Технические рекомендации по проектированию и устройству свайных фундаментов, выполняемых с использованием разрядно-импульсной технологии для зданий повышенной этажности(сваи-рит)

Промывка забоя скважины - нагнетание бетонной смеси в забой скважины до прекращения выноса бурового шлама и фрагментов грунта, разрыхленного буровым инструментом.

Пята сваи - нижний конец сваи.

РИО (разрядно-импульсная обработка) - обработка ствола сваи серией электрических разрядов (электровзрывов).

РИТ (разрядно-импульсные технологии) - технологии, использующие эффекты, возникающие при разряде импульсов тока высокого напряжения в жидкости.

Свая-РИТ - свая из монолитного бетона, изготовленная в грунте с использованием РИТ.

Сухая бетонная смесь для свай-РИТ - бетонная смесь, приготовленная по специальному рецепту из цемента, порошкообразных добавок и высушенных минеральных заполнителей, затворяемая водой на строительной площадке перед ее использованием. Жидкие добавки вводятся с водой затворения. Сухая бетонная смесь поставляется в мешках, мягких контейнерах и россыпью цементовозами.

Техногенные грунты - естественные грунты, изменённые в результате деятельности человека. По группе буримости при любом способе бурения (колонковом, вращательном, шнековом) грунты следует относить к IV...XII группе по трудоёмкости бурения:

- при наличии погребённых бетонных элементов, кирпичной кладки прочностью до 10 МПа - V группа;

- при наличии погребённых железобетонных элементов и кирпичной кладки прочностью более 10 МПа - VI...VII группа;

- при наличии погребённых железобетонных

и металлических конструкций, металлолома, гранитных блоков - X...XII группа.

Электровзрыв - процесс преобразования высоковольтного импульса электрической энергии в другие ее виды в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Электровзрыв в жидкости порождает волны, способные совершать механическую работу.

Электрогидравлический эффект - воздействие на твердое тело (грунт) импульсных давлений, возникающих при электровзрыве в жидкости.

Приложение П.2

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СВАЙ-РИТ ОТ АГРЕССИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВ И ГРУНТОВЫХ ВОД

Высотные здания, как правило, строятся с развитой подземной частью. Заглубление фундаментной плиты достигает 10 м и более. На таких глубинах в Москве встречаются юрские глины и другие грунты, агрессивные к бетону марки по водонепроницаемости W6 и выше.

Бетон свай-РИТ имеет высокую водонепроницаемость, значительно выше W8, тем не менее, учитывая высокую ответственность свайного основания в долговечности высотного сооружения, следует тщательно проанализировать материалы отчета об инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях для определения методов защиты бетона свай-РИТ от коррозии.

1. Агрессивность грунтов и грунтовых вод к бетону определяется по результатам химического анализа проб грунтовых и поверхностных вод, а также водяных вытяжек из глинистых грунтов, отобранных на участке строительства в процессе инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, выполненных для рабочего проектирования в соответствии с СП 11-105-97 с установлением ореола и источников загрязнения.

2. В пределах одного здания с каждого водоносного горизонта должно быть отобрано не менее трех проб.

3. При оценке степени агрессивности среды для бетона следует учитывать скорость фильтрации и величину напора грунтовых вод у поверхности свай, степень уплотнения грунтов вокруг свай.

4. Нормирование степени агрессивности грунтовых вод и грунтов следует производить с учетом выбранного цемента, плотности и марки по водонепроницаемости бетона.

5. При анализе материалов отчета об инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях следует обратить внимание на время года, когда они выполнялись, т.к. в большинстве случаев подъем уровня грунтовых вод отмечается в начале зимы, а увеличение агрессивности грунтовых вод наблюдается летом.

6. Для оценки агрессивного воздействия грунта для всей строительной площадки строительства при минимальном количестве проб следует принимать наихудшие результаты.

7. Железобетонный ствол сваи, эксплуатирующейся в условиях воздействия агрессивных сред, должен изготавливаться из материалов, обеспечивающих коррозионную стойкость свай на весь заданный срок службы здания (сооружения).

