Федеральным законом Российской Федерации № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» установлено обязательное требование по обеспечению безопасности зданий и сооружений на стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации. В этой связи особое внимание следует уделять вопросам обеспечения безопасности конструкций фундаментов, среди которых решения на сваях являются универсальными для применения в различных грунтовых условиях при строительстве многоэтажных зданий. При этом одним из основных факторов, влияющих на надежность и безопасность таких конструкций, является обеспечение проектной несущей способности фундаментов по грунту для передачи нагрузок от возводимого здания на плотные породы основания, залегающие в пределах инженерно-геологического разреза. Несущая способность по грунту Fd определяется расчетными методами на основании известных зависимостей с учетом результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных на участке планируемого строительства [8, 9]. Кроме того, в процессе работ по устройству свайных фундаментов всегда важно знать фактические значения несущей способности, которые могут отличаться от заложенных проектных величин. Эта информация позволяет оперативно корректировать конструктивные параметры фундаментов для обеспечения максимальной надежности возводимых конструкций. Традиционно в отечественной практике строительства для этих целей применяют статические испытания грунтов сваями на вдавливающие (выдергивающие) нагрузки. Методика этих испытаний изложена в соответствующих нормативных документах: после «отдыха» погруженной сваи в грунте проводят испытания, прикладывая к ее торцу вдавливающую статическую нагрузку, создаваемую гидравлическим домкратом [5, 6]. Испытания производят по достижении максимальной нагрузки P, обычно определяемой отношением P=1,5Fd, или до осадки сваи s более 40 мм. По результатам испытаний строят график зависимости осадки сваи от приложенной нагрузки, на основании которого с учетом критерия предельной осадки для данного типа здания определяют несущую способность грунтов. Однако указанные испытания являются дорогостоящими и с учетом необходимого срока отдыха (до 20–28 сут) увеличивают продолжительность строительства, что в некоторых случаях реализации инвестиционных проектов недопустимо. В этой связи вопросы оперативного контроля несущей способности грунтов становятся особенно актуальными и требующими дополнительного изучения. При этом несущую способность определяют по технологическим параметрам, получаемым в процессе устройства свай, которые отражают в исполнительной документации. С учетом анализа современного опыта работ и изучения литературных и нормативных источников установлено, что такие методики позволяют с достаточной для практики точностью определять несущую способность грунтов. Они разработаны для технологий погружения свай заводского изготовления. Традиционно сваи погружают тремя способами – забивным, вдавливающим и вибрационным (виброударным). Последний способ в настоящее время на практике не применяют. Для забивных технологий применяют способ испытаний грунтов динамическими нагрузками, заключающийся в добивке свай, измерении остаточного отказа и расчете по известным зависимостям несущей способности грунтов. Однако точность получаемой таким образом оценки несущей способности недостаточна, особенно когда сваи погружаются в толщу слабых водонасыщенных грунтов. По мнению авторов, такие испытания следует применять для оценки положения острия сваи относительно несущего слоя плотных пород для выявления процессов «засасывания», разуплотнения межсвайного грунта и т.п. Более достоверными являются способы контроля несущей способности грунтов по значениям технологических параметров статического вдавливания. Именно рассмотрению таких методик и посвящена настоящая статья. Следует отметить, что применение технологии вдавливания свай заводского изготовления имеет следующие преимущества:

·         по сравнению с забивными технологиями при вдавливании не создается шум, в грунте не распространяются ударные воздействия, препятствующие производству работ в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений;

·         в отличие от буронабивных технологий, качество материала ствола (проектная марка бетона) сваи обеспечивается и гарантируется заводом-изготовителем;

·         регистрация усилия вдавливания по манометру гидравлической системы позволяет оперативно определять несущую способность сваи по процессу вдавливания на конечной стадии, что в некоторых случаях позволяет отказаться от дорогостоящих статических испытаний; ·         исключается необходимость прогрева бетона в зимних условиях;

·         при вдавливании свай в грунт, предварительно разрыхленный шнеком без его выемки, более чем в два раза уменьшается диаметр зоны переуплотненного грунта, что позволяет производить работы практически вплотную к существующим конструкциям зданий и сооружений без нарушения их целостности;

·        при определенных режимах работ сваи погружают в слои плотных грунтов без их дополнительного шнекового рыхления (патенты Верстова В.В., Гайдо А.Н. № 2500857 от 11.07.2012; Верстова В.В., Гайдо А.Н., Иванова Я.В. № 2498017 от 20.04.2012). 

