Об устройстве грунтополимерного уширения пяты буровой сваи

Полный текст

Введение

На текущий момент развития направления свайного фундаментостроения предложено большое количество технических решений и технологий по увеличению несущей способности буровых свай. Как известно, основным недостатком буровых свай, влияющим на снижение их несущей способности, является скапливание бурового шлама на забое скважины [1, 2]. Таким образом, большинство известных технических решений направлено на устранение этого фактора [3‒5]. В данной статье рассматривается авторская технология по повышению несущей способности буровых свай за счёт инъецирования под их нижний конец расширяющихся полимерных смол.

Постановка задачи

Применение расширяющихся или вспенивающихся полимерных смол при закреплении грунтов основания в последние годы приобретает широкое распространение на территории нашей страны [6, 7]. Как правило, данный материал применяется при работах, реализующих технологию гидроразрыва [8 – 10]. Особенностью этой технологии является инъецирование в грунт раствора смолы под высоким давлением (от 5 до 30 атм), за счёт чего происходит разрыв сплошности грунтового массива. При этом двухкомпонентная смола, имеющая высокую скорость реакции (её вспенивание происходит в течение 10 с), заполняет образовавшиеся при гидроразрыве полости и благодаря увеличению в объёме обжимает грунт.

Авторы в своей экспериментальной работе исследовали на физических моделях особенности рассматриваемых материалов и дали оценку возможности применения расширяющихся смол при закреплении грунта под нижним концом буровой сваи.

Методика лабораторного эксперимента на физических моделях и его результаты

Характерной особенностью расширяющихся смол является их способность увеличиваться в объёме вследствие взаимодействия химических реагентов полиола и изоционата. При смешивании этих компонентов происходит бурная экзотермическая реакция с выделением диоксида углерода (СО₂ – углекислый газ), что вызывает объемное расширение смеси и образование пористой структуры, в которой задерживаются пузырьки газа. В течение короткого промежутка времени, в зависимости от количественного соотношения реагентов, смесь полимеризуется и затвердевает. Время отвердевания зависит от свойств конкретной смолы, используемых катализаторов, температуры компонентов, но, как правило, составляет не более 15 мин (реакция составов, применяемых при технологии гидроразрыва, длится примерно 5‒10 с). Плотность жидкой фазы смеси до реакции 1,10 г/см³. После вспенивания и полимеризации в свободных условиях плотность достигает 0,3‒0,4 г/см³, коэффициент объемного расширения смолы в свободных условиях может доходить 40 единиц.

Для исследования возможности упрочнения грунтового основания под нижним концом буровой сваи с применением расширяющейся смолы был выполнен физический эксперимент в лабораторных условиях. С этой целью в грунтовом лотке, заполненном мелким песком, была выполнена модель буровой сваи из гипса диаметром 100 мм и длиной 400 мм (рис. 1). Перед устройством ствола сваи в пробуреную скважину был помещен инъектор из полипропиленовой трубы с перфорированной боковой поверхностью и с закрытым нижним концом, который в свою очередь заглублялся в рыхлый грунт забоя скважины. Верхняя часть инъектора была оборудована перекрывным краном для предотвращения выхода вспенивающейся смолы наружу. После набора прочности материала ствола сваи через инъектор под нижний конец сваи закачивались растворы реагентов при помощи двухкомпонентного насоса. По окончании инъецирования кран инъектора перекрывался.

 

Рис. 1. Схема лотка и оборудования для лабораторных испытаний

Fig. 1. Diagram of the tray and equipment for laboratory testing

 

Вследствие высокой фильтрационной способности песка подача смолы осуществлялась в режиме пропитки в диапазоне давлений, не превышающих 1 атм. Количество закаченного материала смолы в ходе проведённых экспериментов составило от 300 до 600 г. Как показали проведенные эксперименты, период набора первичной прочности грунтополимера составляет 1 час, по истечении данного времени свая извлекалась из лотка для исследования (рис. 2).