8. Повышение стойкости железобетона свай-РИТ в агрессивных средах обеспечивается:

- использованием чистых заполнителей;

- увеличением плотности бетона;

- увеличением марки бетона по водонепроницаемости;

- использованием умеренно сульфатостойких цементов (портландцемент и шлакопортландцемент по ГОСТ 10178-85 с содержанием в клинкере C₃S - не более 65%, С₃А не более 7%, C₃A+C₄AF не более 22% );

- использованием цементов с умеренной экзотермией;

- использованием сульфатостойких цементов по ГОСТ 22266-94;

- введением добавок в бетонные смеси, повышающих реологические свойства;

- введением в бетоны водоредуцирующих добавок и добавок, увеличивающих их стойкость к агрессивному воздействию среды;

- введением в бетон добавок-ингибиторов коррозии стали;

- увеличением плотности и снижением фильтрационных характеристик грунта, окружающего сваю, путем более тщательной РИО в зоне уровня грунтовых вод и выше на 2-3 м.

9. Не допускается применение

- портландцемента с содержанием С₃А более 8%;

- глиноземистых цементов;

- цементов, заполнителей и добавок, если массовая доля щелочных оксидов (Na₂O + К₂О) в пересчете на Na₂O (Na₂O + 0,658K₂O) превышает 0,6%;

- хлористых солей в качестве добавок в бетон.

10. Состав бетонной смеси для получения бетонов, стойких к агрессивному воздействию грунта и грунтовых вод, подбирается строительной лабораторией.

Приложение П.3

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВАЙ-РИТ

Пример № 1

1. Исходные данные

Строится здание первого уровня ответственности.

- диаметр сваи = 32 см

- площадь поперечного сечения сваи в оголовке = 804,2 см²

- расчетная нагрузка на сваю = 1550 кН

- ширина плитного ростверка = 26 м

- срезка грунта = 8 м

- грунты

от низа плиты до 3 м - суглинки тугопластичные I_L = 0,43

от 3 до 5 м - пески средней крупности, рыхлые, влажные

от 5 до 6 м - суглинки мягкопластичные I_L = 0,5

от 6 до 12 м - супеси текучие I_L > 1

от 12 до 14 м - пески пылеватые средней плотности, водонасыщенные с прослоями текучепластичных суглинков

от 14 до 16 м - пески мелкие средней плотности, водонасыщенные с прослоями текучепластичных суглинков

от 16 до 24 м - пески средней крупности, плотные, водонасыщенные

от 24 до 35 м - пески пылеватые, плотные, водонасыщенные

Плотность песков определена по данным лабораторных исследований.

Грунты и грунтовые воды к бетону марки W4 по водонепроницаемости не агрессивны.

2. Материалы и условия работ:

Тяжелый бетон сваи В30: R_b = 17 МПа = 17000 кН/м² (СП 50-101-2003 табл. 5.2);

Е = 32500 МПа = 32,5·10⁶ кН/м² (СП 50-101-2003 табл. 5.4).

_b2 - 0,9 - коэффициент условий работ, учитывающий длительность действия нагрузки;

_b3 = 0,9 - коэффициент, учитывающий бетонирование сваи в вертикальном положении;

'_bc = 0,8 - коэффициент, учитывающий способ бурения полым шнеком и бетонирование по мере извлечения шнека с подачей бетонной смеси через шнек.

Бетон сваи обеспечивает восприятие нагрузки

170000,90,90,80,08042 = 885,9 кН.

Арматура рабочая А500С:

R_sc = 435 МПа = 435000 кН/м² (СП 52-101-2003 табл. 5.8);

E_s = 210⁵ МПа = 210⁸ кН/м² (СП 52-101-2003 п. 5.2.10).

Предварительно принимается длина сваи не менее

По данным инженерно-геологических изысканий до глубины 16 м залегают относительно слабые грунты, поэтому предварительная длина сваи-РИТ принимается 17 м, с учетом заглубления в ИГЭ - 7 на 1 м.

