Что такое буроинъекционные сваи?
Буроинъекционные сваи (БИС) — это разновидность набивных свай небольшого диаметра, которые формируются непосредственно в грунте путем нагнетания цементно-песчаного раствора в пробуренную скважину. Иными словами, вместо удаления большого объема грунта и установки готовых изделий, при данной технологии изготовление буроинъекционных свай происходит на месте: в землю бурится скважина, затем под давлением через полую буровую штангу (шнек) в нее закачивается специальный раствор, заполняющий весь объем и твердеющий, образуя свайный стержень. До схватывания смеси внутрь вводится армирующий элемент – например, стальная труба или арматурный каркас, что позволяет получить монолитную железобетонную сваю. После отвердения образуется прочный стержень, связанный с окружающим грунтом. В российской нормативной базе применяются такие термины, как инъекционные сваи или микросваи – по сути, это синонимы рассматриваемой технологии.
Диаметр буроинъекционных свай обычно гораздо меньше, чем у стандартных буронабивных: он составляет порядка 150–300 мм, реже до 400 мм. За счет небольшой ширины такие сваи относят к категории микросвай. Расчетная длина (глубина) буроинъекционных свай может достигать 10–20 м, в отдельных случаях до 30 м, что позволяет передавать нагрузку на достаточно глубокие плотные слои грунта. Буроинъекционные элементы, как правило, работают как висячие сваи, то есть несущая способность обеспечивается в основном за счет силы трения грунта о боковую поверхность, без уширенной пяты. Таким образом, определение буроинъекционных свай включает следующие ключевые признаки: свайный элемент малого диаметра, изготавливаемый прямо в грунте методом инъекции раствора, с армированием и опирающийся на грунт боковой поверхностью.
На основании СП и ГОСТ РФ можно привести формулировку: буроинъекционная свая – это буронабивная железобетонная свая малого диаметра, образованная путем заполнения цементным раствором пробуренной скважины. Проектирование и контроль качества таких свай регламентируются общими нормами для свайных фундаментов – например, СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты», актуализированным как СП 24.13330, а технология устройства описана в отраслевых рекомендациях.
Область применения буроинъекционных свай
Буроинъекционные сваи нашли широкое применение в случаях, когда использование стандартных методов устройства фундаментов затруднено или экономически невыгодно. Перечислим основные сферы применения буроинъекционных свай:
- Усиление буроинъекционными сваями существующих фундаментов. При реконструкции и ремонте зданий, когда необходимо повысить несущую способность основания, часто применяют буроинъекционные сваи для усиления фундамента без необходимости полностью вскрывать или демонтировать старый фундамент. Инъекционная технология позволяет вводить дополнительные сваи под уже эксплуатируемое здание, минимизируя объем земляных работ вокруг него. Например, при надстройке этажей или замене оборудования на более тяжелое нагрузка на основание возрастает – в таких случаях выполняют усиление фундамента буроинъекционными сваями, размещая их под существующую конструкцию. Это снижает осадки и предотвращает аварийные деформации.
- Строительство в стесненных условиях городской застройки. В условиях плотной застройки, где невозможна работа тяжелой техники или рытье обширных котлованов, буроинъекционный метод обустройства фундамента является предпочтительным. Малогабаритные буровые установки способны выполнить сваи даже в подвальных помещениях или во дворах без повреждения соседних сооружений. Отсутствие ударных и вибрационных воздействий при устройстве таких свай позволяет работать рядом со старыми зданиями, памятниками архитектуры и подземными коммуникациями.
- Проблемные грунты и сложные ландшафты. На слабых, просадочных или водонасыщенных грунтах буроинъекционные микро-сваи часто оказываются оптимальным решением. Их можно устанавливать под разными углами (наклонно), что полезно при закреплении откосов, склонов, а также для стабилизации конструкций на оползнеопасных территориях. Кроме того, технология применима при высоком уровне грунтовых вод: в ряде случаев бетонный раствор можно инъецировать и в затопленные скважины (с применением обсадных труб или стабилизирующего раствора), что позволяет устраивать свайные основания даже на подтопляемых участках.
