Коллекция буровых технологий в строительстве. Устройство буронабивных свай без применения инвентарных обсадных труб с использованием полимерных растворов

Настоящей статьей мы продолжаем пополнять нашу коллекцию буровых технологий в строительстве.

Здесь мы предлагаем описание способа устройства буронабивных свай, который так же, как и способ устройства свай под защитой глинистого раствора, не предполагает применение инвентарных обсадных труб.

Особенность этого метода заключается в том, что для крепления стенок скважин при бурении и выполнении всех последующих операций используются специальные полимерные буровые растворы, создающие избыточное гидростатическое давление.

Кроме того, молекулы полимерных растворов взаимодействуют с частицами грунта, создавая гибкую защитную мембрану на поверхности скважины в зоне контакта двух сред. Эта мембрана препятствует потере жидкости в процессе производства работ, препятствует ее инфильтрации в окружающий скважину массив грунта.

Способ устройства буронабивных свай под защитой полимерных растворов имеет существенные преимущества перед классическим и наиболее распространенным методом Келли с применением обсадных труб. Он также обладает определенными преимуществами в сравнении с методом устройства свай под защитой глинистых бентонитовых растворов.

Заметим также, что действующая  нормативная документация, а именно «СП 45.13330.2017. Свод правил. Земляные сооружения, основания и фундаменты»  предусматривает возможность устройства свай в водонасыщенных грунтах с креплением полимерными растворами.

Общее описание

Как уже ясно из сказанного выше, способ устройства буронабивных свай с использованием полимерных растворов исключает применение инвентарных обсадных труб для крепления стенок скважин.

Эта особенность позволяет существенно ускорить производство строительной продукции, а также сократить ее стоимость, поскольку обсадные трубы в настоящее время являются весьма дорогостоящим буровым оборудованием. По некоторым оценкам, обсадные трубы больших диаметров (от 1200 мм) могут стоить до миллиона рублей и выше.

В отличие от глинистых растворов в данной технологии для приготовления состава используются синтетические полимеры. Наиболее известен в России высококонцентрированный полимер Super Mud, представляющий собой до смешивания твердый гранулят белого цвета.

Полимерные растворы Super Mud успешно применялись российскими буровыми компаниями и подтвердили свою надежность и эффективность в качестве инструмента крепления стенок скважин.

Полезные рабочие свойства получаемых буровых растворов определяются физико-химическими свойствами полимеров. Например, при смешивании с водой молекулы полимера Super Mud присоединяют к себе молекулы воды, формируются полимерные цепи, за счет чего создается раствор, обладающий определенной структурной вязкостью.

Кроме того, молекулы полимера активно взаимодействуют с частицами грунта, поскольку те и другие имеют разные по знаку заряды (молекулы полимера заряжены отрицательно, а частицы грунта – положительно). Это взаимодействие оказывает двоякое полезное влияние на свойства бурового раствора, формируемого в скважине:

— с одной стороны, молекулы полимера, стремясь соединиться с положительно заряженными частицами грунта в стенках скважины, формируют полимерную мембрану на стыке взаимодействия раствора и грунта;

— с другой стороны, молекулы полимера обволакивают частицы грунта, находящиеся в растворе во взвешенном состоянии, формируя оболочку вокруг них, чем способствуют осаждению несвязанных частиц на дно скважины, очищая тем самым раствор.

Основным фактором, удерживающим стенки скважины от обрушения, является избыточное гидростатическое давление раствора в скважине.

Таким образом, в результате совместного влияния избыточного гидростатического давления и полезных свойств полимерного бурового раствора строители получают возможность использовать его в процессе возведения свайных конструкций в качестве инструмента крепления стенок скважин.

Технологический комплекс для устройства буронабивных свай под защитой полимерного бурового раствора включает:

— буровую установку с установленной на ней штангой Келли, оснащенной ковшовым буром;

— оборудование для приготовления и восстановления бурового раствора;

— автомобильный кран для подачи в скважину арматурного каркаса;

— экскаватор – погрузчик для уборки выбуренного грунта из зоны работ.