Предварительно принимаем продольную арматуру в верхней зоне сваи из расчета восприятия не менее 50% нагрузки, действующей на сваю 0,51550 = 775 кН (общая несущая способность ствола сваи 775+885,9 = 1660,9 > 1550 кН).

Принимаем 6 25 А500с на кольцах из трубы 159.

A_s = 64,91 = 29,46 см².

Глубина (длина) I₁ сваи-РИТ от подошвы плитного ростверка, в котором защемлена свая путем замоноличивания оголовка и выпусков арматурного каркаса, до сечения, в котором свая считается жестко защемленной в грунте

Находим коэффициент деформации грунта

Для определения коэффициента пропорциональности К находим глубину I _К

I _К = 3,5 d_c+ 1,5 = 3,50,32 + 1,5 = 2,62 м.

До этой глубины залегают суглинки тугопластичные мощностью 3 м с показателем текучести I_L= 0,5.

По табл. 1 находим К = 4000 кH/м⁴.

Условная ширина сваи b_p= l,5d_c + 0,5 = 0,98 м.

Момент инерции поперечного сечения сваи

Коэффициент деформации грунта

Длина сваи от подошвы плитного ростверка, в котором она защемлена путем замоноличивания оголовка и выпусков арматурного каркаса, до сечения, в котором свая считается жестко защемленной в грунте

Расчетная длина сваи, жестко защемленной в плите и грунте

I ₀ = 0,5·I₁ = 1,33 м.

Максимальные напряжения в свае возникают на длине I₁ = 2,66 м.

Проверим достаточность принятого армирования с учетом случайного эксцентриситета е_а = 10 мм и возможного отклонения сваи от вертикали, допускаемого СНиП 3.02.01-87 (п. 11.6, табл. 18, строка 10 г) и ГОСТ Р 12.3.048-2002 - 1 см на 1 м. На длине I₁ допустимое отключение составит 2,66 см.

Принимаем эксцентриситет 3,0 см.

е₀ = 3 см > е_а

В грунтах с К = 4000 кН/м⁴ под воздействием сжимающей нагрузки возможен прогиб сваи, который учитывается введением коэффициента 

Коэффициент, учитывающий влияние прогиба сваи

Рабочая арматура диаметром 25 мм, установленная по периметру колец 159 мм имеет радиус до центров

r_s = 0,5(159 + 25 + 2) = 93 мм = 0,093 м,

где 2 мм - величина выступов на арматуре со стороны колец, отодвигающих продольную арматуру от продольной оси сваи.

Моменты инерции арматуры I_s, размещенной по окружности с радиуса r_s до центра тяжести стержней

I_s = 998,15 см⁴ = 9,98·10⁶ м⁴.

Момент инерции поперечного сечения сваи I = 5·10^-4 м⁴.

Действующий момент

Ne_o = 1550·0,03·1,072 = 49,8 кНм.

Проверка условия

N0,77R_bA + 0,64R_sA_s,tot= 0,77·11020·0,08042 + 0,64·435000·0,002946 = 1502,6 < 1550 кН.

R_B = _b1_b2_bc = 0,9·0,9·0,8·17 = 11,02 МПа = 11020 кН/м².

Условие N0,77R_bA + 0,64R_sA_s,tot - не выполнено, в этом случае относительную площадь сжатой зоны бетона _cir определяем по формуле

_cir = 0,66.

При невыполнении условия N0,77R_bA + 0,64R_sA_s,tot,  = 0.

Момент внутренних сил

Принятое армирование свай-РИТ: 6 25 А500С обеспечивает восприятие момента внешних сил Ne_o = 49,8 кНм моментом внутренних сил М = 52,2 кНм.

Армирование принимается на длине I_аи = 2I₁ + I_ап, т.е. удвоенной длине до условного сечения, в котором свая считается жестко защемленной в грунте, с учетом длины анкеровки.

I_аи = 2I₁ + 0,72 = 5,32 + 0,72 = 6,04 м.

