Забивные сваи в вечномерзлых грунтах

В России территория вечномерзлых грунтов занимает до 40% площади. Это указывает на важность поисков путей возведения надежных и экономичных фундаментов на мерзлых грунтах. Многочисленные исследования и опыт эксплуатации гражданских и промышленных зданий показали, что свайные фундаменты на вечномерзлых грунтах являются наиболее совершенными, конструктивными, надежными и экономичными в строительстве.
На практике технология производства работ зачастую выбирается по нескольким частным критериям. В качестве частных критериев при оптимизации проектных решений свайных фундаментов обычно принимаются такие показатели: продолжительность работ; трудоемкость процесса и удельные энергозатраты.
Все перечисленные показатели в той или иной степени зависят от продолжительности бурения скважин и погружения свай. Последние зависят от вида и температуры грунта, от глубины и способа погружения свай.
Особенности производства свайных работ на вечномерзлых грунтах обусловлены физико-механическими характеристиками этих грунтов. В ненарушенном состоянии они обладают высокой несущей способностью. Поэтому при производстве свайных работ мерзлые грунты необходимо максимально сохранять в их естественном состоянии. «Вмерзание» свай, то есть смерзание их поверхности с грунтом, обеспечивает высокую несущую способность свай при относительно малых глубинах их погружения.
Способ погружения свай в вечномерзлые грунты выбирают с учетом физико-механических свойств грунтов, их среднегодовой температуры, района строительства, времени года, требований к точности погружения свай и т.п.
По условиям применимости и способам погружения в многолетнемерзлый грунт сваи подразделяются на:

а) бурозабивные (забивные);

Погружение свай осуществляется в два этапа (рисунок 1):

• • На первом этапе пробуривают лидирующую скважину, диаметр которой принимается на 1-2 см меньше стороны сваи.
  • На втором этапе погружают сваю при помощи вибромолота или дизель молота. При этом грунт отжимается от углов сваи к середине стенок. Грунт оттаивает за счет тепловой энергии, развиваемой молотом, и частичным выжиманием грунта из скважины. Достаточно оттаивать лишь тонкий слой грунта, а температура в зоне, прилегающей к свае, повышается на весьма незначительную величину. Процесс вмерзания сваи в грунт происходит за короткое время.

Для забивки свай ОАО «Буровая компания «Дельта» применяет специальные установки компании Bauer оборудованные дизельными или гидравлическими молотами, а также вращателями со шнеками. Данные машины работают в паре (комплексе) (фото 1): одна осуществляет лидерное бурение и погружение готовой металлической сваи, другая следом производит забивку сваи до проектной отметки. Буровые машины Bauer также имеют возможность задавливать сваю без забивки до определенного усилия.

Комплекс оборудования из 2-х буровых установок Bauer, оборудованных дизельмолотом и вращателем с непрерывным шнеком, во время устройства свай на объекте: «Дожимная компрессорная станция на УКПГ-3С Заполярного НГКМ (1 очередь)»

В связи с глобальным потеплением климата наблюдается тенденция к оттаиванию мерзлых грунтов, которое, соответственно, ведет и к увеличению проектной глубины погружения (забивки) свай. Буровые установки Bauer могут осуществлять лидерное бурение и погружение свай на глубину до 25 метров, что имеет серьезное преимущество по сравнению буровой техникой  отечественного производства (использующейся сейчас), которая имеет ограничение по забивке свай до глубины 12 метров.

Производительность одного комплекса составляет до 100 свай в сутки.

Применение бурозабивных свай позволяет уменьшить объем буровых работ, исключает мокрые процессы, обеспечивает точное погружение сваи в плане.

б) Буроопускные. Основаны на погружении свай в предварительно пробуренные скважины, заполненные раствором. Диаметр скважины превышает (не менее чем на 5 см) наибольший размер сечения сваи (рисунок 2).

Буроопускной метод нашел широкое применение на Крайнем Севере. Он применим как в песчаных, так и в глинистых грунтах с любым содержанием крупнообломочных включений.

Грунты могут быть твер­домерзлые и пластично-мерзлые с температурой от -0,5°С и ниже. Этот способ также применим и при температуре мерзлого фунта выше -0,5°С, но в этом случае для ускорения вмерзания свай необходимо искусственное охлаждение грунтов
Метод погружения свай в пробуренную скважину предусматривает такую последовательность процессов и операций:

• бурение скважины с помощью установки, размещенной на песчано-гравийной или шлаковой подсыпке, обеспечивающей возможность перемещения оборудования при слабых местных грунтах с обсадкой трубой в деятельном слое во избежание оползания грунта в скважину;
• заполнение скважины песчано-глинистым раствором до отметки, при которой объем раствора с некоторым избытком достаточен для заполнения зазоров между стенками скважины и сваи после ее погружения;
• погружение сваи, сопровождающееся выжиманием раствора;
• извлечение обсадной трубы.

Устройство буроопускных свай на объекте «Якутская ГРЭС-2»

Бурение скважин для буроопускных свай может осуществляться станками ударно-канатного, вращательного и ударно-вращательного бурения, машинами термомеханического бурения, установками лидерного и паровибролидерного бурения. Сваю в скважину опускают с помощью крана или бурового станка, если последний оборудован тросом.

в) опускные. При погружении свай с применением опускного метода грунт вначале оттаивают и затем погружают сваи в образовавшуюся в мерзлом грунте полость разжиженного грунта. Погружение свай осуществляется с помощью вибропогружателя. Опускной метод применяется в твердомерзлых глинистых грунтах, мелких и пылеватых песках, содержащих крупнообломочные включения в количестве не более 15%, при средней температуре грунтов по длине сваи -1,5°С и ниже.
Оттаивание грунта производят с помощью паровой иглы, перфо­рированной в нижнем конце. Под действием пара (давлением 0,4—0,8 МПа), выходящего у острия иглы, грунт интенсивно оттаивает, разжижается до текучего состояния.Иглу погружают до проектной глубины.
Скорости погружения иглы назначают с таким расчетом, чтобы диаметр протаянной полости в 2—3 раза превышал наибольший размер сваи в поперечном сечении. Через некоторое время после погружения происходит вмерзание, и свая, будучи как бы заделанной в толщу вечномерзлого грунта, приобретает необходимую несущую способность.
Данный метод не приобрел большую популярность ввиду применения большого количества дополнительного оборудования связанного с применением паровой иглы, а также в связи с увеличением затрат времени на устройство сваи.

г) бурообсадные – полые сваи и сваи-оболочки, погружаемые в грунт путем его разбуривания в забое через полость сваи с периодическим обсаживанием погружаемой сваи; применяются при устройстве свайных фундаментов в сложных инженерно-геокриологических условиях и при наличии межмерзлотных подземных вод.

Принцип данного метода получил широкое применение при устройстве буронабивных свай с обсадной трубой и Kelly-штангой.
Допускается применять другие способы погружения свай в многолетнемерзлые грунты, если это не приводит к недопустимому повышению температуры грунтов основания, что должно быть подтверждено экспериментальными данными и теплотехническим расчетом.

Все работы по устройству свай в вечномерзлых грунтах регламентируются СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. 

Выбор того или иного способа погружения свай в вечномерзлые грунты диктуется технико-экономическими обоснованиями с учетом технологических достоинств и недостатков выполнения работ.