследований. Например, полевые испытания статическими нагрузками, выполненные в лаборатории оснований и фундаментов Уральского института «Промстройинвестрпроект» [12], показали, что несущая способность сваи с одним и с двумя уширениями была больше в 1,5–2,5 и 3–4 раза соответственно по сравнению с такой же сваей без уширений.

Аналогичные испытания, выполненные авторами настоящей статьи, работающими в ООО НПФ «ФОРСТ», также показали, что сваи ЭРТ с многоместными уширениями обладают повышенной несущей способностью по сравнению со сваями без уширений (в 1,8–2,0 раза) [8].

Несущая способность обычной висячей буровой сваи по грунту определяется как сумма ее несущих способностей по пяте и по боковой поверхности. При вертикальном нагружении сначала вступает в работу боковая поверхность. При срыве сваи по боковой поверхности нагрузку на себя принимает пята [4, 6] (хотя в СП 24.13330.2011 [10] при определении несущей способности висячих свай почему-то принимается, что включение в работу грунта под нижним концом и по боковой поверхности происходит одновременно).

Сваи же с многоместными уширениями работают иначе. При вертикальном нагружении сначала в работу вступает верхнее уширение, а потом – нижележащие (последовательно сверху вниз). И каждое из них выполняет функцию дополнительной опоры, поскольку несущая способность грунтов при опирании на них значительно выше этого показателя для тех же грунтов при трении о них вертикальной боковой поверхности сваи.

Несущая способность таких свай по грунту представляет собой сумму несущих способностей оснований под каждым из уширений. Из таблиц 1 и 2 видно, что расчетное сопротивление грунта под каждым уширением в десятки раз выше сопротивления того же грунта по боковой поверхности сваи без уширений.

Таблица 1

Сравнение расчетных значений сопротивления грунта по боковой поверхности сваи без уширения и сопротивления того же грунта под уширением при показателе текучести IL=0,2 (по [8])

* По таблице 7.2 СП 50-102-2003 [11].

** По таблице 7.7 СП 50-102-2003 [11].

Таблица 2

Сравнение расчетных значений сопротивления грунта по боковой поверхности сваи без уширения и сопротивления того же грунта под уширением при показателе текучести IL=0,6 (по [8])

* По таблице 7.2 СП 50-102-2003 [11].

** По таблице 7.7 СП 50-102-2003 [11].

В своей работе [8] авторы предложили формулу для расчета несущей способности рассматриваемых свай на основе преобразования формул из свода правил [10] и рекомендаций [13]. Их несущая способность тем выше, чем больше они имеют уширений и чем выше площадь опирания каждого уширения и сопротивление грунта под ним.

Если изготавливать сваю так, чтобы уширения работали как дополнительные опоры при обеспечении коэффициентов уширений в соответствии с таблицей 2.3 технических рекомендаций [13], то при расчете несущей способности этой сваи по боковой поверхности расчетное сопротивление грунта под уширением следует принимать по таблице 7.3 свода правил [10]. 

В условиях перемежающихся слоев слабых и более прочных грунтов устройство каждого уширения осуществляется в слабом грунте над кровлей прочного.

В статье [8] авторы путем сравнительных расчетов показали, что при диаметре ствола 0,35 м и грунтовом разрезе, состоящем (сверху вниз) из суглинков с показателем текучести 0,6, суглинков с показателем текучести 0,3 и мелких песков средней плотности, несущая способность буроинъекционной сваи ЭРТ с уширенной пятой и двумя уширениями вдоль ствола больше в 1,79 раза по сравнению со сваей без уширений.

На одной из опытных площадок г. Санкт-Петербурга авторы принимали участие в изготовлении свай с применением одной из электроразрядных технологий [7]. Площадка была сложена пылеватыми суглинками с естественной влажностью 0,25%, удельным весом 19,4 кН/куб. м, углом внутреннего трения 23 град. и модулем деформации 6 МПа. Устраивались сваи диаметром 151 мм и длиной 3 м. При статическом нагружении буроинъекционной сваи с опрессовкой ствола максимальная нагрузка составила 75 кН (при общей осадке 5 см), а для сваи ЭРТ с двумя уширениями диаметром до 450 мм она была 150 кН (при осадке 2,45 см).

Таким образом, в отношении значительного (в зависимости от типа грунтовых условий) повышения несущей способности и минимизации технологических осадок свай при строительстве, реконструкции или усилении фундаментов на слабых основаниях или на переслаивающихся слабых и прочных грунтах наиболее перспективным является такой комбинированный способ, как создание свай с многоместными уширениями с использованием электроразрядных технологий. Такие сваи имеют большие преимущества по сравнению с буронабивными и буроинъекционными сваями без уширений и могут быть созданы с использованием существующих маломощных буровых станков, предназначенных для работы в стесненных городских условиях.

Важно также то, что рассмотренный способ позволяет существенно снизить стоимость обеспечения необходимой несущей способности свай.