Выбор типа установки для вдавливания свай на практике производят на основании расчетов показателей технологичности и анализа инженерно-геологический условий строительной площадки с учетом требуемых параметров фундамента. В результате определяют максимальное (конечное) усилие вдавливания, которое необходимо развивать при достижении острием сваи уровня несущего слоя грунта. Согласно СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» значения усилия вдавливания FВД(кН) для указанных условий необходимо принимать на основании следующего выражения:  

         FВД ≥ (kg/m) Fd,                                                         (1) где kg – коэффициент надежности, kg=1,2; m – коэффициент условий работы, принимаемый при отсутствии опытных данных равным 0,9; Fd – несущая способность грунтов, полученная на основании расчетов или по результатам статического зондирования грунтов.   Однако, как показал практический опыт работ с учетом анализа результатов статических испытаний грунтов, определение конечного усилия вдавливания по формуле (1) приводит к его завышению, неоправданному увеличению массы машины и использованию дополнительных балластных пригрузов, что значительно снижает производительность работ и в некоторых случаях заставляет менять технологию на применение буронабивных свай. Более приближенный к практике подход к назначению конечного усилия вдавливания предложен в работе [10], выполненной в ЗАО «Строительный трест № 28», в которой конечное усилие вдавливания рекомендуется определять на основании следующей формулы:

    FВД = ψ Fd,                                         (2) где ψ – эмпирический коэффициент надежности, определяемый на основании анализа экспериментальной зависимости фактической несущей способности грунта по данным статических испытаний от конечного усилия вдавливания сваи, фиксируемого по манометру гидравлической системы машин.   Значения коэффициента надежности, представленные в таблице 3, определены в различных грунтовых условиях с использованием вдавливания свай: (1) в грунт ненарушенной структуры; (2) в предварительно пробуренную скважину или разрыхленный грунт).    

Таблица 3 Значения коэффициента зависимости конечного усилия вдавливания от несущей способности сваи (коэффициента надежности) 

Федеральным законом Российской Федерации № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» установлено обязательное требование по обеспечению безопасности зданий и сооружений на стадиях изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации. В этой связи особое внимание следует уделять вопросам обеспечения безопасности конструкций фундаментов, среди которых решения на сваях являются универсальными для применения в различных грунтовых условиях при строительстве многоэтажных зданий. При этом одним из основных факторов, влияющих на надежность и безопасность таких конструкций, является обеспечение проектной несущей способности фундаментов по грунту для передачи нагрузок от возводимого здания на плотные породы основания, залегающие в пределах инженерно-геологического разреза. Несущая способность по грунту Fd определяется расчетными методами на основании известных зависимостей с учетом результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных на участке планируемого строительства [8, 9]. Кроме того, в процессе работ по устройству свайных фундаментов всегда важно знать фактические значения несущей способности, которые могут отличаться от заложенных проектных величин. Эта информация позволяет оперативно корректировать конструктивные параметры фундаментов для обеспечения максимальной надежности возводимых конструкций. Традиционно в отечественной практике строительства для этих целей применяют статические испытания грунтов сваями на вдавливающие (выдергивающие) нагрузки. Методика этих испытаний изложена в соответствующих нормативных документах: после «отдыха» погруженной сваи в грунте проводят испытания, прикладывая к ее торцу вдавливающую статическую нагрузку, создаваемую гидравлическим домкратом [5, 6]. Испытания производят по достижении максимальной нагрузки P, обычно определяемой отношением P=1,5Fd, или до осадки сваи s более 40 мм. По результатам испытаний строят график зависимости осадки сваи от приложенной нагрузки, на основании которого с учетом критерия предельной осадки для данного типа здания определяют несущую способность грунтов. Однако указанные испытания являются дорогостоящими и с учетом необходимого срока отдыха (до 20–28 сут) увеличивают продолжительность строительства, что в некоторых случаях реализации инвестиционных проектов недопустимо. В этой связи вопросы оперативного контроля несущей способности грунтов становятся особенно актуальными и требующими дополнительного изучения. При этом несущую способность определяют по технологическим параметрам, получаемым в процессе устройства свай, которые отражают в исполнительной документации. С учетом анализа современного опыта работ и изучения литературных и нормативных источников установлено, что такие методики позволяют с достаточной для практики точностью определять несущую способность грунтов. Они разработаны для технологий погружения свай заводского изготовления. Традиционно сваи погружают тремя способами – забивным, вдавливающим и вибрационным (виброударным). Последний способ в настоящее время на практике не применяют. Для забивных технологий применяют способ испытаний грунтов динамическими нагрузками, заключающийся в добивке свай, измерении остаточного отказа и расчете по известным зависимостям несущей способности грунтов. Однако точность получаемой таким образом оценки несущей способности недостаточна, особенно когда сваи погружаются в толщу слабых водонасыщенных грунтов. По мнению авторов, такие испытания следует применять для оценки положения острия сваи относительно несущего слоя плотных пород для выявления процессов «засасывания», разуплотнения межсвайного грунта и т.п. Более достоверными являются способы контроля несущей способности грунтов по значениям технологических параметров статического вдавливания. Именно рассмотрению таких методик и посвящена настоящая статья. Следует отметить, что применение технологии вдавливания свай заводского изготовления имеет следующие преимущества:

