Опыт и особенности применения многофункциональной геотехнической системы (МГТС) GEOIZOL-MP

В статье обобщается многолетний опыт геотехнического проектирования, который накопила компания «ГЕОИЗОЛ Проект» в части применения буроинъекционных анкерных систем. Прежде всего – собственной разработки Группы компаний «ГЕОИЗОЛ» – многофункциональной геотехнической системы (МГТС) GEOIZOL-MP. Цель исследования заключается в описании технологии и систематизации широкого спектра технических решений с применением буроинъекционных анкерных систем: микросвай, грунтовых анкеров и нагелей, что позволит инженерам-конструкторам более эффективно решать возникающие перед ними геотехнические задачи.

1. Введение

 Применение многофункциональной геотехнической системы (МГТС) GEOIZOL-MP насчитывает десять лет. Первый российский мощный анкер типоразмера 105/52 был прокатан на Пушкинском машиностроительном заводе (входит в Группу компаний «ГЕОИЗОЛ») 25 сентября 2012 года.

При создании собственной анкерной системы специалисты Пушкинского машиностроительного завода ориентировались на передовые западные разработки, прежде всего – продукцию компании Friedr. Ischebeck GmbH.

Российским инженерам удалось превзойти немецких коллег. После циклических испытаний потери механических свойств у анкеров GEOIZOL-MP составили 2,8%, против 4,4% у анкеров TITAN [1]. Применение стали марки 40Х позволяет дополнительно повысить механические свойства МГТС на 35-40%, что делает возможным использование GEOIZOL-MP в особо прочном исполнении на объектах повышенной ответственности.

МГТС GEOIZOL-MP применяется при устройстве новых и усилении существующих фундаментов зданий и сооружений, обеспечении устойчивости склонов и откосов, устройстве ограждающих конструкций котлованов, выполнении различных мероприятий инженерной защиты территории и для решения иных технических задач.

Обзор представленных на российском рынке буроинъекционных анкерных систем и возможностей их применения выполнили сотрудники Тюменского индустриального университета [2], который, однако, нуждается в корректировке и дополнении. Наиболее широкий перечень технических решений и нюансы технологии рассмотрим на опыте проектирования компании «ГЕОИЗОЛ Проект».

 

2. Устройство и технология выполнения МГТС GEOIZOL-MP

GEOIZOL-MP – это универсальная система, позволяющая из ограниченного набора комплектующих собрать и выполнить различные геотехнические конструкции: грунтовые анкеры, грунтовые нагели, анкерные тяги или буроинъекционные микросваи – конкретное функциональное назначение определяется спецификой воспринимаемых нагрузок и решаемых задач.

МГТС состоит из полых винтовых штанг, соединенных муфтами (рис. 1). Первый сегмент оснащается буровой коронкой (подбирается по типу грунта) с форсунками. С заданным шагом устанавливаются центраторы для размещения стержня на равном удалении от стенок скважины. Конфигурация, состав и наличие крепежных элементов варьируются, в зависимости от назначения GEOIZOL-MP.

МГТС GEOIZOL-MP выполняется в рамках одного технологического цикла в два этапа. Винтовая штанга с буровой коронкой используются в качестве бурового и инъекционного инструмента, а после проходки остаются в скважине в качестве армирующего элемента.

На первом этапе (рис. 2) производится бурение на проектную глубину с подачей в забой скважины бурового цементного раствора (В/Ц=0,7) через полые штанги и буровую коронку с форсунками. Раствор охлаждает буровую коронку, обеспечивает вынос шлама, проникает в окружающий грунт, укрепляя стенки скважины. Буровой раствор заполняет и обеспечивает устойчивость скважины, что позволяет выполнять бурение без обсадных труб в любых грунтовых условиях. Излив бурового раствора отбирается в специальные емкости и утилизируется на полигонах ТБО.

 

Геотехнический элемент выполняется вертикально или под любым углом от 90° до 5° к горизонту. Использование инъекционных пакеров позволяет выполнять МГТС горизонтально и с отрицательными углами к горизонту.

На втором этапе в скважину через МГТС нагнетается густой тапмонажный цементный раствор (В/Ц=0,4), который замещает собой буровой, и после набора прочности становится телом микросваи, анкера или нагеля.

Для выполнения работ используется широкий спектр буровой техники: самоходные буровые установки, подвесное оборудование для универсальных и горных экскаваторов, переносные установки для бурения в подвалах и других замкнутых пространствах, а также малогабаритные горные буровые установки, позволяющие выполнять работы на крутых откосах с применением альпинистского снаряжения.