Для обеспечения защемления сваи в плите следует предусмотреть анкеровку рабочей арматуры на величину

R_bt - расчетное сопротивление растяжению бетона плиты для бетона В30,

R_bt = 1,15 МПа = 1150 кН/м² с учетом действия длительной нагрузки _b1 = 0,9

R_bt= 1150_b1 = 1035 кН/м²;

u_s - периметр арматурного стержня 25 мм, u_s = 7,85 см = 0,0785 м;

К_а - коэффициент переармирования узла стыка;

допускается , тогда

Длина стержней диаметром 25 мм в верхней секции каркаса с учетом анкеровки в плите должна быть не менее 6,76 м. Принимаем длину секции, равную длине прутков стандартной мерной арматуры = 11,7 м.

Армирование сваи-РИТ глубже 11,7 - 0,72  11 м может уменьшаться пропорционально усилиям, воспринимаемым грунтом на контакте с боковой поверхностью сваи-РИТ.

Бетон в сечении сваи на глубине 11 м воспринимает усилие

N_b = R_b·А = 11020·0,08042 = 886,2 кН

Сжимающая нагрузка, действующая в сечении на глубине I_z = 11м

Периметр сваи по диаметру скважин и = 1,00 м. По табл. 7.2 СП 50-102-2003 определяем f_i

для суглинков с I_L = 0,43

на глубине с I_z = 0 + 3 до I_z = 2 + 3 РИО не производится, принимается f_ср = 0 кПа

на глубине I_z = 3 + 3 f_ср = 28,5 кПа

На глубине от 3 до 5 м залегают пески средней крупности, рыхлые

на глубине I_z = 3 + 3 f_i = 42 кПа

I_z = 5 + 3 f_i = 44 кПа

f_ср = 43 кПа

На глубине от 5 до 6 м залегают суглинки мягкопластичные с I_L = 0,5

на глубине I_z = 5 + 3 f_i = 26 кПа

I_z = 6 + 3 f_i = 26,5 кПа

f_ср =26,25кПа

На глубине от 6 до 11 м залегают супеси текучие с li > 1

на глубине I_z = 6 + 3 f_i = 6 кПа

I_z = 8 + 3 f_i = 6 кПа

f_ср = 6 кПа

на глубине I_z = 8 + 3 f_i = 6 кПа

I_z =10 + 3 f_i = 6 кПа

f_ср = 6 кПа

на глубине I_z = 10 + 3 f_i = 6 кПа

I_z = 11 + 3 f_i = 6 кПа

f_ср = 6 кПа

N_z = 1550 - 0,7·1,0·(0·2 + 28,5·1 + 43,0·2 + 26,25·1 + 6·2 + 6·2 + 6·1)  1430,5 кН

Сжимающая нагрузка, которая должна восприниматься рабочей арматурой в сечении сваи с глубины, I_z = 11 м:

Принимаем в верхнем сечении до глубины 11 м 6 25 А500С, A_s = 29,46 см², ниже 11 м - 6 18 А500С с A_s = 15,24 см². С учетом принятой длины сваи 17 м и поставляемой арматурой длиной 11,7 м целесообразно для нижней секции арматурного каркаса принять длину, равную 11,7:2 = 5,85 м.

Стыковать арматуру внахлест но не менее 200 мм и не менее 15d_s, в нашем случае – 15·25 = 375 мм. Таким образом, 5,85 - 0,375 = 5, 475 м, с глубины 11 + 5,475 = 16,475 м до конца сваи она не армируется.

Расчёт несущей способности сваи-РИТ по грунту

В соответствии с п. 14.10.2 настоящих рекомендаций несущую способность висячих свай-РИТ по грунту F_d, кН (тс), работающих на вертикальную нагрузку, следует определять по формуле 14.25:

F_d = _кк_сrit (_сRR_ritА_rit + _cf u_iritf_ih_i),

где _кк - коэффициент надежности свайного основания для здания первой категории ответственности, _кк = 0,7;

_сrit - коэффициент условий работы сваи-РИТ, _сrit = 1,0;

_сR - коэффициент условий работы грунта под нижним концом сваи-РИТ, _сR = 1,3;

_cf - коэффициент условий работы грунта на боковой поверхности сваи-РИТ, _cf = 1,3.

Для упрощения расчётов, u_irit - принимаем равным периметру скважины u_irit = 1,00 м.

