Буроинъекционные сваи: устройство, виды и технология применения

Технология устройства буроинъекционных свай широко применяется при возведении фундаментов гражданских и промышленных зданий. Суть метода заключается в бурении скважины с последующей подачей бетонной смеси под давлением. Раствор закачивается через полый шнек, после чего в свежий бетон погружается арматурный каркас на проектную глубину. Такие железобетонные конструкции обычно имеют диаметр от 12 до 30 сантиметров и могут заглубляться до 20 метров.

Устройство буроинъекционных свай (БИС)

На схеме показан процесс формирования буроинъекционной сваи.

Для изготовления свай используется густой бетон высоких марок, начиная от М400. Водоцементное соотношение строго контролируется и составляет 40–70% от объема цемента. Ключевые требования к прочности: не менее 15 МПа через 7 суток и 30 МПа и более через 28 суток стандартного твердения. Армирование выполняется объемными каркасами или отдельными стержнями. В особо ответственных случаях или в сложных грунтах могут применяться металлические трубы или комбинированные конструкции. Выбор типа армирования осуществляется на основе расчетов согласно нормативным документам, таким как СНиП 2.02.03-1985.

Бетонную смесь можно готовить непосредственно на строительной площадке или доставлять с завода. В последнем случае критически важно соблюдать временной лимит транспортировки — не более 15 минут, чтобы смесь не начала схватываться. В процессе устройства сваи оператор тщательно контролирует скорость вращения шнека и режим заглубления обсадной колонны. Это необходимо для предотвращения выборки избыточного объема грунта, что ведет к перерасходу бетона и может вызвать ошибки при установке арматуры. Арматурный каркас устанавливают либо сразу после извлечения бура, либо погружают непосредственно в свежеуложенную бетонную смесь.

Разновидности буроинъекционных свай

Основное отличие между видами БИС заключается в технологии заполнения скважины бетоном и способе обеспечения устойчивости ее стенок. Выбор конкретного метода зависит от инженерно-геологических условий (типа и состояния грунтов) и параметров возводимого сооружения.

Выделяют три основных типа буроинъекционных свай по способу устройства:

• Скважины, сооружаемые без обсадных труб.
• Сваи с установкой временной металлической обсадки.
• Винтонабивные сваи.

Первый метод применяется в устойчивых, маловлажных грунтах. Процесс совмещает выемку грунта шнеком и одновременную подачу бетона в забой. Диаметры бурового инструмента и бетоновода подбираются в соответствии с проектными размерами сваи. Использование обсадных труб необходимо в водонасыщенных, оплывающих или сыпучих грунтах. Этот способ повышает надежность конструкции и позволяет экономить бетонную смесь, предотвращая ее растекание. По характеру работы в грунте буроинъекционные сваи делятся на висячие (передающие нагрузку за счет бокового трения) и сваи-стойки, которые опираются на прочный, несжимаемый пласт.

Технология непрерывного полого шнека (НПШ)

Метод устройства опор с помощью непрерывного полого шнека (CFA), широко распространенный за рубежом, активно внедряется и в российскую практику. Буровая колонна собирается из пустотелых шнековых секций и погружается в грунт до проектной отметки. Выбранный грунт транспортируется на поверхность по спирали шнека. Освободившийся объем немедленно заполняется бетоном, который подается под давлением через полость шнека.

Главные преимущества технологии НПШ:

• Высокая производительность, которая может в 5–10 раз превышать скорость работ с обсадными трубами.
• Уплотнение грунта вокруг ствола сваи за счет давления инъекции бетона, что повышает несущую способность конструкции.
• Сокращение сроков работ и снижение уровня шума и вибраций, что особенно важно в условиях городской застройки.
• Отсутствие необходимости в вывозе большого количества извлеченного грунта.

Технология с обсадной трубой

На изображении показан процесс устройства буронабивной сваи с использованием обсадной трубы.

Суть обсадной технологии заключается в применении многоразовых труб, которые опускаются в скважину по мере ее углубления и извлекаются после бетонирования участка. Секции труб соединяются с помощью специальных замков или сварки.

Бурение может осуществляться различными способами: вращательным, ударным, вибрационным или их комбинацией. Для этого используются буровые станки, вращатели и домкратные установки. После достижения проектной глубины ствол скважины очищают, затем опускают арматурный каркас. Бетонирование ведется непрерывно с одновременным уплотнением смеси вибраторами для удаления воздушных пустот.

Последовательность операций (армирование и бетонирование) может варьироваться в зависимости от выбранной проектировщиками схемы. Обсадная технология незаменима в стесненных условиях городской застройки, при работе вблизи существующих фундаментов, в слабых водонасыщенных грунтах, а также при устройстве свай под водой.

Винтонабивные сваи

Технология винтонабивных свай принципиально отличается тем, что не требует предварительного бурения скважины. На конец обсадной трубы устанавливается литой наконечник с лопастями. Погружение осуществляется путем завинчивания всей конструкции в грунт, что роднит этот метод с устройством традиционных винтовых свай. Арматурные каркасы соединяются сваркой или вязаной проволокой.

Ключевые преимущества винтонабивных свай:

• Экономичность за счет снижения затрат на материалы и трудозатрат.
• Высокая скорость монтажа фундамента.
• Возможность применения малогабаритной техники и даже ручного монтажа для легких построек.
• Отсутствие необходимости в выемке и вывозе грунта.

