Усилить прочность. Разработан метод повышения несущей способности фундамента

Строительная отрасль, несмотря на её тысячелетнюю историю, сегодня всё ещё нуждается в новых технических решениях и инновациях. И молодые учёные успешно трудятся в этом направлении. Недавно магистрант кафедры «Строительная механика, инженерная геология, основания и фундаменты» СамГТУ Андрей Карпов разработал технологию повышения несущей способности буровой сваи с помощью использования пенополиуритановых смол.

Расширяющиеся смолы

Научным руководителем молодого учёного стал доцент кафедры СМИГОФ Академии строительства и архитектуры СамГТУ, к.т.н. Андрей Мальцев.

Пенополиуритановые смолы для закрепления грунтов основания в последние годы активно используются в нашей стране. Особенностью метода является эффективное использование возможности пенополиуритана к расширению в грунте. Это нашло применение для повышения несущей способности грунтов основания, при подъёме фундаментов, в ситуациях по исправлению кренов здания.

«Свойства материала, связанные с закреплением грунтов, у нас мало исследованы. Этим умело манипулируют прозападные коллеги. Быстрорасширяющуюся смолу продвигают как нечто уникальное по сильно завышенной цене. На самом деле используется обычный пенополиуритан, рыночная цена которого в 8-10 раз ниже. Это было установлено в ходе наших исследований. Стоимость обычного пенополиуритана сопоставима со стоимостью микроцемента. Он тоже применяется для закрепления основания, но не имеет таких особенных свойств, как у расширяющихся смол. Но и эту стоимость можно понизить, если в России начнут производить один из компонентов смолы – изоционат. Сейчас его импортирует только Китай», — объясняет Андрей Мальцев.

Учёные поставили перед собой задачу пролить свет на область применения расширяющихся смол. Возможность применения этого материала было решено исследовать на одной из частных, но важных задач фундаментостроения – повышении несущей способности буровой сваи. Эта проблема всегда актуальна.

Борьба с буровым шламом

Буровые сваи широко используются при устройстве свайных фундаментов. Существенный недостаток буровых свай — неравномерное включение в работу по обеспечение несущей способности трения на боковой поверхности сваи и лобовое сопротивление под её нижним концом. При бурении скважин породу разрушают, используя различные виды буров, у которых породоразрушающие элементы расположены значительно ниже породоудаляющих лопастей шнека и ножа ковшового бура. Также возможно обрушение стенок скважины, сложенных насыпными или слабосвязными грунтами.

В забое скважины скапливается буровой шлам, образующийся в ходе ее устройства. Его скопление может достигать 20 см, и этот слой разрыхленного грунта при передаче нагрузки на сваю может уплотниться и дать значительную дополнительную осадку. Современные строительные нормы требуют очищать забой каждой скважины и проводить освидетельствование. Его результаты нужно отражать в актах на скрытые работы. Но на практике это едва ли выполнимо.

Андрей Карпов предложил следующее техническое решение — под пяту (нижний конец) буровой сваи инъецировать вспенивающиеся полимерные смолы. Они увеличиваются в объёме при химическом взаимодействии реагентов — полиола и изоционата. Происходит бурная тепловая реакция с выделением диоксида углерода, который вспенивает смолу, и она распространяется в грунтовом массиве.

В случае если грунты обладают высокой фильтрационной способностью, смола за счёт движения газа пропитывает поровое пространство, примерно за один час она полимеризуется и связывает между собой частицы грунта, тем самым повышая его несущую способность. Под нижним концом сваи образуется прочное грунтополимерное уширение, которое связывает рыхлый грунт в забое и включает его в работу, передавая нагрузку от сваи на материковый грунт ненарушенной структуры.

Авторская технология

На первый взгляд, задача несложная. Но проблема состояла в том, чтобы создаваемое смолой уширение в грунте под пятой сваи должно было быть правильной геометрической формы и образовывалось именно под нижним концом сваи. Лабораторным путём Андрей Карпов установил, что за счет равномерного расширения полимера во всех направлениях появляется возможность создания контролируемого и прогнозируемого грунтополимерного уширения. Для этого была разработана специальная авторская технология.

Проведен ряд лабораторных исследований по определению основных физико-механических свойств. Для подтверждения возможности увеличения несущей способности буровой сваи была выполнена серия постановочных полевых экспериментов по устройству и оценке несущей способности буровых свай на двух опытных площадках. Осуществлены сравнительные испытания экспериментальных и контрольных свай статической вдавливающей нагрузкой. Натурный эксперимент показал, что фактическое увеличение несущей способности буровой сваи по грунту за счет устройства грунтополимерного уширения под ее нижним концом достигает 50% и более. Экскавация опытной сваи доказала, что под пятой сваи есть уширение.

Способность формировать грунтополимерное уширение предоставляет геотехникам и фундаментостроителям инструмент дополнительно варьировать параметрами свай. Работы, связанные с усилением фундаментов, сопряжены с многодельностью и стеснёнными условиями труда. Поэтому уменьшение трудоёмкости и материалоёмкости работ при устройстве буровых свай за счет уменьшения их длины, но при этом без потери их несущей способности, является задачей актуальной, целесообразной и эффективной.

Экономический эффект

Пока получены положительные результаты только для коротких свай. Планируются эксперименты со сваями большей длины. Кроме того, разработанная технология прошла апробацию в песчаных грунтах. Учёным было бы интересно расширить диапазон её применения.

На данный момент подана заявка на выдачу патента на изобретение по технологии устройства грунтополимерного уширения.

«В отечественной химпромышленности есть проблемы с производством отдельных видов продукции. Устранение этих препятствий через импортозамещение позволит простимулировать и строительную отрасль, в частности, фундаментостроение, и снизить себестоимость предлагаемого технического решения. Но уже сегодня при рациональном подходе внедрение в практику нашей разработки технический и экономический эффекты будут в разы выше, чем в случае использования микроцементов. Что мы и планируем доказать будущими исследованиями», — говорит Андрей Карпов.