Устройство буронабивных свай под защитой полимерного бурового раствора представляет собой следующую последовательность технологических процессов и операций:

— устройство внутриплощадочных подъездных путей и рабочих площадок для размещения буровой установки, технологического комплекса по приготовлению полимерного раствора, временного складирования арматурных каркасов, хранения гранулята;

— монтаж и подготовка к работе технологического комплекса по приготовлению и восстановлению полимерного раствора;

— установка трубы – обечайки (кондуктора) в устье скважины для его предохранения от размыва при подаче в скважину или откачке из нее бурового раствора;

— бурение скважины ковшовым буром;

— монтаж арматурного каркаса в пробуренную и заполненную буровым раствором скважину;

— бетонирование сваи методом вертикально перемещаемой трубы с одновременным вытеснением полимерного раствора из скважины.

Буровой полимерный раствор может применяться повторно, для чего так же, как и в случае глинистого раствора, используется накопительная емкость, в которую раствор отводится из скважины в процессе бетонирования.

Длину трубы – обечайки следует определить расчетным путем в зависимости от уровня грунтовых вод в скважине. Уровень бурового раствора должен поддерживаться не менее, чем на 2,0 – 5,0 м выше уровня грунтовых вод для уравновешивания гидростатического давления.

При снижении уровня раствора ниже этой величины необходимо остановить производственный процесс и восстановить его до требуемого.

Таким образом, статический уровень грунтовых вод является контрольным параметром для выбора и поддержания уровня бурового раствора в скважине.

Метод устройства буронабивных свай может быть использован для сооружения буровых столбов диаметром от 0,5 м до 2,5 м во всех грунтах, кроме скальных, гравийно-галечниковых, щебенистых и с включением валунов.

Глубина заложения при этом по сути определяется длиной штанги Келли, которой оснащена буровая установка.

Достоинства и недостатки способа

Способы устройства буронабивных свай под защитой полимерного или глинистого раствора весьма схожи с точки зрения организации работ и содержания основных технологических операций. Поэтому рассматриваемый в настоящей статье метод имеет все те же самые достоинства и преимущества в сравнении с классикой – методом Келли под защитой инвентарных обсадных труб.

К таковым преимуществам относятся: существенно более высокая производительность, незначительное влияние на существующие здания и сооружения, гарантированное проектное положение арматурного каркаса в процессе бетонирования, отсутствие необходимости в применении дорогостоящих обсадных труб, исключение нарушений сплошности тела сваи при бетонировании. 

Кроме этих достоинств рассматриваемый метод имеет также преимущества и в сравнении с применением бентонитового глинистого раствора:

— полимерный раствор может быть приготовлен непосредственно перед применением, в то время как глинистый раствор предварительно смешивается в течение суток для достижения полной гидратации;

— для приготовления полимерного раствора применяются простейшие приемы смешивание, а для получения бентонитового раствора требуются мощные мешалки;

— в глинистом растворе частицы грунта находятся во взвешенном состоянии, вследствие чего после вытеснения раствора из скважины необходимо его отстаивание и последующая очистка от примесей грунта; в полимерном растворе, как отмечалось выше, частицы грунта инкапсулируются и осаждаются на дно скважины;

— вследствие особенностей взаимодействия полимера с частицами грунта растворы могут использоваться многократно; бентонитовый раствор выдерживает не более 2 – 3 циклов восстановления, после чего теряет свои полезные свойства.

Но, пожалуй, главным преимуществом полимерных растворов является отсутствие отрицательного воздействия на окружающую среду.

Во – первых, с течением времени полимерные растворы самопроизвольно разлагаются.

Во – вторых, при добавлении обычных химических реагентов (бытовых отбеливателей или перекиси водорода) полимерные растворы также полностью разлагаются, вследствие чего могут сливаться в обычные городские водостоки или в приямки на поверхности.

