Геннадий Бадьин
Современные технологии строительства и реконструкции зданий
Глава 2. Современное строительство дорог, работы нулевого цикла
Возведение зданий и сооружений в общем случае состоит из нескольких циклов, каждый из которых включает определенный комплекс строительных работ. Выполнение этих работ осуществляется в определенной технологической последовательности: подготовительные работы; устройство нулевого цикла (подземной части здания); возведение надземной части; отделочные работы; благоустройство территории.
Свайные работы – важнейшие работы нулевого цикла. Технология свайных работ определяется конструктивными особенностями свайного фундамента и выбранными для производства работ методами, механизмами и оборудованием.
Надежность работы зданий обеспечивается совместной работой системы «основание, фундамент – подземные конструкции». Дефекты в работе сооружений – следствие полного или частичного нарушения надежного взаимодействия элементов этой системы.
При реконструкции фундаментов и конструкций отсутствует возможность применения типовых схем усиления. Схемы усиления должны применяться в каждом конкретном случае в зависимости от нагрузок на фундаменты, конструктивных особенностей здания (наличие подвала и других подземных сооружений), инженерно-геологических и гидрогеологических условий и др.
При этом применяемые методы усиления оснований и фундаментов должны обеспечивать их совместную работу с существующими фундаментами.
Строительство дорог в нашей стране требует повышенных мер по предотвращению износа и укреплению дорожного полотна. Климатические, геологические трудности, значительные нагрузки могут очень быстро нанести повреждения поверхности, и внедрение в строительство дорог новых технологий укрепления полотна – наиболее верный путь развития отрасли. Инновационные технологии укрепления грунтов и строительство асфальтобетонных покрытий сегодня все шире входят в практику транспортного и гражданского строительства. Укрепление слабых оснований земляного полотна, усиление дорожной одежды, возведение насыпей с откосами повышенной крутизны (укрепление насыпей), строительство армогрунтовых подпорных стен, укрепление асфальтобетонных покрытий – все эти задачи легко решаются при помощи современных армирующих материалов.
Новые способы устройства дорожного покрытия
Щебеночно-мастичный асфальтобетон
Применение щебеночно-мастичного асфальтобетона (ЩМА) является прогрессивным методом восстановления асфальтобетонного покрытия, придуманного в Германии (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Устройство дорог из нового щебеночно-мастичного асфальтобетона
Основное его отличие от обычных асфальтобетонов заключается в жесткой каркасной структуре, которая обеспечивает передачу нагрузки с поверхности в нижележащие слои при устройстве верхних слоев дорожных покрытий. Зарубежные стандарты предусматривают более 10 марок горячих смесей ЩМА – в зависимости от максимальной крупности применяемого щебня, которые приготавливаются на основе щебня крупностью до 10, 15 и 20 мм. Данные смеси предназначены для устройства верхних слоев покрытия толщиной от 3 до 6 см.
Транспортирование смесей ЩМА к месту укладки осуществляется большегрузными автосамосвалами, оборудованными тентами для предотвращения остывания смесей. Термоизоляции смеси придается важное значение, так как ее температура в момент выгрузки в бункер асфальтоукладчика должна быть не ниже 150 °С.
Подготовительные работы перед укладкой верхнего слоя покрытия состоят из набора операций: выравнивания, очистки и подгрунтовки поверхности нижележащего слоя. Особое внимание уделяется обеспечению сцепления между слоями. В связи с повышенным содержанием битума в ЩМА перерасход битума в связующем слое недопустим. Битумная эмульсия наносится на подготовленную поверхность нижнего слоя покрытия автогудронатором с нормой расхода 0,2–0,3 л/м2. При нанесении эмульсии на отфрезерованную поверхность ее норма увеличивалась в 1,5 раза.
Технология укладки и уплотнения смесей из щебеночно-мастичного асфальто-бетона выполняется стандартным оборудованием – асфальтоукладчиками и катками, но вместе с тем имеет свои специфические особенности. Укладка верхнего слоя покрытия из ЩМА на автодороге осуществляется сразу на всю ширину (13,6 м).
Предварительное уплотнение осуществляется трамбующим брусом с частотой 800—1000 ударов/мин и амплитудой 4 мм. После прохода асфальтоукладчика поверхность покрытия имеет требуемую фактуру с равномерно распределенным каменным материалом без раковин, трещин, разрывов сплошности и других дефектов.