 

Рис. 2. Модель сваи с грунтополимерным уширением под нижним концом

Fig. 2. Model of a pile with a soil-polymer broadening under the lower end

 

Опытным путем установлено, что смешивание компонентов смолы происходит во время прокачки через инъектор. При попадании получившегося состава в грунт начинается описанная выше реакция образования пенополиуритана. При этом распространение смолы происходит за счёт движения газа, который в свою очередь стремится подняться наверх, используя для этого поры грунта, а также контактную зону боковой поверхности сваи и грунта. Вследствие расширения полипропилен пропитывает грунт вокруг области инъецирования. Из-за характерных особенностей происходящей реакции под пятой сваи образуется закрепленная зона грунта, имеющая шарообразную форму (рис. 3). В зависимости от количества закаченной смолы зона закрепления способна распространиться вдоль ствола сваи снизу-вверх, образуя так называемую «рубашку» (рис. 4). Данный эффект можно объяснить траекторией движения газа, являющегося проводником для смолы и стремящегося подняться на поверхность. Таким образом, в результате применения расширяющейся смолы получается комбинированная буровая свая с грунтополимерным уширением. Образованная зона закрепления увеличивает площадь контакта сваи с грунтом в его естественном состоянии как по лобовой, так и по боковой поверхности, повышая тем самым несущую способность сваи. Как выявлено в ходе эксперимента, первичный набор прочности образованного грунтополимера достигается в течение первого часа. Этот факт показывает значительное преимущество расширяющихся смол в сравнении с классическими технологиями закрепления грунтов, применяющими составы на основе портландцемента.

 

Рис. 3. Модель сваи с грунтополимерным уширением, при устройстве которого использовано 350 г смолы

Fig. 3. Model of a pile with a soil-polymer broadening, in the construction of which 350 g of resin was used

 

Рис. 4. Модель сваи с грунтополимерным уширением, при устройстве которого использовано 550 г смолы

Fig. 4. Model of a pile with a soil-polymer broadening, in the construction of which 550 g of resin was used

 

Проведённые дальнейшие исследования показали, что вспенивающаяся смола только пропитывает окружающий её грунт, без изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового пространства вокруг сваи. Для подтверждения этого факта модель сваи с грунтополимерным уширением устраивалась в грунтовом лотке с прослоями из подкрашенного песка толщиной 5 мм, которые были отсыпаны через 50 мм и служили индикаторами изменения НДС. После выполнения всех этапов устройства сваи передняя стенка лотка разбиралась и модель откапывалась. По результатам опыта изменения положения индикаторных прослоев выявлено не было (рис. 5).

 

Рис. 5. Модель сваи с грунтополимерным уширением, выполненная с индикаторными прослойками

Fig. 5. Model of a pile with soil-polymer widening, made with indicator layers

 

Методика полевого (натурного) эксперимента и его результаты

Для оценки возможности повышения несущей способности буровой сваи за счет образования грунтополимерного уширения были выполнены натурные полевые испытания статической вдавливающей нагрузкой двух бетонных буровых свай, одна из которых имела грунтополимерное уширение под нижним концом, другая являлась контрольной (без уширения).

Чтобы решить поставленную задачу на опытной площадке, расположенной в черте Самары, были выполнены две опытные буровые бетонные сваи:

• буровая свая БС30-25 с диаметром ствола 250 мм и длиной 3,0 м;
• буровая свая БСГПУ30-25 с диаметром ствола 250 мм, длиной 3,0 м и имеющая грунтополимерное уширение.

Геологический разрез опытной площадки, сложенной песчаными грунтами, представлен на рис. 6.

 

Рис. 6. Инженерно-геологический разрез опытной площадки

Fig. 6. Engineering-geological section of the experimental site

 

Устройство скважин выполнялось малогабаритной буровой установкой СБГ-ПМ-03. Скважины заполнялись мелкозернистой бетонной смесью с классом бетона по прочности на сжатие В 20. Заполнение скважин производилось при помощи бетонолитной трубы. В скважину для изготовления сваи БСГПУ 30-25 предварительно был установлен инъектор из полипропиленовой трубы с радиальными центраторами. У инъектора имелся запорный шарнирный кран, установленный на верхнем конце. Общий вид и конструкция инъектора показаны на рис. 7 и 8.

 

Рис. 7. Конструкция инъектора

Fig. 7. Design of the injector

 

Рис. 8. Общий вид инъектора

Fig. 8. General view of the injector

 

После набора прочности бетона свай в течение трех суток, через инъектор под пяту сваи БСГПУ 30-35 была произведена закачка полимерного состава «полиол+изоционат» в объеме 6 кг. Инъецирование проводилось при помощи двухкомпонентного поршневого насоса IP-600/2К.