 

3. Технические решения с применением буроинъекционных анкерных систем

 За последние 14 лет компания «ГЕОИЗОЛ Проект» разработала десятки проектов (все успешно прошли экспертизу) с применением различных буроинъекционных анкерных систем, в том числе западного производства. Инженеры освоили не только передовые зарубежные методы проектирования, но и выполнили собственные конструкторские разработки при решении инженерных задач. Практика проектирования нашла отражение в опубликованном в 2019 году «Альбоме типовых решений инженерной защиты территории» [3], где представлен широкий перечень конструкций, в том числе с применением буроинъекционных анкерных систем.

Ниже подробно рассмотрим технические решения, структурировав их в зависимости от функционального назначения МГТС GEOIZOL-MP.

3.1 Грунтовый нагель

Представляет собой ненапрягаемый геотехнический элемент, армирующий грунт. Выполняется группа наклонных нагелей (нагельное поле), как правило, с устройством на поверхности покровной системы.

Нагельное крепление – пространственное армирование грунтового массива. Грунтовые нагели выходят за поверхность скольжения склона, удерживая массив грунта, и закрепляются в нижерасположенных устойчивых слоях. Покровная система препятствует смещениям на поверхности и не допускает вывалов грунта в межнагельном пространстве. Наиболее широкое применение получила высокопрочная стальная сеть в комбинации с противоэрозионными матами.

Решение применяется при возникновении рисков развития оползневых процессов для обеспечения устойчивости естественных склонов и искусственных откосов, в том числе при изменении рельефа (устройстве глубоких выемок в рамках дорожного строительства) или при размещении объектов выше по склону.

Летом 2022 года нагельное крепление (рис. 3) выполнено в городе Светлогорске (Калининградская область) на берегу Балтийского моря возле бывшей гостиницы «Русь», на месте которой возводится крупный рекреационный центр. Решение – в составе с иными мероприятиями инженерной защиты территории – широко применяются в рамках строительства и реконструкции автомобильных дорог. Нагельные поля выполнены в целях обеспечения устойчивости опор канатных дорог К-1 – К-5 горноклиматического курорта «Альпика-Сервис» на склоне хребта Аибга (Сочи, Краснодарский край). Число реализованных проектов с применением этого решения исчисляется десятками.

 

Устройство нагельного крепления возможно в скальных грунтах, что актуально для предприятий горнодобывающей отрасли. В этом случае нагели выходят за границу зоны возможных обрушений, фиксируют крупные неустойчивые скальные блоки, а на поверхности скально-обвального участка объединяются покровной системой из высокопрочной стальной сетки, которая препятствует смещениям на поверхности склона и предотвращает падение камней.

Аналогичным образом действует анкерное крепление горных выработок (в том числе при строительстве тоннелей). Закрепленная грунтовыми анкерами стальная сеть обеспечивает общее перекрытие кровли выработки, препятствует вывалам грунта и обеспечивает работоспособность крепи при срыве отдельных анкеров.

Создание с помощью нагелей пространственно-армированного массива грунта (рис. 4) может применяться в качестве предупредительной меры при рисках развития карстовых процессов под существующими насыпями автомобильных и железных дорог.

Уникальная особенность решения заключается в возможности выполнения работ без прекращения эксплуатации защищаемого объекта, например, с сохранением движения поездов. Такой, своего рода, «гибкий ростверк» был выполнен в теле насыпи линии «Сейма – Дзержинск» Горьковской железной дороги на участке км 395 – км 400 в составе противокарстовых мероприятий.

 

3.2 Грунтовый анкер

Служит для передачи выдергивающих усилий от строительных конструкций (или закрепляемых объектов) в толщу грунта. Применяется в составе анкерной группы или в качестве отдельного удерживающего элемента.

Анкеры широко применяются для дополнительного обеспечения устойчивости как вновь возводимых, так и в качестве усиления существующих удерживающих сооружений различного назначения: подпорных стен (шпунтовых, свайных, монолитных), берегоудерживающих сооружений (набережных, причальных стенок) и т.п.

Для дополнительного обеспечения устойчивости свайной подпорной стены высотой 10 м на участке глубокой выемки в рамках строительства и реконструкции федеральной автодороги на юге России в два-три пояса выполнены 732 анкера длиной 24-27 м (рис. 5).

 

При отсутствии окружающей застройки возможно применение анкерной крепи для обеспечения устойчивости ограждающих конструкций котлованов (противофильтрационных завес), что позволяет отказаться от применения распорных систем и обеспечить беспрепятственную разработку грунта и выполнение последующих работ.