·         по сравнению с забивными технологиями при вдавливании не создается шум, в грунте не распространяются ударные воздействия, препятствующие производству работ в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений;

·         в отличие от буронабивных технологий, качество материала ствола (проектная марка бетона) сваи обеспечивается и гарантируется заводом-изготовителем;

·         регистрация усилия вдавливания по манометру гидравлической системы позволяет оперативно определять несущую способность сваи по процессу вдавливания на конечной стадии, что в некоторых случаях позволяет отказаться от дорогостоящих статических испытаний; ·         исключается необходимость прогрева бетона в зимних условиях;

·         при вдавливании свай в грунт, предварительно разрыхленный шнеком без его выемки, более чем в два раза уменьшается диаметр зоны переуплотненного грунта, что позволяет производить работы практически вплотную к существующим конструкциям зданий и сооружений без нарушения их целостности;

·        при определенных режимах работ сваи погружают в слои плотных грунтов без их дополнительного шнекового рыхления (патенты Верстова В.В., Гайдо А.Н. № 2500857 от 11.07.2012; Верстова В.В., Гайдо А.Н., Иванова Я.В. № 2498017 от 20.04.2012). 

Выбор типа установки для вдавливания свай на практике производят на основании расчетов показателей технологичности и анализа инженерно-геологический условий строительной площадки с учетом требуемых параметров фундамента. В результате определяют максимальное (конечное) усилие вдавливания, которое необходимо развивать при достижении острием сваи уровня несущего слоя грунта. Согласно СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» значения усилия вдавливания FВД(кН) для указанных условий необходимо принимать на основании следующего выражения:  

         FВД ≥ (kg/m) Fd,                                                         (1) где kg – коэффициент надежности, kg=1,2; m – коэффициент условий работы, принимаемый при отсутствии опытных данных равным 0,9; Fd – несущая способность грунтов, полученная на основании расчетов или по результатам статического зондирования грунтов.   Однако, как показал практический опыт работ с учетом анализа результатов статических испытаний грунтов, определение конечного усилия вдавливания по формуле (1) приводит к его завышению, неоправданному увеличению массы машины и использованию дополнительных балластных пригрузов, что значительно снижает производительность работ и в некоторых случаях заставляет менять технологию на применение буронабивных свай. Более приближенный к практике подход к назначению конечного усилия вдавливания предложен в работе [10], выполненной в ЗАО «Строительный трест № 28», в которой конечное усилие вдавливания рекомендуется определять на основании следующей формулы:

    FВД = ψ Fd,                                         (2) где ψ – эмпирический коэффициент надежности, определяемый на основании анализа экспериментальной зависимости фактической несущей способности грунта по данным статических испытаний от конечного усилия вдавливания сваи, фиксируемого по манометру гидравлической системы машин.   Значения коэффициента надежности, представленные в таблице 3, определены в различных грунтовых условиях с использованием вдавливания свай: (1) в грунт ненарушенной структуры; (2) в предварительно пробуренную скважину или разрыхленный грунт).    

