Новая технология устройства фундаментов малоэтажных зданий на основе вибрационного метода способом «Стена в грунте»

При строительстве зданий, в том числе и малоэтажных, очень важным является решение задач по устройству фундаментов, по своим технико-экономическим показателям отвечающим воспринимаемым нагрузкам и принятым конструктивным решениям.

Ленточные фундаменты на естественном основании, широко применяемые в практике строительства малоэтажных зданий с подвальным помещением, требуют значительных трудозатрат. Этот традиционный метод включает следующие основные операции:

• отрывка котлована экскаватором;

• водопонижение или водоотлив в обводненных грунтах;

• подготовка грунтового основания под фундамент;

• устройство фундамента из сборных блоков (плит) или из монолитного железобетона;

• возведение стен подвала;

• обратная засыпка грунта и его уплотнение.

В СПбГАСУ разработана технология возведения в грунте заглубленной части малоэтажных зданий с использованием вибрационного метода. Новая технология представляет собой комбинационное решение, в котором использованы технологические преимущества устройства вибронабивных свай с теряемым башмаком, а также щелевых и траншейных фундаментов, изготавливаемых без выемки грунта. Принципиально новая технология основана на применении рациональных технологических приемов, свойственных устройству конструкций типа «стена в грунте» методом секущихся свай.

Возведенные в грунте несуще-ограждающие конструкции служат в качестве стен подвалов зданий и одновременно выполняют роль ленточных траншейных фундаментов неглубокого заложения (рис. 1). Несущая способность такого ленточного траншейного фундамента в сравнении с фундаментами, изготавливаемыми в котловане, существенно повышается как за счет включения в работу боковой поверхности стены, так и за счет уплотнения грунта под подошвой фундамента.

Рис. 1 Конструктивная схема элементов малоэтажного здания на ленточном траншейном фундаменте, изготовленного по новой технологии:

а — фрагмент разреза несуще-ограждающей конструкции с ростверком и полом подвала; б — план ленточного траншейного фундамента и заглубленного помещения здания (масштабы рис. а и рис. б различны); 1 — стена здания; 2 — плита перекрытия над подвалом; 3 — ростверк; 4 — стена подвала, возведенная способом «стена в грунте»; 5 — пол подвала с гидроизоляцией; 6 — заделка стены в грунте; 8 — слой внутренней гидроизоляции; 9 — слой наружной гидроизоляции.

Для выполнения работ по устройству заглубленной части малоэтажных зданий требуется автокран грузоподъемностью 16—25 т, вибропогружатель типа В-402, специально изготовленные профилировочные инвентарные блоки и грунтозаборник.

Профилировочный инвентарный блок, входящий в состав технологической оснастки, состоит из двух элементов, соединяемых между собой металлическими замками шпунтового типа. Первый — основной профилировочный инвентарный элемент для создания бетонной стены — размером 700x300 мм, второй — дополнительный профилировочный инвентарный элемент — размером 50x300 мм. Дополнительный элемент для создания гидроизоляции дает возможность заливки в его полость глинистого раствора или другого гидроизоляционного состава без дополнительного нагнетания, что позволяет исключить использование для этой цели специализированного оборудования. Минимальное количество таких блоков три. Профилировочные блоки могут соединяться между собой как в продольной, так и в поперечной плоскостях (рис. 2).

Рис. 2 Стыковка двух профилировочных инвентарных блоков по длине

Сущность новой технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий способом «стена в грунте» состоит в следующем (рис. 3).

На крюк автокрана подвешивается вибропогружатель, жёстко соединённый с первым профилировочным блоком с помощью гидравлического захвата. Под действием вибрации первый профилировочный блок погружают вертикально в грунт до проектной отметки. После этого пазы (выступы) второго профилировочного блока заводят в выступы (пазы) уже погруженного блока и осуществляют цикл погружения, а затем погружают и третий профилировочный блок. В основной элемент первого профилировочного блока сверху загружают бетонную смесь и с вибрацией начинают извлекать из грунта. При этом под действием сил тяжести бетонной смеси и инерции открывается башмак и образуются щели, через которые бетонная смесь вытекает из элемента и заполняет образовавшуюся при его погружении полость в грунте. После полного извлечения его стыкуют с дополнительным инвентарным элементом, образуя блок, и погружают в следующую позицию с одновременной стыковкой с находящимся в грунте профилировочным блоком. Дополнительный элемент первого блока размером оставляют в погруженном состоянии. Затем аналогично производят операцию извлечения основных элементов второго и третьего блоков, а также армирование свежеуложенной бетонной смеси путём вибропогружения арматурных каркасов. Таким образом, в грунте образуют непрерывную бетонную стену путем последовательного вибропогружения, заполнения бетонной смесью и виброизвлечения основных профилировочных элементов, которые соединяются между собой с помощью направляющих выступов и пазов. Устройство наружной гидроизоляции стены в грунте осуществляют путем заливки глинистого раствора или других гидроизоляционных составов в дополнительный элемент профилировочного блока с его одновременным извлечением при вибрировании, что обеспечивает образование по периметру заглубленной части сооружения гидроизоляционного экрана с достаточно высокими показателями плотности и фильтрационной устойчивости.

Рис. 3 Технологическая схема производства работ при устройстве несуще-ограждающих конструкций способом «стена в грунте» с одновременным устройством наружной гидроизоляции:

1 — автокран; 2 — вибропогружатель; 3 — профилировочный блок; 4 — кондуктор; 5 — пригрузочная плита; 6 — вибратор; 7 — армокаркас; 8 — основной инвентарный профилировочный элемент; 9 — дополнительный инвентарный профилировочный элемент

Разработку грунта следует вести виброгрейфером (рис. 4), работа которого обеспечивается автокраном. Он используется на первом этапе для сооружения стены в грунте. Виброгрейфер состоит из вибропогружателя, к которому жестко крепится грунтозаборник. Грунт извлекают грунтозаборником виброгрейфера в один или два яруса в зависимости от заглубления пола подвала здания. Для ускорения работ используют направляющий кондуктор, обеспечивающий вертикальность погружения виброгрейфера.

В основе технологии разработки грунта виброгрейфером лежат три операции:

• вибрационное погружение грунтозаборника в грунт;

• извлечение грунтозаборника с грунтом на поверхность;

• разгрузка грунта в транспорт.

Рис. 4 Технологическая схема производства работ виброгрейфером

Проведены теоретические и экспериментальные исследования, которые были направлены на обоснование рациональности новой технологии и определение оптимальных вибрационных и других параметров технологических процессов, позволяющих эффективно решать следующие основные задачи:

• преодоление при погружении профилировочного элемента в грунт лобового и бокового сопротивлений, а также трения в замках;

• содействие интенсивному истечению бетонной смеси из профилировочного элемента (при его вибрационном извлечении из грунта) при одновременном качественном уплотнении смеси в грунтовой полости;

• обеспечение сплошности и непрерывности возводимой бетонной стены в грунте;

• снижение сил бокового трения при погружении в грунт и извлечении грунтозаборника в процессе разработки грунта во внутреннем контуре с обеспечением заполнения грунтозаборника грунтом и высокой скорости последующего извлечения и разгрузки грунта;

• уменьшение до допустимых норм динамического воздействия на окружающий грунт основания при погружении и извлечении профилировочного элемента и грунтозаборника, а также в процессе формования бетонной стены в грунте и ее армирования.

Важным этапом в вибрационной технологии возведения «стены в грунте» является управление структурно-реологическими свойствами бетонной смеси в процессе ее перемещения в профилировочном элементе и уплотнения в грунтовой полости.

Установлено, что применение вибрации при извлечении элемента с заданной рассчитанной скоростью исключает зависание бетонной смеси внутри элемента и образование шеек, расслоение бетонной смеси, образование сводов. Кроме того, вибрация является надежным средством по пластификации и удобоукладываемости бетонной смеси. Уровень бетонной смеси под влиянием вибрации при образовании тела фундамента по мере извлечения элемента понижается. Это обусловлено уплотнением смеси под влиянием вибрации, заполнением бетонной смесью пространства, освобожденного объемом стенок элемента, и уплотнением окружающего грунта под действием динамического давления бетонной смеси.