В то же время бентонитовые растворы имеют повышенные классы вредности, не разлагаются и требуют удаления для утилизации на специальные полигоны.

Способ устройства буронабивных свай под защитой полимерных растворов имеет свои недостатки:

— полимерный буровой раствор замерзает при температуре ниже минус 4°С, поэтому в зимнее время требуется устройство тепляков для укрытия емкостей;

— он неприменим, как отмечалось выше, в скальных, гравийно-галечниковых, щебенистых грунтах и в грунтах с включением валунов;

— испытания несущего слоя грунта штампом необходимо проводить в специально пробуренной скважине с обсадной трубой или ограничиваться выборочным испытанием свай вертикальной вдавливающей нагрузкой.

Рекомендации по применению метода

Метод устройства буронабивных свай под защитой полимерного раствора можно с полным основанием отнести к разряду высоко технологичных строительных технологий.

Это предъявляет определенные требования к квалификации технического персонала, наличию опыта строительной организации в применении этого метода.

Применение данного способа должно быть обосновано технико-экономическими расчетами, решение по его использованию для устройства буронабивных свай принимается, в конечном счете, проектной организацией совместно с заказчиком строительства объекта и согласовывается в органах государственной экспертизы.

Перед началом работ должна быть проведена тщательная инженерная подготовка: разработаны технологические карты, проект производств работ, линейный персонал должен пройти обучение, инструктажи и необходимую проверку знаний.

Все эти мероприятия важны, поскольку рассматриваемый способ опирается на использование тонких физико — химических процессов, происходящих во взаимодействующих средах, предполагает точное и неукоснительное соблюдение установленных характеристик при приготовлении раствора, контроля параметров его состояния в ходе работ.

 Так, буровые растворы на основе полимеров весьма чувствительны к различным загрязнениям и примесям, содержащимся в используемой для их приготовления воде, таким, как кальций, избыточная кислотность или избыточная щелочность. Поэтому в процессе сооружения свайных конструкций необходимо организовать постоянный жесткий контроль основных параметров раствора.

Основной контролируемой характеристикой бурового раствора является показатель кислотности воды рН. Для полимерных буровых растворов показатель рН должен находиться в диапазоне от 8 до 10, что обеспечивает рН – нейтральность среды.

Для регулирования показателя кислотности воды следует использовать карбонат натрия (кальцинированную соду). Рекомендуемое для этой цели соотношение составляет 1 кг соды на 1680 литров воды. Конкретный показатель указанного соотношения определяется в результате лабораторных испытаний и зависит от наличия загрязнений в воде и ее исходных характеристик.

Отметим еще раз, что показатель рН раствора должен непрерывно контролироваться строительной лабораторией и поддерживаться в рекомендованном выше диапазоне.

Смешивание кальцинированной соды с водой необходимо проводить непосредственно перед добавлением полимерного концентрата.

Соотношение полимерного концентрата с водой при смешивании также необходимо проводить на основании рекомендаций лаборатории, рекомендованные значения находятся в диапазоне от 1:800 до 1:500.

После добавления полимерного концентрата в буровой раствор перемешивание осуществляется при вращении бурового инструмента (ковшового бура) внутри скважины.

Еще одним параметром бурового раствора, требующим контроля, является его вязкость.

Для тестирования этого параметра используется вискозиметр Марша, вязкость раствора должна составлять 50+. Добавление в раствор полимера увеличивает его вязкость.

Таким образом, в процессе работы по устройству буронабивных свай при выполнении всех технологических операций должен быть обеспечен непрерывный лабораторный контроль показателей вязкости и рН раствора.

Регулирование указанных параметров бурового раствора обеспечивается посредством добавления полимерного концентрата и кальцинированной соды.

Если рекомендованные лабораторными исследованиями показатели выдерживаются, то поглощения воды в массив грунта не происходит, уровень бурового раствора постоянно находится на нужной отметке.