Испытание буровых свай статической вдавливающей нагрузкой проводилось через три недели после укладки бетонной смеси в скважины и выполнялось в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5686-2020 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями» (приложение Б). Схема испытаний представлена на рис. 9.

 

Рис. 9. Схема испытания сваи вертикальной статической вдавливающей нагрузкой

Fig. 9. Scheme of pile testing with vertical static pressing load

 

Загружение свай осуществлялось равномерно, ступенчато-возрастающей нагрузкой с помощью гидродомкрата ДГ50П100 и насосной ручной масляной станции НРГ 7030. Упором для гидродомкрата служила конструкция, состоящая из силовой металлической балки, закрепленная металлическими тяжами к анкерным сваям (рис. 10). Величина ступеней нагрузки составляла не более 1/10 от ожидаемого значения предельной несущей способности сваи.

 

Рис. 10. Испытание вертикальной статической вдавливающей нагрузкой сваи СБГПУ30-25

Fig. 10. Testing of vertical static pressing load of pile SBGPU30-25

 

Осадка свай фиксировалась двумя индикаторами часового типа с точностью деления 0,01 мм (модификация ИЧ 50). После достижения сваями вертикального перемещения 40 мм проводилась разгрузка опытных свай ступенями, равными удвоенным значениям ступеней нагружения.

В качестве предельного сопротивления сваи вдавливающей силе принята нагрузка на одну ступень меньше того значения, при котором достигнуто вертикальное перемещение в 40 мм.

По результатам исследования установлено следующее:

1) Осадка 40 мм достигнута сваей БС30-25 при нагрузке 198,5 кН.

2) Осадка 40 мм достигнута сваей БСГПУ 30-25 при нагрузке 308,7 кН.

3) Предельная несущая способность сваи БС30-25 составила 191,1 кН.

4) Предельная несущая способность сваи БСГПУ30-25 составила 294,0 кН.

Графики зависимостей «осадка-нагрузка», построенные по данным испытаний свай, представлены на рис. 11.

 

Рис. 11. Графики зависимости «осадка-нагрузка», построенные по результатам статических испытаний опытных свай

Fig. 11. Graphs of the “settlement-load” dependence, constructed based on the results of static tests of experimental piles

 

Фактическое увеличение несущей способности буровой сваи по грунту за счет устройства грунтополимерного уширения под ее нижним концом достигает 53 %. Таким образом, прирост несущей способности сваи вследствие закачки под нижний конец расширяющейся смолы в количестве 6 кг можно сопоставить с увеличением общей её длины минимум на 1,0 м.

Выводы

Исходя из полученных в ходе лабораторных и полевых экспериментов опытных данных, можно сделать следующие выводы относительно возможности применения расширяющейся полимерной смолы для увеличения несущей способности буровой сваи:

1. При использовании полимерной смолы в качестве инъекционного раствора происходит образование области закрепленного грунта в околосвайном пространстве нижней части ствола сваи и непосредственно под её нижним концом, что главным образом решает проблему с наличием рыхлого грунта в виде бурового шлама под пятой буровой сваи.
2. За счет равномерного расширения полимера появляется возможность создания контролируемого грунтополимерного уширения. Регулирование параметров уширения осуществимо путем изменения количества закачиваемой смеси.
3. Образуемое под нижним концом сваи грунтополимерное уширение обладает достаточными прочностными свойствами, для того чтобы включиться в общую работу с телом сваи и обеспечить прирост ее несущей способности по грунту.
4. Способность формировать грунтополимерное уширение предоставляет геотехникам инструмент дополнительного варьирования параметрами свай в такой важной сфере строительного производства, как усиление фундаментов. Общеизвестно, что работы, связанные с усилением фундаментов, сопряжены с многодельностью и стесненными условиями труда. Поэтому уменьшение трудоемкости и материалоемкости работ при устройстве буровых свай за счет уменьшения их длины, но при этом без потери их несущей способности, является задачей актуальной, целесообразной и эффективной.

Об авторах

Андрей Валентинович Мальцев

Самарский государственный технический университет

Email: geologof@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительной механики, инженерной геологии, оснований и фундаментов

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Андрей Анатольевич Карпов

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrkarpow@yandex.ru

заведующий лабораторией НПЦ «ГЕОТЕХНИКА»

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы