Коллекция буровых технологий в строительстве. Устройство буронабивных свай под защитой глинистого раствора

Этой статьей мы продолжаем рубрику «Коллекция буровых технологий в строительстве».

Метод устройства буронабивных свай под защитой глинистого раствора применяется сегодня достаточно редко, поскольку имеет, наряду с определенными преимуществами, ряд существенных недостатков, о которых пойдет речь ниже.

Отметим, что применение данного метода для устройства буронабивных свай целесообразно строительными организациями, которые имеют в своем распоряжении оборудование для приготовления и регенерации бентонитовых растворов. Такое оборудование, по существу, представляет собой мини–завод, эксплуатация которого требует от персонала владения комплексом специальных навыков и знаний.

Этими навыками и знаниями обладает, например, персонал организаций, занимающихся сооружением ограждающих конструкций классическим методом «стена в грунте».

Общее описание

Ключевой особенностью данного метода устройства буронабивных свай является применение глинистых растворов для защиты стенок скважин от обрушения в процессе бурения, монтажа арматурного каркаса и последующего бетонирования. Основным компонентом раствора является бентонитовая глина, разбухающая при смешивании с водой.

 Получаемый таким образом глинистый бентонитовый раствор весьма пластичен, под незначительным давлением способен заполнять любые формы и полости.

Бентонитовые растворы обладают тиксотропными свойствами, то есть способностью густеть при отсутствии внешних воздействий и вновь возвращаться в жидкое состояние при механическом вмешательстве (встряхивание, перемешивание). Благодаря этим свойствам частицы разбуриваемого грунта длительное время остаются во взвешенном состоянии и не осаждаются на забой скважины.

Кроме того, бентонитовые растворы имеет объемный вес, превышающий объемный вес воды, благодаря чему способны создавать и поддерживать избыточное давление на любой глубине. При этом частицы раствора формируют на поверхности стенок скважины устойчивую корку. Тем самым стенки скважины надежно удерживаются от обрушения.

Наконец, бентонитовые растворы не смешиваются с бетонной смесью и легко вытесняются ею на поверхность в процессе бетонирования.

Все эти свойства, взятые в совокупности, определяют возможность и целесообразность применения глинистых бентонитовых растворов в рассматриваемой технологии.

Безусловно, состав и характеристики глинистого раствора должны определяться на основании научно обоснованных рекомендаций, поскольку иначе, если глинистый раствор будет приготовлен с нарушениями, весьма вероятны неприятности для строительных организаций: обрушение стенок скважин, осадки дневной поверхности, угроза опрокидывания буровой установки.

Для исключения подобных инцидентов необходимо при приготовлении глинистого раствора руководствоваться указаниями СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» (п.п. 14.1.8 – 14.1.14).

В состав технологического комплекса по устройству буронабивных свай под защитой глинистого раствора входят:

— буровая установка, оснащенная штангой Келли;

— оборудование для приготовления и регенерации (восстановления) бентонитового раствора;

— автомобильный кран для подачи в скважину арматурного каркаса;

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

Оборудование по приготовлению и регенерации бентонитового раствора представляет собой самостоятельный технологический комплекс, предназначенный для выполнения следующих операций:

— приготовление бентонитового раствора с добавлением специальных химических реагентов;

— подача бентонитового раствора в скважину;

— возврат отработанного бентонитового раствора, вытесненного из скважины при  бетонировании, в узел очистки для регенерации и повторного использования.

Принципиальная схема циркуляции бентонитового раствора приведена ниже.

Технология сооружения буронабивных свай под защитой бентонитового раствора наиболее эффективна в илистых и просадочных грунтах, слабых водонасыщенных грунтах, в массивах с высоким уровнем грунтовых вод.

Также возможно применение этой технологии в песках, полутвердых и твердых глинистых грунтах.

Ее использование в техногенных грунтах, грунтах с валунными или галечниковыми включениями не рекомендуется вследствие возможного отклонения ствола скважины от вертикального положения, остановки бурения, а также ухода бентонитового раствора в окружающий грунтовый массив.

Отдельного обоснования требует применение данной технологии при устройстве буронабивных свай в непосредственной близости к фундаментам существующих зданий и сооружений, поскольку имеется риск возникновения неконтролируемых осадок.

Технология устройства буронабивных свай под защитой глинистого (бентонитового) раствора состоит из следующих рабочих процессов:

— подготовка строительной площадки и зоны производства работ для установки буровой машины в рабочее положение, временного складирования бурового инструмента, арматурных каркасов, установки вспомогательных строительных машин (автомобильного крана);

— подготовка технологического комплекса по приготовлению и регенерации глинистого раствора для работы с очередной скважиной (прокладка технологических трубопроводов, перестановка емкостей, технологических узлов);

— бурение короткой скважины (глубина определяется проектом производства работ) обычным буровым инструментом (ковшевым буром);

— установка в пробуренную короткую скважину обоймы круглого сечения (кондуктора) для предохранения устья от размыва при подаче и откачке глинистого раствора (эта технологическая операция показана в прилагаемом ниже видео);

— бурение скважины ковшовым буром, подвешенным к штанге Келли буровой установки; после завершения каждого цикла бурения и выдачи породы на поверхность глинистый раствор доливается в скважину до необходимого уровня (определяется проектом производства работ);

— установка арматурного каркаса в скважину;

— бетонирование скважины методом ВПТ с одновременным вытеснением глинистого раствора (суспензии) в специально подготовленный приямок с последующей перекачкой грязевыми насосами в емкость – отстойник, где происходит осаждение частиц выбуренного грунта на дно.

Впоследствии глинистый раствор откачивается, фильтруется и подвергается регенерации (восстановлению) и может вновь использоваться для бурения следующей скважины. Грунт, накапливающийся на дне отстойника после перекачки бентонитовой смеси в узел очистки суспензии, удаляется погрузчиком. Чтобы обеспечить непрерывность процесса изготовления сваи, необходимо, как правило, иметь на площадке не менее двух ёмкостей – отстойников объёмом 6-8 м³.

Достоинства и недостатки метода

Технология устройства буронабивных свай под защитой глинистого раствора обладает следующими достоинствами:

— более высокий темп производства работ в сравнении с устройством БНС методом Келли под защитой обсадных труб (по некоторым оценкам, темп работ возрастает на 30 – 50%%);

— минимальное воздействие на существующие здания и сооружения (при соблюдении установленных ограничений по расстоянию до них);

— исключается неконтролируемое вертикальное перемещение (подъем) арматурного каркаса в процессе бетонирования скважины (подобные инциденты часто происходят при устройстве буронабивных свай методом Келли под защитой инвентарных обсадных труб в плывунах);

— нет необходимости в применении дорогостоящих обсадных труб, стоимость приобретения которых сегодня составляет от нескольких сот тысяч до миллиона рублей и более;

— не происходит нарушение сплошности  тела сваи, поскольку практически исключается формирование грунтовых пробок в процессе бетонирования (конечно, при жестком соблюдении технологического регламента); 

Вместе с тем рассматриваемая технология имеет ряд недостатков:

— возникает некоторое ухудшение адгезии (сцепления) арматуры каркаса с бетоном, что требует учета при расчете несущей способности сваи;

— имеется ограничение в применении данного метода по расстоянию: его разрешается применять для устройства свай, расположенных не ближе 40 м от существующих зданий и сооружений (п. 6.2.7 СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции»);

— необходимость утилизации шлама, загрязненного химическими добавками, на специальных полигонах, что вызывает дополнительные расходы строительных организаций;

— применение дорогостоящих химических добавок, а также бентонита, цена которого, по некоторым оценкам, сопоставима со стоимостью самого цемента, также в немалой степени увеличивают расходы на производство;

— необходимость выполнения дополнительных вспомогательных операций (монтаж и демонтаж обоймы в устье каждой скважины, монтаж и демонтаж технологического комплекса по приготовлению и регенерации бентонита, периодическая очистка емкостей-отстойников от шлама, техническое обслуживание и ремонт дополнительного технологического оборудования);

— дополнительные расходы на устройство «тепляков» при производстве работ в зимнее время, в которых размещаются узлы и емкости технологического комплекса;

— необходимость выделения дополнительных площадей на строительной площадке для хранения бентонита, химических реагентов;

— невозможность применения метода в гравийно – галечниковых грунтах, грунтах с включениями валунов, в глинах с прослойками полускальных и скальных пород, в тяжелых глинистых грунтах;

Наконец, «недостатком» рассматриваемого метода является необходимость располагать квалифицированным, опытным, слаженным персоналом. Для этого организация должна выполнить не один подобный проект, создать условия для развития навыков и квалификации специалистов, проводить долгосрочную политику в отношении кадров, направленную на их удержание в организации, непрерывное повышение квалификации.

Многие буровые строительные организации исповедуют сегодня иной подход: персонал набирается с миру по нитке под конкретный проект, сделали работу – и расходимся до лучших времен. Отсюда – нестабильность, нарушения качества, сбои в сроках и прочие неприятности. Таким способом за реализацию сложных технологических процессов лучше не браться.

Рекомендации по применению метода

Метод устройства буронабивных свай под защитой глинистого раствора относится к числу сложных высокотехнологичных методов. При этом он является достаточно затратным, поскольку используются дорогостоящие компоненты (бентонит, химические добавки), возникают дополнительные затраты на утилизацию шлама, применяется специальное технологическое оборудование, требующее управления, технического обслуживания и ремонта, а это дополнительные люди, зарплата, содержание.

Поэтому применение данного метода должно быть обосновано техническими и экономическими соображениями. Решение о его использовании на конкретном объекте строительства принимают заказчик и проектная организация. Проектировщик должен проверить расчетным путем несущую способность сваи, выполненной в рассматриваемой технологии (напомним, что сцепление бетона с арматурой каркаса несколько снижается вследствие влияния бентонитового раствора).

Важно учесть при выборе данного метода наличие организаций и специалистов, обладающих необходимой квалификацией и опытом.

При соблюдении всех этих условий следующим шагом является тщательная инженерная подготовка к проведению работ.

Должны быть разработаны и согласованы с проектной организацией, заказчиком подробные технологические регламенты (карты), проект производства работ. В данном случае их значимость существенно возрастает в сравнении с более простыми методами изготовления буронабивных свай, поскольку, как было сказано выше, малейшие отклонения от нормативных требований чреваты крупными неприятностями.

Следует в обязательном порядке до начала работ провести с линейным персоналом подробный разбор всех технологических процессов и операций, возможно, организовать учебу, пригласив для этого опытных профессионалов.

Успех применения данного метода во многом заключается именно в тщательной организационно – технической подготовке.

Основные свойства суспензии – плотность, вязкость, водоотделение, стабильность, содержание песка должны быть определены в проекте производства работ. До начала бурения грунтовая лаборатория должна выполнить подбор состава и исследовать свойства полученной суспензии, подготовить отчет, направить его проектной организации и разработчику ППР.

При несоответствии свойств суспензии принятым в ППР требованиям необходимо по заданию проектной организации на первых скважинах выполнить опытные работы для внесения необходимых изменений в проектно – технологическую документацию.

Для бурения скважин применяется обычный буровой инструмент (ковшовый бур), в конструкцию которого вносятся некоторые изменения.

Обойма (кондуктор), устанавливаемая в устье скважины, предохраняет ее от размыва при подаче и последующем вытеснении бентонитового раствора. Кондуктор должен иметь патрубки для присоединения технологических трубопроводов, по которым осуществляется подача глинистого раствора в скважину и его последующий отвод в емкость – отстойник.

Технологические операции по монтажу арматурного каркаса и бетонированию методом НПШ выполняются в основном в том же порядке, что и в методе Келли. При этом есть одна важная особенность: монтаж каркаса и бетонирование выполняется при помощи автомобильного крана, в то время, как буровая установка может продолжать выполнение операций по бурению следующей скважины. В этом заключается один из резервов ускорения темпа работ.

Применяйте метод сооружения буронабивных свай под защитой глинистого раствора, повышайте свой технологический уровень, стройте быстрее и качественнее, зарабатывайте больше доходов.

Желаем Вам успехов, друзья!