Агрегат для глубокого трамбования грунта

Как строят современные многоэтажки? Традиционно уже на протяжении многих десятилетий при строительстве фундаментов зданий повышенной этажности на слабых грунтах забиваются железобетонные сваи. С помощью ударов так называемой «бабы» они заглубляются в грунт на 7–16 м и, достигая более плотных его слоев, обеспечивают необходимую несущую способность.

Свайные фундаменты были и остаются одним из наиболее надежных видов фундаментов для многоэтажных зданий. Их использование позволяет значительно расширить площади земель, пригодных для возведения капитальных сооружений. Но при всех своих положительных качествах они имеют ряд недостатков. И один из основных – высокая стоимость сооружения фундамента. Так, стоимость одной 12 метровой сваи с учетом доставки и забивки составляет 7650 рублей.

Для постройки типового шестиподъездного девятиэтажного дома их требуется до тысячи штук, а на некоторых грунтах и больше. Соответственно, примерная стоимость свайного основания фундамента составляет около 8 млн рублей. Очень велик и расход металла – 80 кг на 1 м2 площади застройки. В случае применения свай на площадях с большой мощностью насыпных грунтов возникают свои проблемы. В пониженной части оврагов под слоем насыпных грунтов естественные грунты обычно насыщены водой, и их несущая способность в качестве основания очень низка. В таких условиях приходится применять очень длинные сваи, что, естественно, приводит к усложнению производства работ и к значительному удорожанию строительства.

С каждым годом в городах России становится все меньше участков земли, пригодных для строительства зданий и сооружений. Все наиболее удачные участки уже давным-давно застроены, и новое строительство приходится вести в неблагоприятных инженерно-геологических условиях – преимущественно на низкокачественных просадочных грунтах, отличающихся повышенной водонасыщенностью и наличием карстовых образований. Поверхностный слой такого грунта толщиной до 10 м не пригоден для использования в качестве грунтового основания.

Просадочные грунты встречаются на всех континентах, но наиболее широко они распространены в Европе, Азии и Америке. На территории стран СНГ ими сложено 34% континентальной части. Довольно часто они встречаются в Белоруссии, Поволжье, Якутии, занимают большие площади в Средней Азии, Казахстане, Восточной, Южной и Западной Сибири. Наиболее неблагополучны в смысле просадочности обширные районы Северного Кавказа и Украины (до 80% всей территории). В Новосибирске, например, практически все Левобережье стоит на просадочном грунте.

Улучшить качество грунтового основания под фундамент можно путем глубокого ударного трамбования, которое приводит к коренному изменению микроструктуры грунта. В результате устраняются его просадочные свойства и склонность к водонасыщению и уплотненный грунт приобретает прочность, достаточную для восприятия весовых нагрузок тяжелых зданий. Все это позволяет рассматривать устройство фундаментов зданий и сооружений на уплотненном грунте как вариант замены свайных фундаментов.

Технология строительства на предварительно утрамбованном грунте разработана в России около 30 лет назад. За прошедший период с ее использованием построены десятки многоэтажных зданий, подтверждена ее надежность, разработана необходимая нормативно-техническая документация.

Но несмотря на очевидные преимущества, степень распространения упомянутой технологии в строительстве до настоящего времени остается совершенно недостаточной. Объясняется это тем, что до сих пор трамбование грунта выполняется копрами с падающими трамбовками. Для получения требуемых технических показателей массу трамбовок доводят до 7–10 т при высоте бросания от 10 до 15 метров. Копры таких размеров громоздки, маломобильны, отличаются крайне низкой рабочей частотой и, следовательно, малой производительностью, и поэтому не могут конкурировать с традиционными сваебойными копрами.

При этом, взаимодействие падающей трамбовки с грунтом имеет прерывистый характер. Грунт максимально нагружается в момент падения трамбовки на поверхность и полностью разгружается в момент отрыва и последующего подъема трамбовки. При разгрузке предварительно сжатый грунт упруго восстанавливается, вследствие чего значительно снижается степень его уплотнения за один рабочий цикл. Кроме того, усилие отрыва трамбовки от грунта значительно превосходит ее вес, что сопровождается дополнительными затратами энергии.

Сделать технологию строительства на предварительно утрамбованном грунте более востребованной призван агрегат, разработанный учеными Института гидродинамики СО РАН и его конструкторско-технологического филиала.

В предлагаемом агрегате взамен падающей трамбовки применена погружаемая в грунт тонкостенная оболочка с встроенным в нее гидропневматическим молотом с энергией удара до 100 кДж и рабочей частотой до 20 уд./мин. Тонкостенная оболочка имеет форму усеченного конуса высотой 3 м с диаметром нижнего основания 0,5 м, верхнего – 0,9 м. Во внутренней полости гидропневматического молота с возможностью продольного возвратно-поступательного движения расположен ударник, который под действием сжатого газа совершает рабочий ход со скоростью до 10 м/с.

В конце рабочего хода ударник наносит удар по нижнему основанию оболочки через специальный буфер, который, с одной стороны, ограничивает величину ударного импульса, предохраняя оболочку от разрушения, с другой стороны – в десятки раз по сравнению с жестким ударом увеличивает время ударного воздействия на грунт. Посредством указанного буфера длительность ударных импульсов может регулироваться в широком диапазоне. Благодаря этому можно подобрать оптимальные режимы трамбования грунтов с различными свойствами, что благоприятно сказывается на эффективности технологического процесса.

В момент удара на оболочку действует продольное усилие величиной около 500 тонн. Под действием этого усилия оболочка перемещается относительно корпуса, внедряясь в грунт. После удара гидромолот под действием собственного веса следует за оболочкой, опираясь на предусмотренный в ней опорный бурт. Полное погружение оболочки в грунт достигается после 80–150 ударов.

Гидромолот приводится в действие от гидросистемы экскаватора. Давление жидкости во время взвода ударника около 15 МПа (150 кг/см2). Средняя величина погружения оболочки в грунт за 1 удар на строительных площадках города Новосибирска составляла около 30 мм. При этом погружение оболочки на полную глубину продолжается около 5 минут. В результате в грунте образуется котлован соответствующей формы и глубины. После извлечения оболочки из указанного котлована она стрелой экскаватора переводится в следующую позицию.

В отличие от падающей трамбовки оболочка агрегата во время трамбования постоянно удерживает грунт в напряженном состоянии, что обеспечивает высокую эффективность процесса трамбования при снижении затрат энергии. Процесс подготовки грунтового основания с его использованием выглядит следующим образом. На предварительно спланированной поверхности строительной площадки в узлах принятой координатной сетки с шагом 1,7–2,0 м вытрамбовываются котлованы заданной формы и глубины. Образованные котлованы заполняются гравием, бетоном или тем же грунтом с трамбуемой строительной площадки и дополнительно подтрамбовываются за 2–3 перехода. В результате на 20–30% увеличивается плотность, изменяется структура и в 2–2,5 раза возрастает несущая способность грунта.

Расстояние между соседними узлами координатной сетки выбирается таким образом для того, чтобы в результате трамбования на глубине 4–5 м образовывалась сплошная подушка уплотненного грунта с улучшенными свойствами.

За рабочую смену (8 часов) данным агрегатом вытрамбовывается до 30 котлованов. Для фундамента типового 6-подъездного 9-этажного жилого дома вытрамбовывается около 500 котлованов, на что затрачивается до 15–20 рабочих смен.

Агрегат в виде единственного опытного образца в течение 6 лет эксплуатируется на строительных площадках г. Новосибирска. На дешевых ленточных фундаментах мелкого заложения, возведенных на предварительно улучшенном с применением агрегата грунте, уже построено свыше десяти многоэтажных (до 17 этажей) жилых домов. Все указанные дома располагаются в плотно застроенных жилых массивах в центре города на участках, ранее считавшихся непригодными для строительства. Например, 17-этажный жилой дом возведен в пойме реки Каменки на площадке, сложенной насыпными грунтами мощностью 11–12 м, образовавшимися от засыпки оврага, кроме того, под слоем грунтов залегала супесь, насыщенная водой, пластичной и текучей консистенции.

Проведенный на всех домах мониторинг показал хорошие результаты — осадки равномерные и не превышают предельно допустимых по СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений». Все построенные здания не имеют дефектов и эксплуатируются нормально.

Высота агрегата трамбования в 3 раза меньше высоты существующих копров, поэтому к месту работы такая машина транспортируется в собранном виде. По сравнению с копровыми установками за одно и то же время он совершает в 10 раз больше ударных импульсов и имеет, по существу, во столько же раз большую производительность. При таких технических показателях агрегат трамбования может успешно конкурировать с существующим сваебойным оборудованием, что, наконец, позволит вытеснить из строительства глубоко заложенные свайные фундаменты и заменить их на мелко заложенные ленточные или столбчато-ленточные.

При этом достигается весьма значительный экономический эффект. Суммарная стоимость нулевого цикла уменьшается в 2–3 раза, расход цемента сокращается вполовину, расход арматурной стали – в 3 раза, а энергозатраты – на 30%. Кроме того, в 2–3 раза уменьшается сейсмическое воздействие на окружающую среду, практически полностью устраняются вредные выбросы в атмосферу. Появляется возможность производства работ в непосредственной близости от жилых и промышленных зданий в условиях точечной застройки плотно заселенных городских районов.

До настоящего времени созданный в Институте гидродинамики агрегат трамбования остается пионерной разработкой и не имеет аналогов как в России, так и за рубежом. Основные конструктивные решения агрегата защищены четырьмя патентами России. Подана заявка на пятый патент, призванный защитить конструкцию усовершенствованного устройства.

Необходимо добавить, что область применения агрегата трамбования не ограничивается строительной площадкой, он может успешно использоваться для уплотнения насыпного грунта при строительстве дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, дамб и других сооружений.

Применение данного агрегата позволит со значительной экономией оборудовать опоры линий электропередач и контактной сети железных дорог. В настоящее время для замены одной опоры контактной сети на железной дороге требуется вначале пробурить скважину, затем установить в нее дорогостоящий бетонный стакан и только потом уже ставить саму опору.

Процесс отличается высокой трудоемкостью и требует длительных перерывов в движении поездов. С применением новой технологии в грунте с помощью агрегата вытрамбовываются котлованы, в которые непосредственно без стакана устанавливаются опоры. В этом случае стоимость и трудоемкость опоры, а также время, затрачиваемое на ее установку, уменьшаются в 2–3 раза. Агрегат базируется на железнодорожной платформе, и для его доставки к месту производства работ не требуется дополнительной дороги.