Затем уплотнение ЩМА осуществляется гладковальцовыми катками массой 9—11 т в статическом режиме работы.
Во избежание раздавливания крупных зерен каменного материала использование вибрации на катках недопустимо. Также из-за высокого содержания вяжущего для уплотнения покрытия из ЩМА нельзя использовать катки на пневмошинах. Уплотнение верхнего слоя ЩМА толщиной 5 см производится отрядом из 6 катков – по два каждым асфальтоукладчиком. Каждый из катков совершает по шесть проходов по одному следу на скорости 5–6 км/час. Учитывая ускоренное остывание слоя ЩМА, уплотнение осуществляется при наибольшей температуре смеси, при максимально возможном в процессе укатки приближении катков к асфальтоукладчикам короткими захватками по 50–60 м. В связи с тем, что смеси ЩМА более липкие, чем обычные смеси из плотного асфальтобетона по ГОСТ 9128-97, необходимо обеспечить хорошее орошение вальцов катков водой. Применение щебеночно-мастичного асфальтобетона является прогрессивным методом ремонта асфальтобетонного покрытия дорог. Зарубежные стандарты предусматривают более 10 марок горячих смесей ЩМА – в зависимости от максимальной крупности применяемого щебня.
Применение модифицированных битумов в дорожном строительстве
Асфальтобетонное покрытие должно обеспечивать максимальное сопротивление усталостным разрушениям, обладать устойчивостью к воздействию суточных и сезонных температурных циклов. Одним из перспективных направлений, позволяющих решить данную задачу, является применение битумов, модифицированных полимерами (рис. 2.2).
Практика эксплуатации автомобильных дорог показывает, что одним из многочисленных факторов, влияющих на снижение долговечности асфальтобетонных покрытий, является применение в асфальтобетонных смесях битума низкого качества. Полимерно-битумное вяжущее (ПБВ) на основе термоэластопластов является качественно новым материалом, позволяющим повысить срок службы дорожного покрытия. По сравнению с нефтяными дорожными битумами полимерно-битумные вяжущие обладают новым комплексом свойств, существенно отличающихся от свойств исходных битумов: эластичностью, трещиностойкостью, широким интервалом пластичности (ИП), повышением прочности при растяжении. Поэтому для приготовления ПБВ (рис. 2.3) следует использовать менее вязкие битумы. Можно искусственно уменьшить вязкость битума и ввести дополнительно ароматические соединения, компаундируя битум с различными разжижителями (гудроном, индустриальным маслом).
Рис. 2.2. Асфальтобетонное покрытие с модифицированным битумом (США, Скандинавия)
Рис. 2.3. Установка для получения модифицированного битума
Устройство асфальтобетонных покрытий методом высокотемпературной запрессовки
Проблема повышения устойчивости асфальтобетонных покрытий к образованию трещин, колеи, коррозии и износа может быть успешно реализована только при совместном решении конструкторских, материаловедческих и технологических задач.
Теория и практика показывают, что при строительстве и реконструкции автомобильных дорог верхний несущий слой основания необходимо устраивать с применением эластичных материалов, обладающих высокой прочностью на изгиб и сравнительно небольшим модулем упругости. Указанным требованиям отвечает крупнозернистый литой асфальтобетон, полученный методом вибролитья, – тип III по ТУ.
Рис. 2.4. Асфальтобетонное покрытие методом высокотемпературной запрессовки
Этот конгломерат (рис. 2.4) за счет высокой гибкости имеет прочность на изгиб при 0 °С примерно в 1,5 раза выше и модуль упругости на этот же порядок ниже, чем любой известный асфальтобетон. Он же обладает и наиболее высокими усталостными характеристиками.
Смесь укладывают по уплотненному щебеночному основанию, как правило, толщиной не более 10–12 см и уплотняют вибробрусом, а при его отсутствии на укладчике – средним катком за 5–6 проходов по одному следу.
В результате формируется прочный эластичный, плотный и водонепроницаемый несущий слой, после выравнивания и перекрытия которого одно– или двухслойным покрытием дорога готова к интенсивной эксплуатации.