- Исправление аварийных ситуаций. Если здание дало неравномерную осадку или крен из-за просадок основания, усиление буроинъекционными сваями помогает остановить деформации и выровнять нагрузку. В существующий фундамент по периметру добавляют наклонные или вертикальные инъекционные сваи, которые берут на себя часть нагрузки и предотвращают дальнейшее развитие крена.
Таким образом, область применения буроинъекционных свай и технология устройства данной конструкции особенно востребованы при реконструкции и ремонте, а также на стройках с трудными грунтовыми условиями либо ограниченным пространством. Преимущество метода – минимальное вмешательство в грунт и существующие сооружения при высокой эффективности усиления.
Согласно типовой технологической карте на устройство буроинъекционных свай, данная технология рекомендована для усиления перегруженных оснований, повышения несущей способности фундаментов при увеличении нагрузок, строительства в условиях плотной застройки и т.д.
Технология устройства буроинъекционных свай
Рассмотрим, как образуются буроинъекционные сваи пошагово. Устройство инъекционных свай включает несколько этапов: бурение скважины, нагнетание раствора и установка арматуры. Ниже приведена типовая последовательность работ:
- Бурение скважины. С помощью малогабаритной буровой установки выполняется бурение отверстия заданного диаметра и глубины. Применяется шнековый бур (шнековая колонна) с полым сердечником. Скважина пробуривается до проектной отметки – при этом внутри шнека находится заглушка, предотвращающая засорение канала грунтом. В зависимости от грунтовых условий бурение может выполняться: без обсадки (в устойчивых сухих грунтах), под защитой обсадной трубы (в сыпучих или плывунных грунтах) либо с применением глинистого бурового раствора для поддержки стенок скважины. Максимальный диаметр при бурении без обсадки обычно не превышает ~180 мм. Если требуется большая свая или грунт слабый, используют временные обсадные трубы, которые затем извлекаются.
- Нагнетание бетона (инъекция). После достижения требуемой глубины начинается собственно формирование сваи. В буровую колонну (шнек) под высоким давлением подается цементный или цементно-песчаный раствор, и одновременно шнек постепенно извлекается из скважины. Происходит равномерное заполнение всего ствола бетонной смесью без образования пустот. В современных установках раствор нагнетается под давлением порядка 20–30 атм, благодаря чему происходит уплотнение смеси в грунте. Этот буроинъекционный метод устройства свай обеспечивает плотный контакт «свая-грунт» и высокую прочность бетона. Важно контролировать полный выход раствора на поверхность; при осадке смеси выполняют доливку, чтобы расчет буроинъекционных свай по сечению был обеспечен сплошным телом сваи. Состав инъекционного раствора, как правило, содержит высококачественный цемент (не ниже М400) с мелким песком (фракция <1 мм) и водой; подвижность смеси (конус П4) и водоотделение нормируются для гарантии заполнения без расслоения.
- Установка арматуры. Пока раствор не схватился, в заполненную скважину монтируется армирующий элемент. Обычно это стальной арматурный каркас (например, несколько стержней, объединенных в пространственную каркасную структуру). Каркас погружается с помощью вибратора на проектную глубину. Для мелких свай в некоторых случаях применяют одну централизованно установленную арматурину или стальную трубу в качестве арматуры – однако испытания буроинъекционных свай показали, что армирование желательно для любых диаметров и глубин (повышает надежность). После установки каркаса свая оставляется до полного набора прочности бетоном. Уже через 7 дней достигается 15 МПа, а марочная прочность (30 МПа и выше) – за 28 суток. Готовая свая становится монолитным железобетонным элементом, прочно сцепленным с грунтом.