В горных условиях грунтовые анкеры применяются для закрепления оборудования и техники. Например, для обеспечения безопасного перемещения ратраков по крутым горным склонам.

Грунтовые анкеры широко применяются для закрепления на рельефе различных сооружений инженерной защиты территории от опасных природных явлений: селеудерживающих (рис. 6), камнеулавливающих, противолавинных барьеров, противокамнепадных завес и т.п. Для монтажа GEOIZOL-MP применяется легкая техника, что позволяет выполнять работы в труднодоступных местах, в том числе на крутых склонах, без устройства технологических подъездных дорог.

 

 

Частный случай такого сооружения – селеулавливающий барьер, спроектированный на км 17 федеральной трассы Р-297 «Амур» Чита – Хабаровск (Забайкальский край). Для размещения сооружения в границах отвода дороги принято устройство сетчатой конструкции высотой 10 м и длиной 360 м, которая способна воспринимать значительные нагрузки, удерживая твердый сток при сходе селя. Для усиления мощного бетонного основания с фундаментом из двух рядов буронабивных свай диаметром 800 мм длиной 10 м проектом предусмотрено применение грунтовых анкеров GEOIZOL-MP 105/52 длиной 19,5 м [4].

Анкерное крепление с железобетонными прижимными плитами – собственная разработка «ГЕОИЗОЛ Проект». Решение является компактной альтернативой пригрузочной бермы. Плиты, закрепленные анкерами, создают дополнительное давление (пригруз) на грунт в нижней зоне оползневого тела и увеличивают удерживающие силы, таким образом повышая устойчивость потенциально оползнеопасного склона или откоса.

Как правило, решение применяется в рамках противооползневых мероприятий. Частный случай – обеспечение устойчивости конусов насыпи моста на км 559 (рис. 7) железнодорожной линии Обская – Бованенково (Ямало-Ненецкий автономный округ). Аварийная ситуация – перемещение береговых опор в сторону русла – наступила вследствие развития оползневых процессов, спровоцированных деградацией многолетнемерзлых грунтов [5]. Проект предусматривает устройство на каждом берегу трех зон анкерного крепления: одного с прижимными плитами, закрепленных анкерами GEOIZOL-MP 40/18 длиной 12 м, и двух из сборных железобетонных плит, закрепленных анкерами GEOIZOL-MP 105/52 длиной 38 м.

 

3.3 Буроинъекционная микросвая

Является несущим элементом, который воспринимает вдавливающие и/или выдергивающие нагрузки. Обеспечивает передачу нагрузок на более прочное основание (на опорный инженерно-геологический слой).

Буроинъекционные сваи (БИС) позволяют выполнить фундаменты в стесненных условиях и труднодоступных местах: при строительстве зданий и сооружений в плотной окружающей застройке (в том числе внутри помещений), возведении опор линий электропередач на горных склонах и т.п. В ряде случаев устройство БИС является единственным экономически эффективным и технически реализуемым решением.

Сваи GEOIZOL-MP характеризуются значительной несущей способностью [6], что позволяет их использовать при сооружении крупных объектов.

Проект строительства путепровода в створе Пискаревского проспекта в районе железнодорожной станции Ручьи (Санкт-Петербург) подразумевал выполнение фундамента из буронабивных свай диаметром 1200 мм. Опора №12 располагалась в непосредственной близости от железнодорожных путей и производство работ по изначально выбранной технологии потребовало бы остановки движения на участке с высоким трафиком товарных и пригородных поездов. Чтобы избежать чрезмерно высоких логистических издержек проект был скорректирован и реализован вариант с устройством куста буроинъекционных свай (рис. 8).

 

Для минимизации негативного воздействия от ограничения движения транспорта свайные фундаменты с применением БИС были приняты при строительстве надземного пешеходного перехода на пересечении проспекта Славы и улицы Будапештской (Санкт-Петербург). Для самой нагруженной опоры предусмотрено устройство 4 вертикальных и 8 наклонных буроинъекционных свай GEOIZOL-MP-52/26 длиной 19 м.

Различные решения с использованием БИС применяются при усилении существующих фундаментов, в том числе в рамках реконструкции и реставрации объектов культурного наследия. Как правило, при проектировании рассматриваются два варианта: пересадка на наклонные сваи и/или на вертикальные сваи с системой объединяющих ростверков.

В первом случае сваи расставляются в шахматном порядке с двух сторон от стены и выполняются под проектным углом (рис. 9). БИС проходит через тело фундамента и закрепляется в несущих слоях грунта, передавая на него нагрузку от здания. Во втором – выполняются парные сваи с двух сторон стены, которые затем объединяются поперечной железобетонной или металлической рандбалкой.

В случае развития в сваях значительных изгибающих моментов, для их компенсации приустьевая зона БИС может быть дополнительно усилена стальными трубами. Это позволяет применять МГТС в несимметричных схемах, а также, для организации свайного основания для фундаментов, воспринимающих изгибающие и горизонтальны нагрузки.

Пересадка фундамента на сваи, в частности, выполняется во избежание недопустимых дополнительных осадок здания, в том числе связанных с реконструкцией самого здания, освоением прилегающей территории или в результате изменения гидрогеологических условий площадки. Прежде всего это касается исторических построек, в отношении которых действуют жесткие нормы: СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» (Приложение К) в ряде случаев допускает вертикальные перемещения не более 5 мм.

Рис. 9. Общий вид выполненной пересадки фундамента на наклонные сваи

 

Проект реконструкции с приспособлением под современное использование памятника архитектуры – казарм Павловского лейб-гвардии полка (Санкт-Петербург) – предусматривал масштабное использование подземного пространства, в том числе возведение подземного паркинга под защитой ограждающей конструкции по технологии «стена в грунте». Ситуацию усугубляло наличие под бутовыми фундаментами участков слабых грунтов мощностью до 9 м. Чтобы исключить возможные осадки, перед выполнением работ нулевого цикла была выполнена пересадка фундамента на наклонные сваи GEOIZOL-MP.

Буроинъекционные сваи могут также применяться в качестве временных вспомогательных элементов.

Проект реконструкции с приспособлением под современное использование другого памятника архитектуры – Александровского дворца (ГМЗ «Царское село», Санкт-Петербург) – предусматривал увеличение объема цокольного этажа за счет понижения отметки пола на 1,6 м. Для возможности выполнения работ существующие кирпичные колонны были временно вывешены на вертикальные сваи GEOIZOL-MP, усиленные в верхней части стальными трубами, через систему металлических обойм и балок (рис. 10). После разработки грунта до проектных отметок и устройства монолитной силовой плиты пола под колонны были подведены новые фундаменты, а временные сваи демонтированы.

 

4. Заключение

 Выше рассмотрен широкий, но не исчерпывающий перечень технических решений с применением буроинъекционных анкерных систем. Современному поколению инженеров-конструкторов предстоит его расширить. При творческом подходе, учитывая возможности многофункциональной геотехнической системы GEOIZOL-MP, они получают эффективный инструмент для решения специфических геотехнических задач.

 

Библиографический список

1.  Пушкинский машиностроительный завод. 100 лет. – Санкт-Петербург, 2019. – 180 с. Документальный очерк. – С. 152-153.
2. Самохвалов Михаил Александрович, Гейдт Андрей Владимирович, Паронко Александр Александрович Обзор существующих конструкций буроинъекционных анкерных свай // Вестник МГСУ. 2019. №12 (135). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-suschestvuyuschih-konstruktsiy-buroinektsionnyh-ankernyh-svay (дата обращения: 05.09.2022).
3. «ГЕОИЗОЛ Проект»: сайт. – URL: https://geoizolproject.ru/library/albomy-tipovyh-reshenij/ (дата обращения: 05.09.2022).
4. Александров П.А. Опыт проектирования и эксплуатации противоселевых сооружений [Электронный ресурс] // сайт компании «ГЕОИЗОЛ Проект». URL: https://geoizolproject.ru/library/publikacii/opyt-proektirovanija-i-jekspluatacii-protivoselevyh-sooruzhenij/ (дата обращения: 05.09.2022).
5. Богданов И.С. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений в условиях криолитозоны // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2022. – № 4 (273) – С. 57-61.
6. Ермаков В.П. Оценка работы стержневых свай-анкеров, воспринимающих вертикальные и горизонтальные нагрузки // Инновационная наука. 2017. №11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-raboty-sterzhnevyh-svay-ankerov-vosprinimayuschih-vertikalnye-i-gorizontalnye-nagruzki (дата обращения: 05.09.2022).

 

Для цитирования:

Богданов И.С., Александров П.А. Опыт и особенности применения многофункциональной геотехнической системы (МГТС) GEOIZOL-MP // Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении: материалы международной научно-технической конференции, г. Новочеркасск 28-30 сентября 2022 г. / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. — Новочеркасск: Лик, 2022. – С. 454-466.