Большим преимуществом такой конструкции является ее низкая материалоемкость, долговечность и, как следствие, высокая экономичность.
Для капитального ремонта высококатегорийных городских дорог можно рекомендовать еще менее затратный метод – применение комбинированного покрытия общей толщиной 8–9 см, состоящего из литого и высокощебенистого асфальтобетонов.
Технология не требует применения особых техники и исходных материалов и характеризуется использованием двух асфальтобетонных смесей с очень высокой температурой, а также уплотняющих органов асфальтоукладчика, обеспечивающих виброуплотнение, и катков для запрессовки одной смеси в другую. Зарубежных аналогов таким покрытиям пока нет.
Смеси, разные по структуре, свойствам и назначению, запрессовывают друг в друга в один асфальтобетонный слой в процессе устройства. В нижний слой покрытия укладывают вибролитую смесь (II тип по ТУ), сверху – высокощебенистую смесь. В результате получают экономичное, прочное, ровное, шероховатое плотное дорожное покрытие, устойчивое к колее и трещинам, рассчитанное на самые тяжелые условия движения и имеющее большой срок службы.
Приготовление литой асфальтобетонной смеси из новых материалов в термосе-миксере обходится дороже, чем в заводской смесительной установке, на 15–20 %.
Вибролитьевые и литьевые технологии строительства и ремонта асфальтобетонных покрытий открывают новые широкие возможности повышения транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог. В асфальтовом покрытии в качестве вяжущего материала смеси используется битум, в бетонном – цемент. В некоторых вариантах может применяться композитный материал, когда на бетон кладут асфальт, обеспечивая таким образом качественный нижний слой на многие десятилетия, и меняют каждые лет пять-семь верхний асфальтобетонный, что позволяет создать долговечную и прочную дорогу.
Цементобетонное покрытие дорог
Покрытия из цементобетона устраивают на дорогах I, II и III категорий при большой интенсивности движения (более 3000 автомобилей в сутки). Преимуществами цементобетонных покрытий являются высокая прочность, ровность и в то же время достаточная шероховатость, обеспечивающая хорошее сцепление автомобильных шин с поверхностью дороги.
Цементобетонные покрытия находят все большее применение ввиду своей экономичности и простоты эксплуатации. Производство работ по устройству цементо-бетонных покрытий почти полностью механизировано.
Цементобетонное покрытие представляет собой плиту из бетона, уложенную на прочное и устойчивое основание. В качестве оснований под бетонные покрытия применяют слои грунта, укрепленные вяжущими, крупнозернистый или среднезернистый песок, щебень, гравий или гравийно-песчаную смесь.
Для предохранения плиты от образования трещин при температурных изменениях устраивают температурные швы. Швы расширения (поперечные), обеспечивающие удлинение плиты, имеют зазор 2,5–3 см и устраиваются через 20–80 м.
Фактически наши дороги требуют ремонта уже через три года после ввода в эксплуатацию, а затем – ежегодно так называемый ямочный ремонт. А на Западе дороги без ремонта работают десятилетиями!
По статистике, бетонное покрытие, показанное на рис. 2.5, дороже асфальтового в 1,5–2 раза, т. е. примерно на 70–80 %. Асфальтовое требует ухода и ремонта уже через 3–4 года после ввода дороги в эксплуатацию (на примере МКАД и КАД СПб): заливки трещин, засыпки ям и т. п. Бетонное покрытие первые 10–12 лет эксплуатации практически ничего не требует.
Рис. 2.5. Цементобетонные покрытия
На территории России главным образом строят асфальтовые дороги, а на Западе – бетонные. Бетонные дороги служат 50 лет. По статистике, их в США – 60 %, в Германии – 38 %, в Австрии – 46 %, в то время как в России – всего 3 %. Примечательно, что вытеснение строительства бетонных дорог в нашей стране происходило из-за дефицита требуемых марок цемента, малой производительности работ и высокой стоимости.
Современные методы прокладки инженерных сетей
Бестраншейные технологии подземного строительства
Бестраншейные технологии представляют собой вариант выполнения работ по подземному строительству без вскрытия грунта. При использовании бестраншейных технологий более 90 % всех работ проводится под землей, что исключает:
♦ необходимость восстановления дорожного покрытия;
♦ нарушение существующих коммуникаций;
♦ перекрытие транспортных магистралей;
♦ нарушение привычного ритма жизни города;
♦ уничтожение зеленых насаждений;
♦ снос элементов благоустройства;
♦ нарушение земляного покрытия и т. д.
Бестраншейные технологии являются экономически более выгодными (в 2,5–3 раза) по сравнению с традиционным методом, это объясняется экономией средств, которые при открытом способе прокладки коммуникаций шли на обустройство траншей, восстановление вскрытых дорог и т. д. Кроме того, бестраншейные методы прокладки коммуникаций сокращают время производства работ и количество рабочего персонала, значительно повышают уровень безопасности работ (отсутствие траншей и механизмов на трассе прокладки), а также не наносят ущерба окружающей среде.
Можно выделить три традиционных метода бестраншейной прокладки трубопроводов: продавливание, горизонтальное бурение и прокалывание. При продавливании прокладываемая труба вдавливается в грунт открытым концом, снабженным ножевым устройством. Поступающий в полость трубы грунт разрабатывается и удаляется из забоя вручную или механизированным способом.
В настоящее время появляются новые технологии бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола. Существуют установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с реверсивным ходом собранного из штанг штока. В данной установке используется принцип постепенного расширения прокалываемого канала путем последовательного увеличения диаметра оконечных конусов (при каждом следующем проходе канала). Главное преимущество данной технологии: не требуется единовременное создание значительного толкающего усилия. Теоретически, именно благодаря пошаговому увеличению сечения канала в грунте с помощью весьма малогабаритной и мобильной установки можно подготовить канал для труб довольно больших диаметров.
Подземная прокладка коммуникаций
Этап I
Горизонтально направленное бурение (рис. 2.6) осуществляется с помощью породоразрушающего инструмента – буровой головки со скосом в передней части со встроенным излучателем. Контроль за местоположением буровой головки производится с помощью приемного устройства локатора, который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в корпус буровой головки передатчика. На мониторе локатора отображается визуальная информация о местоположении, уклоне, азимуте буровой головки. Также эта информация отображается на дисплее оператора буровой головки. Эти данные являются определяющими для контроля соответствия траектории строящегося трубопровода проектной и минимизируют риски излома рабочей нити.
Рис. 2.6. Строительство пилотной скважины
Этап II
Расширение (рис. 2.7) осуществляется после завершения пилотного бурения. При этом буровая головка отсоединяется от буровых штанг и вместо нее присоединяется расширитель обратного действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением расширитель протягивается через створ скважины в направлении буровой установки, расширяя пилотную скважину до необходимого для протаскивания трубопровода диаметра. Для обеспечения беспрепятственного протягивания трубопровода через расширенную скважину ее диаметр должен на 20–30 % превышать диаметр трубопровода.
Рис. 2.7. Предварительное расширение
Этап III
На противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая к протягиванию плеть трубопровода (рис. 2.8). К переднему концу плети крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие шарниром (вертлюгом) и расширителем. Шарнир позволяет вращаться буровой колонне и расширителю и в то же время не передает вращательное движение на затягиваемый трубопровод. Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть трубопровода до проектных отметок.
Рис. 2.8. Протягивание трубопровода
Бестраншейные методы в России
Бестраншейные методы восстановления и прокладки новых подземных коммуникаций используются в наши дни все чаще.
Основные бестраншейные методы, которые получили наибольшее распространение в России за последнее десятилетие, следующие:
♦ горизонтальное направленное бурение;
♦ продавливание и микротоннелирование;
♦ управляемый прокол;
♦ безлюдная инспекция внутренней поверхности трубопроводов с помощью телекамер;
♦ восстановление трубопроводов методами CIPP и Sliplining;
♦ местный ремонт трубопроводов с помощью робототехники, включая установку бандажей;
♦ перекладка трубопроводов методом «взламывания» (технология Pipe Bursting);
♦ безлюдная очистка и зачистка трубопроводов путем нанесения на их внутренние поверхности покрытия из специальных растворов.
Для экономичного использования технологии бестраншейной прокладки трубопроводов решающее значение имеет детальное изучение свойств и состава грунта. Геофизические исследования позволяют провести послойное вертикальное или горизонтальное изучение грунтов на предмет выявления «препятствий», таких как трубопроводы, трубы, шахты и т. д.
Глава 3. Методы устройства свай и фундаментов
Устройство фундаментов методом вибропогружения
Для погружения свай используют вибропогружатели низкочастотные с частотой примерно 800 колебаний в минуту, но с большой амплитудой колебаний. Для погружения стальных свай и шпунта применяют высокочастотные вибропогружатели, совершающие более 1000 колебаний в минуту. Вибрационное извлечение шпунта происходит при скорости примерно 3 м/мин в песчаных и 1 м/мин в глинистых грунтах.
Рис. 3.1. Шпунтовое ограждение
Шпунтовое ограждение – это сплошная шпунтовая стенка (рис. 3.1), образованная стальными сваями (шпунт типа «Ларсен», плоский шпунт, Z-образный профиль) методом вибропогружения, забивки или вдавливания. Шпунтовое ограждение служит водонепроницаемой преградой и удерживает грунт от обрушения при возведении конструкций.
Ударный метод погружения шпунтовых свай (Junttan PM25) применяется в различных грунтах, но существуют ограничения при работе в условиях плотной городской застройки.
«Стена в грунте»
«Стена в грунте» – сплошное бетонное ограждение по периметру котлована, исключающее доступ грунтовых вод и сползание в котлован окружающих зданий.
Гидравлическая фреза способна разрабатывать все типы мягких и твердых грунтов, при этом обеспечивается высокая геометрическая точность до 1 см в плане, а поверхность «стены в грунте» после откопки котлована остается довольно ровной и готовой под облицовку.
Комплекс гидрофрезерного оборудования позволяет выполнять «стену в грунте» из монолитного железобетона глубиной до 35 м, шириной 0,6–0,8 м.
Технология «стена в грунте» надежно зарекомендовала себя при строительстве подземных сооружений (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Шпунтовое ограждение
Технология «полого шнека» (CFA)
Метод «полого шнека» (CFA) диаметром 600/450 мм глубиной до 28 м.
Буронабивные сваи технологии «полого шнека» (рис. 3.3) получили очень широкое распространение в связи с их высокой несущей способностью, технологичностью и надежностью. Метод незаменим на площадках с неравномерным напластованием грунтов с песчаными или глинистыми прослоями.
Рис. 3.3. Метод «полого шнека»
По технологии CFA сваи изготавливаются с помощью единого проходного шнека. После погружения шнековой колонны на проектную глубину по внутренней трубе шнека бетононасосом подается бетон при одновременном извлечении шнековой колонны из скважины. После заполнения скважины бетоном, при помощи вибратора, погружают пространственный каркас, определенный проектом.
Технология «непрерывного шнека» (CFA) для сооружения свайных фундаментов
Буровая установка «Casagrande CFA 425» предназначена для устройства буронабивных свай диаметром 450/550 мм и глубиной до 28 м (рис. 3.4).
Свайные фундаменты, сооруженные по технологии «непрерывного шнека», совмещают в себе преимущества забивных и буронабивных свай без извлечения грунта. Этот способ бурения позволяет выполнять работы в различных грунтах сухих и болотистых, рыхлых и плотных, а также проходить через мягкие горные породы.
Рис. 3.4. Погружение армокаркаса производится при помощи буровой установки
При бурении скважин практически отсутствует шум, удары, колебания, вибрация – этот факт позволяет применять метод CFA для строительства в стесненных городских условиях.
Комплекс работ по устройству буронабивных свай при создании свайных фундаментов включает в себя подготовительные работы, работы по бурению скважин, заполнению бетонной смесью скважин, установке арматурных каркасов, уход за уложенным бетоном и контроль качества работ.
Когда шнек достигает заданной глубины, производится подача бетона при помощи бетононасоса. Давление, создаваемое бетононасосом при прохождении бетона через полую часть шнека, выдавливает специальную заглушку, и бетон попадает внутрь скважины, при этом шнек поднимается, с вращением или без, освобождая пространство в скважине. Плотность заполнения скважины контролируется с помощью специального прибора, отображающего на дисплее форму сваи в графическом виде, или с помощью манометра, по которому контролируется давление бетона.