Установка буроинъекционных свай выполняется с использованием специальной техники. Как правило, применяют мобильные буровые агрегаты системы CFA – с непрерывным полым шнеком (Continuous Flight Auger). Визуально такая буровая установка похожа на обычный ямобур с винтовыми лопастями, но внутри шнека имеется канал для подачи бетона. Преимущество современных установок – высокая скорость: например, фундамент среднего коттеджа из 20–30 микросвай можно выполнить за 1–2 дня. Отметим, что буроинъекционные сваи по техкарте требуют соблюдения технологии: важно не прерывать процесс бетонирования, следить за давлением нагнетания и своевременной установкой арматуры. Все операции и параметры заносятся в журнал работ, что затем входит в исполнительную документацию.
Виды буроинъекционных свай
Существует несколько вариантов технологии, отличающихся способом формирования скважины и подачи раствора:
- Без обсадной трубы: бурение и заполнение производятся в устойчивых грунтах без дополнительного укрепления стенок. Подача раствора может быть самотечной (для малых диаметров скважин) либо под давлением через инъекционную трубу сразу после бурения. Диаметр при этом ограничен 180 мм.
- С обсадной трубой: применяется в сложных грунтах (плывуны, сыпучие, высокообводненные) для предотвращения обрушения стенок скважины. В процессе бурения в землю погружается металлическая обсадная труба, внутрь которой затем нагнетается раствор. После формирования сваи трубу обычно извлекают, хотя в некоторых случаях она может оставаться как дополнительное армирование. Обсадка увеличивает себестоимость, но обеспечивает надежность и вертикальность сваи.
- «Винтонабивные» (бурошнековые) сваи: особый способ, когда предварительное бурение отдельным шнеком не требуется. Используется буровой снаряд с винтообразным наконечником, закрепленным на инъекционной трубе (штанге). На наружной поверхности этой трубы сразу закреплен арматурный каркас. При вращательном погружении винтового бура он раздвигает грунт, одновременно подается раствор и формируется свая, армированная по всей длине (каркас уходит в грунт вместе со шнеком). Такой подход ускоряет процесс, но требует специального оборудования.
- Сваи РИТ: отдельно можно отметить буроинъекционные сваи РИТ, изготавливаемые по разрядно-импульсной технологии (РИТ). Этот метод подразумевает, что после заливки бетонной смеси в скважину она подвергается обработке высоковольтными электрическими импульсами с помощью специального излучателя. Электрические разряды вызывают электрогидравлический эффект – локальные микровзрывы в толще бетона, за счет которых тело сваи расширяется в некоторых зонах (особенно в области пяты). В результате диаметр сформированного ствола сваи может увеличиться в 1,5–2 раза, окружающий грунт уплотняется и частично цементируется, а несущая способность резко возрастает. Сваи, выполненные по технологии РИТ, превосходят обычные по сопротивлению выдергиванию и горизонтальным нагрузкам. Разрядно-импульсный метод позволяет получить эффект, сходный с уширением основания сваи, без применения механических расширителей.
Расчет и контроль качества буроинъекционных свай
Проектирование фундамента на буроинъекционных сваях выполняется на основе геотехнических изысканий, с учетом свойств грунтов и нагрузок от сооружения. Чем отличаются буроинъекционные сваи от буронабивных в расчетном отношении? В первую очередь, меньшим сечением и несколько иной работой в грунте, поэтому для надежного определения несущей способности часто применяют полевые испытания и статическое зондирование грунтов. Расчет буроинъекционных свай на несущую способность можно проводить по классическим формулам как для стойких (опирающихся на прочный слой) или висячих свай, учитывая адгезию раствора с грунтом и сопротивление на конце. Однако точные параметры сцепления трудно определить теоретически, поэтому испытания буроинъекционных свай на контрольных участках – важная часть проекта. Согласно нормам, несущая способность должна подтверждаться результатами статического нагружения свай или статического зондирования грунта. Порядок статических испытаний регламентирован ГОСТ 5686-2012 («Грунты. Методы полевых испытаний сваями») – свая выдерживается под постепенно возрастающей вертикальной нагрузкой, измеряются ее осадки и по предельной деформации судят о допустимой нагрузке. Такие испытания проводятся для опытных свай еще на этапе проекта либо для выборочных рабочих свай уже при сооружении фундамента. Также возможно динамическое испытание (ударной нагрузкой) и контроль целостности ствола сваи акустическими методами. Все эти мероприятия позволяют убедиться, что буроинъекционные сваи приобрели требуемую прочность и сцепление с грунтом.