Этот тип свай часто выбирают для частного домостроения. Лопасти могут размещаться не только на наконечнике, но и по длине трубы для увеличения несущей способности в рыхлых грунтах. Недостатками метода являются подверженность металлической обсадки коррозии и сложности с завинчиванием в плотных или скальных грунтах.

Преимущества буроинъекционных свай

БИС обладают высокой адаптивностью: их глубина и диаметр определяются расчетом в зависимости от нагрузок и геологических условий. Технология без обсадки позволяет существенно экономить на материалах и применяется в водонасыщенных грунтах. В сухих же грунтах она может быть менее эффективна из-за быстрой потери влаги бетоном и сложностей с установкой арматуры.

Совмещение процессов выемки грунта и нагнетания бетона (метод НПШ) предотвращает осыпание стенок скважины, что делает технологию безопасной для применения в непосредственной близости от существующих фундаментов и подземных коммуникаций.

Важно отметить, что технология БИС используется не только для нового строительства, но и для реконструкции — например, для выправления крена или остановки осадки уже эксплуатируемых зданий.

Оборудование для устройства БИС

На фото представлена универсальная буровая установка.

Устройство буроинъекционных свай требует применения специализированной техники. Хотя для небольших объектов (например, загородных домов) в простых условиях иногда используют малогабаритные установки, в основном работы ведутся мощным профессиональным оборудованием.

Существует несколько типов установок:

• Навесное оборудование с бетононасосом, монтируемое на шасси грузовых автомобилей.
• Самоходные мобильные буровые установки (МБУ) на колесном или гусеничном ходу. Для городского строительства чаще выбирают колесные варианты из-за их мобильности.

Базовая буровая колонна включает в себя следующие ключевые элементы:

• Шнековый бур или буровой инструмент.
• Вращатель (ротор), создающий крутящий момент.
• Вертлюг для подачи бетонной смеси.
• Силовая мачта, направляющая колонну.
• Гидравлическая система подъема и подачи.

По типу работы установки делятся на поворотные (способные бурить несколько свай с одной точки) и неповоротные, требующие перемещения после устройства каждой сваи.

Технология выполнения работ

На схеме показаны этапы технологии бурения по методу НПШ.

Процесс бурения создает дополнительные нагрузки на грунтовый массив. Поэтому существуют ограничения на одновременное устройство близко расположенных свай. Если расстояние между сваями меньше нормативного, следующую скважину можно бурить только после набора прочности бетоном в соседней.

Особое внимание уделяется проходке грунтов с включениями (галька, валуны). Такие слои могут вызвать отклонение бура от вертикали или поломку инструмента. В подобных случаях может потребоваться смена технологии или применение специального бурового инструмента.

Бетононасос создает давление до 25–30 атмосфер. Инъекция продолжается до момента, когда бетонная смесь начнет выходить из устья скважины. Объем подаваемого бетона обычно превышает расчетный объем скважины на 50–150% для обеспечения полного заполнения и создания распора. Если расход смеси аномально высок, подачу приостанавливают для схватывания и проводят контрольную опрессовку. Такая ситуация характерна для очень слабых грунтов или при работе без обсадки.

Усиление фундаментов буроинъекционными сваями

На иллюстрации показана принципиальная схема усиления существующего фундамента с помощью БИС.

Усиление оснований аварийных или реконструируемых зданий с помощью инъекционных свай — одна из ключевых областей их применения. Необходимость в этом возникает при появлении трещин от неравномерной осадки, при надстройке этажей или значительном увеличении нагрузок на перекрытия.

Основные этапы работ по усилению:

1. Обследование и проектирование: изучение объекта, расчет новых нагрузок, определение необходимого количества, диаметра и глубины свай.
2. Подготовка: организация рабочей зоны, доставка и монтаж буровой техники.
3. Устройство аварийного ростверка: часто по периметру существующего фундамента монтируется временная металлическая или железобетонная балка (ростверк) для перераспределения нагрузок в процессе работ.
4. Основные работы: бурение скважин, их заполнение бетоном с армированием и обязательным уплотнением (опрессовкой).
5. Завершение: выравнивание территории, восстановление отмосток и благоустройство.

Эти работы должны выполняться исключительно квалифицированными специалистами, так как ошибки могут привести к дополнительным повреждениям конструкции.

Рекомендации по применению и выбору технологии

Буроинъекционные сваи являются оптимальным решением в ситуациях, где применение забивных свай невозможно или нежелательно (например, из-за динамических воздействий на окружающую застройку). Однако в некоторых грунтах при бурении может происходить их разуплотнение, что требует повышенного расхода бетона.

Основные сферы применения БИС:

• Усиление существующих фундаментов, стен котлованов и подпорных сооружений.
• Возведение фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях (слабые, водонасыщенные, просадочные грунты).
• Строительство в условиях плотной городской застройки с ограничениями по шуму и вибрациям.
• Устранение кренов и просадок эксплуатируемых зданий.

Расчет сваи должен учитывать все виды действующих нагрузок: не только сжатие, но и возможное растяжение, сдвиг или кручение. В таких случаях требуется непрерывное армирование по всей длине ствола. Обязательным этапом перед проектированием являются инженерно-геологические изыскания, которые выявляют агрессивность грунтовых вод к бетону и определяют коррозионную активность среды.