Таблица 3 Значения коэффициента зависимости конечного усилия вдавливания от несущей способности сваи (коэффициента надежности) 

В развитие методики определения конечного усилия вдавливания и оценки несущей способности грунтов авторами статьи проведен анализ результатов статических испытаний грунтов вдавливанием 470 свай после выдерживания сроков отдыха, выполненных по известной методике [6] в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга и Ленинградской области. В результате получены следующие результаты: среднее арифметическое значение коэффициента надежности ψсред.=(FВД/Fd)сред.=0,92; среднее квадратичное отклонение σ=0,26; коэффициент вариации V=28,7%. Значения ψсред в зависимости от длины погружаемых свай l:  

l, м                         ψсред.

<10                        1,08

10–15                    0,91

15–20                    0,92

20–25                    0,87

>25                        0,89  

На основании этих данных и таблицы 3 можно заключить, что конечное усилие вдавливания при достижении острием сваи несущего слоя грунта достаточно назначить в пределах 0,6–1,08 от несущей способности грунта Fd. При этом с увеличением длины сваи значения коэффициента надежности ψ снижаются, что свидетельствует об эффекте «засасывания» сваи, проявляющемся в глинистых грунтах и характеризующемся в стабилизации структуры и росте бокового сопротивления грунта с увеличением срока отдыха. Кроме того, на основании методики, изложенной в РТМ 36.44.12.2-90 «Проектирование и устройство фундаментов из свай, погружаемых способом вдавливания», разработанной во ВНИИГС Минмонтажспецстроя, можно с достаточной точностью прогнозировать несущую способность Fd по технологическим параметрам вдавливания свай по следующей формуле [1, 7]:   ,       Fd= FВДk_Tk_V                    (3) где kV – коэффициент, учитывающий влияние скорости погружения на усилие вдавливания сваи, который при скорости до 3 м/мин. принимают согласно таблице 4; kT  – коэффициент «засасывания», учитывающий влияние процессов стабилизации сопротивления сваи в конце периода интенсивного упрочнения.     Таблица 4 Значения коэффициента влияния скорости вдавливания сваи kV для различных грунтовых условий 

    Коэффициент засасывания kT определяется следующими зависимостями:   для пылевато-глинистых грунтов:

kT = 1 + 16,5 Ip IL,                              (4) где Ip, IL – средневзвешенные значения по длине сваи числа пластичности и показателя текучести грунта cответственно, д.ед.;   для мелкозернистых и пылеватых песчаных грунтов:

kT  = 1 – 0,02 / Kф,                             (5) где Kф – коэффициент фильтрации, м/сут. 

 Для установления сходимости значений несущей способности грунта, рассчитанных по формуле (3), авторами был выполнен анализ результатов работ по семи  строительный площадкам, расположенным в инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга, на которых производились вдавливание свай заводского изготовления и испытания грунтов статическими нагрузками.

В результате анализа экспериментальных данных по 100 погруженным и испытанным после выдерживания срока отдыха сваям изучалась следующая информация: характеристики грунтов, в которые производилось погружение элемента; технологические параметры работ (глубина погружения, конечное усилие вдавливания); несущая способность грунтов, полученная на основании графика зависимости осадки сваи S от вдавливающей нагрузки P, построенного в ходе статических испытаний грунтов. На всех объектах сваи преимущественно погружались в толщи твердых глин и суглинков. 

На основании полученных данных авторами выполнялись расчеты несущей способности грунтов Fdрасч по формуле (3), средние арифметические значения которых представлены в таблице 5. Результаты соответствующей статистической обработки последних представлены в таблице 6.