В процессе производства работ осуществляется геодезический и технологический контроль. Отклонения свай от проектного положения строго ограничены: например, согласно СП 50-102-2003 предельно допустимое отклонение оси буроинъекционной сваи от заданного наклона – не более ±2°, а отклонение по длине – не более ±30 см. Требования к бетонной смеси (подвижность не ниже П4, водоотделение ≤ 2%, плотность 2,0–2,3 г/см³) проверяются путем отбора проб и лабораторных испытаний. Каждая свая должна иметь паспорт (номер, фактическую длину, диаметр, дату бетонирования, состав смеси, ответственное лицо и т.д.). После завершения работ составляется исполнительная схема расположения свай, акты на скрытые работы, журналы бурения и бетонирования.
Отдельное внимание уделяется сметной документации. В федеральных сметных нормативах предусмотрены специальные расценки на буроинъекционные сваи. Например, в сборнике ГЭСН-2020 (раздел «Свайные работы») есть таблицы для устройства буроинъекционных свай в готовых скважинах, в том числе с использованием технологии РИТ. При подготовке сметы обычно применяют соответствующую расценку в смете на буроинъекционные сваи с учетом поправочных коэффициентов, зависящих от глубины, категории грунта, необходимости обсадки и т.п. Конкретные цены при этом определяются индивидуально на основе проекта.
Отличия буроинъекционных свай от буронабивных
Несмотря на схожесть названий, между классическими буронабивными и буроинъекционными сваями есть существенные различия по основным характеристикам:
- Диаметр и геометрия: буронабивные сваи обычно имеют значительно больший диаметр (500–1500 мм и более) и могут выполняться с уширением (башмаком) в основании. Буроинъекционные же – это малодиаметровые микросваи (100–300 мм), у которых расширение ствола не предусмотрено (кроме случаев применения РИТ).
- Технология бетонирования: при буронабивной технологии бетонная смесь заливается в скважину обычно самотеком или через бетоновод под собственным весом. В буроинъекционной технологии раствор нагнетается под давлением, что обеспечивает лучшее прилегание к грунту и уплотнение, но требует специального оборудования (насосов, полых шнеков).
- Грунтовые условия: буронабивные сваи чувствительны к состоянию стенок скважины – часто требуется обсадная труба или глинистый раствор, особенно в плывунах. Микросваи-инъекции чаще обходятся без обсадки в силу малого диаметра и быстрого бетонирования; к тому же их можно устраивать в более сложных грунтах, где обычную большую сваю сделать сложно (например, под существующим зданием).
- Назначение и применение: буронабивные сваи – основной способ устройства фундаментов новых сооружений, особенно массивных и тяжелых, когда нужна большая опорная способность на одну сваю. Чем отличаются буроинъекционные сваи от буронабивных по назначению – так это тем, что инъекционные чаще применяются именно для усиления и реконструкции, для устройства фундаментов легких и средних сооружений, в стесненных условиях. Ими можно дополнить или заменить часть существующего фундамента, тогда как буронабивные используются в основном в новом строительстве.
- Оборудование и трудозатраты: устройство буронабивных свай требует мощной техники (буровые установки большой мощности, краны для армокаркасов и бетоновозы). Буроинъекционные микросваи монтируются малогабаритными буровыми установками, которые легче мобилизуются на площадке. Объем земляных работ у последних ниже (нет большого бурового шлама, диаметр малый). В результате буроинъекционный метод зачастую оказывается экономичнее при небольших нагрузках и реконструкциях, хотя при крупных масштабах (сотни свай под высотку) большой диаметр буронабивных свай может быть выгоднее из-за меньшего количества элементов.
Резюмируя, буроинъекционные сваи можно рассматривать как специальный частный случай набивных свай, оптимизированный для особых условий – ограниченного пространства, слабых грунтов и работ по усилению существующих конструкций. В то время как буронабивные сваи остаются основным выбором для массовых работ на свободных площадках, буроинъекционные сваи незаменимы там, где крупногабаритные методы неприменимы.
Современные методы усиления грунтов: грунтоцементные сваи и инъекционное закрепление
Технология буроинъекционных свай родственно связана с общими методами инъекции и укрепления грунтов. Помимо собственно формирования свайных элементов, существует подход струйной цементации, когда укрепляется целый массив грунта под основанием. Геотехническая компания «ГеоБилдинг» предлагает услуги по закреплению грунтов методом струйной цементации (Jet Grouting), а также инъекционному закреплению грунтов (Deep Injection) – эти технологии позволяют эффективно упрочнять грунт там, где применение отдельных свай затруднительно или требуется сплошное усиление основания.
Струйная цементация (Jet Grouting) – это метод устройства грунтоцементных свай большого диаметра путем размыва и одновременного перемешивания грунта с цементным раствором. В заранее пробуренную скважину опускается специальный монитор с соплами; затем подается сверхвысокое давление – струя цементного раствора 400–500 атм вырывается из сопел и разрушает окружающий грунт, смешивая его с цементом. При обратном подъеме монитора формируется цилиндрический столб – jet-свая (иногда их называют «струйно-инъекционные сваи») диаметром от 0,5 до 1,5 м. После твердения получается монолит из грунтоцемента с высокими прочностными характеристиками. Технология Jet Grouting особенно эффективна для сплошного укрепления основания под большими зданиями, создания противофильтрационных завес, укрепления котлованов и склонов, а также при ликвидации пустот в карстовых грунтах. В отличие от буроинъекционных свай, которые являются отдельными элементами, струйная цементация создает колонны в грунте, фактически превращая слабый грунт в прочный искусственный массив.
Глубинное инъектирование грунта (Deep Injection) – другой метод, ориентированный на заполнение пустот и пор в теле грунта без разрушения его структуры. По перфорированным трубкам-инъекторам в толщу грунта нагнетается закрепляющий раствор под давлением до 20 атм. Раствор (цементный, силикатный или полимерный) проникает в трещины, поры и пустоты, склеивая частицы грунта, уплотняя его и значительно повышая несущую способность основания. Важное отличие от струйной технологии – отсутствует размыв грунта; структура массива сохраняется, усиление происходит локально в местах инъекции. Инъекционное закрепление грунтов эффективно для стабилизации просадочных грунтов, фиксации насыпей, заполнения пустот под плитами и фундаментами. В зависимости от грунтов применяют различные составы: цементный раствор (цементация) для песков, жидкое стекло (силикатизация) для лессовых грунтов, органические смолы (смолизация) для мелкопористых пород. Эти методы позволяют укрепить основание без устройства свай, что бывает необходимо, когда нужно сохранить целостность ландшафта или конструкции.
Следует подчеркнуть, что буро-инъекционные сваи и описанные методы Jet Grouting и Deep Injection не взаимно исключают, а дополняют друг друга. В комплексе мер по усилению фундамента возможно сочетание: сначала инъекционно упрочнить грунт, затем выполнить свайное поле из микросвай. Специалисты компании «ГеоБилдинг» проводят полный цикл таких работ – от проектирования до контроля качества, а также помогут вам подобрать метод укрепления и подготовят геотехническое обоснование. Правильный выбор технологии обеспечит надежность и долговечность сооружений на проблемных основаниях.