Несущая способность возводимой «стены в грунте», как по материалу, так и по грунту, существенно зависит от качества ее изготовления.

Анализ многочисленных результатов изготовления и статического испытания вибронабивных свай и траншейных фундаментов, изготовленных без выемки грунта, позволил сделать вывод о том, что несущая способность по грунту «стены в грунте», устроенной по новой технологии, близка несущей способности по грунту забивным призматическим сваям.

С учетом обеспечения необходимой несущей способности «стены в грунте» профилировочный блок должен обладать достаточно развитой лобовой поверхностью, которая, однако, может приводить к снижению скорости погружения элемента в грунт и вызывать повышенный уровень колебаний грунтового массива и, как следствие, опасность возникновения неравномерных осадок существующих сооружений. На этом основании следует принимать минимальную из возможных ширину основного профилировочного элемента, а высокой несущей способности формуемого траншейного фундамента достигать как за счет уплотнения грунта в процессе погружения, так и втрамбовывания бетонной смеси в уплотненные стенки и основание грунтовой полости при виброизвлечении элемента в процессе бетонирования.

Результаты исследований процесса бетонирования полости в грунте показали, что на производительность и качество работ при бетонировании полости существенно влияет площадь выходного сечения для бетонной смеси в профилировочном элементе.

На время истечения бетонной смеси из профилировочного элемента влияет подвижность бетонной смеси, вибрационный режим извлечения профилировочного элемента (амплитуда и частота колебаний), количество и наибольшая крупность используемого заполнителя. Время вытекания бетонной смеси уменьшается с увеличением подвижности бетонной смеси, увеличением амплитуды и частоты колебаний и уменьшением количества крупного заполнителя в бетонной смеси.

При изготовлении моделей отдельных траншейных фундаментов и протяженной «стены в грунте» было установлено, что средние поперечные размеры тела фундамента на 4—25% больше поперечных размеров профилировочного элемента (рис. 5). Это обстоятельство позволило заключить, что в процессе виброуплотнения бетонной смеси возникает динамическое давление, которое создает дополнительное уплотнение грунта, окружающего фундамент, что повышает несущую способность возводимого фундамента. Дополнительное периодическое осаживание профилировочного элемента в процессе извлечения позволяет втрамбовывать бетонную смесь в стенки грунтовой полости, это увеличивает несущую способность возводимого фундамента и повышает прочность бетона на 10—28%.

Прочность формуемого фундамента зависит от состава и подвижности применяемой бетонной смеси, скорости извлечения профилировочного элемента, вибрационного режима его извлечения.

Результаты выполненных экспериментальных исследований легли в основу определения фактических технологических параметров возведения несуще-ограждающих конструкций в грунте. Разработан «Руководящий технический материал (РТМ) по вибрационной технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий», который утвержден и принят к внедрению ЗАО «Строительный трест № 28». РТМ может быть рекомендован для применения производственным организациям в различных районах РФ, заинтересованным в устройстве заглубленной части малоэтажных зданий по представленной в статье технологии.

Разработанная вибрационная технология устройства заглубленной части малоэтажных зданий, по сравнению с традиционной технологией (устройство котлована с применением землеройной техники, выполнение комплекса работ по возведению фундамента и стен подвала, обратная засыпка и уплотнение грунта), имеет важные технико-экономические преимущества: ограниченный состав работ и малочисленный комплект требуемого оборудования (автокран, вибропогружатель с рабочими органами в виде профилировочного блока или грунтозаборника, направляющие кондукторы). Расчеты в виде локальных смет показали, что новая технология позволяет уменьшить стоимость работ нулевого цикла на 28% и снизить трудоемкость работ на 48%.

По всем интересующим вопросам можно обратиться по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Тел.: (812) 316-1609.