Таблица 5 Результаты расчетов несущей способности грунтов на основании значений конечного усилия вдавливания  

    Таблица 6 Результаты статистической обработки значений технологических показателей вдавливания свай и несущей способности грунтов*  

* Fdрасч , Fdисп , Fdпроект – значения несущей способности грунтов, полученные на основании расчетов по конечному усилию вдавливания, при статических испытаниях и заложенные в проекте соответственно.     Следует отметить, что в результате статических испытаний грунтов ни одна из свай не была испытана до «провала», возникающего, когда максимальная нагрузка, предусмотренная программой испытаний, еще не достигнута, но уже получена осадка сваи, превышающая допустимый критерий для данного типа зданий (38–40 мм). Средние значения осадок при испытаниях составили 15 мм, а фактическая несущая способность свай по грунту Fdисп принималась по максимальным значениям вдавливающих нагрузок, устанавливаемых согласно техническому заданию. Это подтверждает вывод о том, что фактическая несущая способность свай вдавливания превышает расчетные значения, полученные по известным методикам. На основании значений коэффициента K3=Fdрасч/Fdпроект, находящегося в интервале 1,06–2,56, можно заключить, что во всех случаях расчетные значения несущей способности грунтов подтвердили решения, заложенные в проектах. Полученные коэффициенты вариации значений коэффициента K2=Fdрасч/Fdисп находились в пределах 5,30–19,97%, что позволяет сделать вывод о небольшом разбросе значений вокруг среднего и об однородности совокупности грунтов по своему составу. С учетом данных, представленных в таблицах 5, 6, и опытных графиков, показанных на рисунке 3, следует, что с увеличением глубины погружения сваи в толщу пластичных грунтов наблюдается следующее:

1)      увеличивается коэффициент корреляции между показателями Fdрасч и Fdисп, что свидетельствует о тесной зависимости фактической и расчетной несущей способности;

2)      увеличиваются значения коэффициента K2=Fdрасч/Fdисп, характеризующие рост резерва несущей способности грунтов с глубиной погружения сваи  (так, при вдавливании свай на глубину более 20–25 м в пределах глинистых отложений с показателями текучести IL>0,5 значения расчетной несущей способности грунтов превышают предел прочности материала железобетонных свай на вдавливающую нагрузку – в таком случае авторы рекомендуют полученные расчетные значения Fdрасч умножать на коэффициент условий работы для свай, равный 0,8). 

В заключение следует отметить актуальность и перспективность применения технологии вдавливания свай заводского изготовления в условиях плотной городской застройки при необходимости ограничения уровня шума и динамического воздействия, распространяющегося в грунте. При определенных конструктивных параметрах свайного фундамента эта технология может успешно конкурировать с изготовлением буронабивных свай по показателям качества работ, производительности и стоимости [3, 4]. В статье рассмотрены методики, подтвержденные экспериментальными данными, позволяющие оперативно и с достаточной для применения на практике точностью определять несущую способность грунтов по значениям усилий вдавливания, развиваемым при достижении острием сваи несущего слоя грунта и фиксируемым по манометру гидравлической системы машины. В некоторых случаях такие расчеты позволяет отказаться от дорогостоящих предпроектных статических испытаний грунтов и сократить сроки производства работ на 2–3 месяца.

Основываясь на полученном в рассматриваемой области опыте, авторы рекомендуют следующий порядок работ:

1)      изучение проекта свайного фундамента с учетом результатов инженерно-геологических испытаний;

2)      вдавливание 5–10 опытных свай в проектное положение с регистрацией глубины погружения и усилий вдавливания через каждый 1 м погружения элементов, а при достижении несущего слоя грунта – через каждые 10 см;

3)      расчет несущей способности грунтов по приведенным в статье формулам с использованием полученных данных;

4)      корректировка (при необходимости) длины свай при получении несущей способности грунтов Fdрасч≥Fdпроект и погружение всех свай;

5)      контрольные статические испытания грунтов вдавливающими нагрузками по нормативным методикам [6, 8, 9] в процессе работ без технологических перерывов (при этом в качестве гравитационного пригруза, необходимого для испытаний, можно отказаться от применения анкерной системы свай, а использовать массу установки для вдавливания [2]). 

Ударный метод

Погружение свай методом вдавливания (вдавливание свай)

Буронабивные сваи

Испытания