Напомним также, что эта отметка определяется и поддерживается в зависимости от статического уровня грунтовых вод в скважине и должна превышать ее на 2,0 – 5,0 метра. Конкретная величина превышения определяется опытным путем на первой пробуренной скважине.

Кроме указанных выше показателей вязкости и кислотности рН контролируются также:

— плотность (удельный вес) раствора, которая должна составлять 1,0 или несколько выше;

— содержание песка в буровом растворе (в процентном выражении).

Испытание на содержание песка в буровом растворе проводится непосредственно перед бетонированием, образец должен отбираться на уровне дна скважины. Содержание песка в буровом растворе не должно превышать 1%.

Для предотвращения размыва верхней части скважины и гарантированного обеспечения избыточного давления до начала бурения следует установить в устье кондуктор – трубу длиной 3 – 4 метра с возвышением над уровнем поверхности площадки 1 м.  

Кроме того, необходимо подготовить буровой инструмент: на шнеке вырезать пазы, а на ковшовый бур наварить сбоку лопатки (зубья) и вырезать отверстия. Эти меры позволят обеспечить свободное перетекание раствора при извлечении загруженного ковшового бура из скважины и исключить эффект всасывания внутри скважины.

Смешивание концентрата с водой при бурении происходит непосредственно в скважине.

В процессе бурения, как уже было отмечено выше, необходимо контролировать показатели кислотности рН и вязкости раствора, а также установленное превышение уровня бурового раствора в скважине над уровнем грунтовых вод.

После достижения проектной отметки низа скважины необходимо произвести контрольную зачистку плоскодонным ковшовым буром. До начала бетонирования следует взять пробы бурового раствора с середины глубины скважины и на расстоянии 0,5 – 0,6 м от дна. Если содержание песка и плотность раствора соответствуют нормативным требованиям, можно начинать бетонирование сваи.

Установка арматурного каркаса в скважину или его наращивание при установке осуществляются в обычном порядке с обеспечением контроля его положения в плане и по высотным отметкам.

Также в обычном порядке осуществляется бетонирование сваи методом вертикально перемещаемой трубы.

Буровой раствор, вытесняемый из скважины при бетонировании, поступает в накопительную емкость. При этом важно исключить попадание в накопительную емкость раствора, содержащего примеси кальция в результате контакта с бетонной смесью. Для этого последний слой бурового раствора непосредственно перед завершением процесса бетонирования мощностью 1,0 м необходимо слить в отдельный отстойник, из которого он впоследствии утилизируется.

Буровой раствор, находящийся в накопительном резервуаре, подвергается лабораторным исследованиям с целью определения показателей вязкости и кислотности рН. По результатам полученных испытаний производится регенерация (восстановление) раствора.

Восстановление бурового раствора осуществляется следующим образом:

— добавляется вода для получения первоначального объема;

— добавляется полимерный концентрат (обычно, не более половины от исходного количества);

— добавляется кальцинированная сода (рН – кондиционер) до достижения нормативных значений показателя кислотности рН;

— проводятся завершающие лабораторные исследования.

Указанный цикл восстановления бурового проводится после завершения каждого последующего цикла бетонирования.

По завершении работ по устройству свайного основания остатки бурового раствора утилизируются. Для этих целей может применяться 5% — процентный раствор гипохлорита натрия (отбеливатель для хозяйственных нужд) или 3% — процентная перекись водорода, предназначенная для хозяйственного использования.

Полученные отходы, как уже отмечалось выше, могут быть без последствий слиты в существующую канализационную систему или на поверхность для последующего испарения или фильтрации в грунт.

Как следует из сказанного выше, способ устройства буронабивных свай под защитой полимерных растворов на полном основании может быть отнесен к разряду высоко технологичных строительных процессов. Он обладает несомненными преимуществами и достоинствами, является одним из наиболее щадящих с точки зрения требований охраны окружающей среды, позволяя при этом обеспечивать высокие темпы работ по устройству свайных оснований.

Желаем Вам успехов, друзья, в применении этого и других современных способов строительства!