Для наглядности вычислений ниже выделены инженерно-геологические элементы.

ИГЭ - 1/1 от 0 + 3 м до 2 + 3 м РИО не производится, принимается в запас несущей способности f_icp = 0 кПа,

+ 3 м - учитывается срезка грунта, сваи изготавливаются со дна котлована глубиной больше 8 м (прим. к табл. 7.1 СП 50-102-2003 или к табл. 6.1 - 6.4 Приложения 6).

ИГЭ - 1/2 от 2 + 3 м до 3 + 3 м I_L= 0,43, f_icp = 28,5 кПа

N_ige-l/2= 1·1·28,5·1,0 = 28,5 кН.

ИГЭ - 2 от 3 + 3 м до 5 + 3 м пески средней крупности, рыхлые (табл. 6.3 Приложения 6)

f_icp = 43 кПа; h_i = 2 м

N_ige-2= 1·43·1,0·2 = 86 КН.

ИГЭ - 3 от 5 + 3 м до 6 + 3 м суглинок I = 0,5, f_icp= 26,25 кПа, h_i = 1 м

N_ige-3= 1·26,25·1,0·1 = 26,3 кН.

ИГЭ -4/1 от 6 + 3 м до 8 + 3 м супеси I_L > 1 за счет уплотнения грунта принимается I_L = 1. f_icp = 6 кПа, h_i = 2 м

N_ige-4/1 = 1·6·1,0·2 =12 кН.

ИГЭ - 4/2 от 8 + 3 м до 10 + 3 м супеси I_L = 1, f_icp = 6 кПа, h_i = 2 м

N_ige-4/2= 1·6·1,0·2 = 12 КН.

ИГЭ - 4/3 от 10 + 3 м до 12 + 3 м супеси I_L = 1, f_icp = 6 кПа, h_i = 2 м,

N_ige-4/3= 1·6·1,0·2 = 12кН.

ИГЭ - 5 от 12 + 3 м до 14 + 3 м пески пылеватые средней плотности f_icp = 38,6 кПа, h_i =2 м

N_ige-5= 1·38,6·1,0·2 = 77,2 кН.

ИГЭ - 6 от 14 + 3 м до 16 + 3 м пески мелкие средней плотности f_jcp = 54 кПа, h_i = 2 м

N_ige-6= 1·54·1,0·2 = 108 кН.

ИГЭ - 7 от 16 + 3 м до 17 + 3 м пески средней крупности, плотные f_jcp = 78,3 кПа, h_i = 1 м

N_jge-7= 1·78,3·1,0·1·1,3 = 101,8 кН.

Коэффициент 1,3 - примечание 3 к табл. 7.2 СП 50-102-2003 или к табл. 6.3 приложения 6).

Накопленная на боковой поверхности несущая способность

N_f = 1,3(0 + 28,5 + 86 + 26,5 + 12 + 12 + 12 + 77,2 + 108 + 101,8) = 603,2 кН.

Несущая способность сваи-РИТ под нижним концом в плотном песке средней крупности R = 4800 кПа по табл. 7.1 СП 50-102-2003 на глубине 17 + 3 м.

Согласно примечанию 4 к табл. 7.1 значение R для плотных песков следует увеличить на 60%, но не более, чем до 20000 кПа

R = 4800·1,6 = 7680 кПа  20000 кПа.

здесь 1,8 = k_ush по табл. 2.

N_R = _сR · R_rit · А_rit = 1,3 · 7680 · 0,26 = 2595,8 кН.

Общая несущая способность сваи РИТ по грунту F_d = 0,7·1,0·(2595,8 + 603,2) = 2239,3 кН. Допускаемая нагрузка на сваю по грунту

где _k = 1,4 коэффициент надежности согласно СП 50-102-2003 (п. 7.1.11).

Окончательно принимается длина свай 17 м от поверхности дна котлована под нагрузку 1550 кН.

Испытательная нагрузка с учетом коэффициента надежности, принимаемого в соответствии с п. 14.1.10 для здания первого уровня ответственности _k = 1,25, составит - 1937,5  1950 кН.