О морозном пучении грунтов
На большей части территории России грунт промерзает в течение трех – девяти месяцев в году. В пределах глубины сезонного промерзания (оттаивания) грунт попеременно находится в талом и мерзлом состоянии.
Вода, превращаясь в лёд, увеличивается в объеме на 9%, что порождает явление морозного пучения грунтов. Это явление приводит к неравномерной деформации фундаментов объектов, которые стоят на влагоёмких глинистых грунтах, и в местах с близким залеганием грунтовых вод.
Грунт, окружающий фундамент, смерзается с ним в нижней и боковых частях, увеличивается в объеме, и фундамент под внешними стенами поднимается. Летняя осадка фундамента не компенсирует возникшую деформацию пучения, и год за годом деформация фундамента усиливается, приводя к трещинам в фундаменте и в стенах, и в конечном итоге к разрушению здания.
Особенно значительно морозное пучение проявляется в условиях вечной мерзлоты, с чем столкнулись строители в процессе освоения нефтяниками и газовиками районов Крайнего Севера. Силы морозного пучения могут привести к разрушению трубопроводов, опор линий электропередач и других инженерных объектов.
СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» описывает основной вариант фундамента для вечной мерзлоты - свайные металлические конструкции и мероприятия по устранению вредного воздействия сил морозного пучения.
По соотношению затрат и результата наиболее эффективным противопучинным решением стало применение стальных анкерных свай с полимерным покрытием. Полимер снижает смерзание металлической сваи и грунта в его верхнем (пучинистом) слое, в период оттаивания – способствует обратному движению грунта за счет скольжения. Устойчивость покрытия к абразивному воздействию грунтов при сезонном промерзании – оттаивании обеспечивает долгосрочный эффект.
Противопучинные сваи ВНИИГАЗ-NKK – прообраз свай СМОТ
В середине 90-х годов для уменьшения влияния сил морозного пучения грунтов на опоры надземных трубопроводов институт ПАО «Газпром» - ВНИИГАЗ совместно с японской компанией NKK разработали и апробировали на полигоне в г. Норильск анкерную противопучинную металлическую сваю ВНИИГАЗ – NKK.
Разработанная конструкция противопучинной трубчатой сваи ВНИИГАЗ – NKK состоит из трех составных частей: оголовка, оригинальной анкерной части и средней части с полиэтиленовым экструдированным заводским покрытием компании NKK (Рис.1).
Рис. 1. Конструкция противопучинной металлической сваи «ВНИИГАЗ–NKK»
Длина полимерного покрытия соответствует расчетной сезонной глубине оттаивания – промерзания.
Глубина заложения сваи определяется по результатам расчета: анкерный пояс погружается в вечномерзлый слой, покрытая полимерная противопучинная часть – находится выше верхней границы вечномерзлого грунта. Таким образом, геометрия сваи каждого объекта определяется в проекте исходя из условий её эксплуатации.
В течение 5 лет ВНИИГАЗ проводил натурные полевые испытания по измерению сил морозного пучения на гладкие и противопучинные сваи ВНИИГАЗ – NKK. Результаты испытаний представлены на Рис. 2.
Рис. 2. Результаты натурных полевых испытаний свай ВНИИГАЗ – NKK
Испытания показали эффективность полиэтиленового противопучинного покрытия в сравнении с гладкой стальной поверхностью: уменьшение сил морозного пучения составило 30–50 %.
Описание, расчеты и результаты проведенных натурных полевых испытаний свай «ВНИИГАЗ – NKK» вошли в итоговый нормативный документ ПАО «Газпром» - РД 51-00158623-10-95 «Инструкция по возведению и расчету анкерных противопучинных свай конструкции ВНИИГАЗ-NKK для опор надземных трубопроводов в районах распространения вечной мерзлоты». С момента появления нормативного документа реализованы несколько проектов по строительству свайных фундаментов газопроводных систем в ПАО «Газпром».
Противопучинные сваи «ВНИИГАЗ – NKK» погружаются в грунты буроопускным методом: сначала пробуривается лидерная скважина, затем в неё опускается свая, а пазухи заделываются цементно-песчаной смесью. Другой способ погружения свай – бурозабивной, который обеспечивает лучшие прочностные характеристики фундаментов и лучшую экономику стройки – для таких свай неприменим, поскольку прочность полимера NKK для забивной технологии недостаточна.
Создание и испытания свай СМОТ c оболочкой Reline
В 2008 году в Озерске на заводе полимерных технологий «Маяк» были созданы образцы инновационной продукции – противопучинной термоусаживаемой оболочки ОСПТ (оболочка свай противопучинная термоусаживаемая) серии Reline. Для изготовления оболочки использованы радиационно-модифицированные композиционные материалы из полиолефинов.
Известно, что радиационная модификация качественно изменяет физико-механические характеристики полимеров из класса полиолефинов. Так, радиационная модификация полиэтилена увеличивает его износостойкость до 35 раз, ударную прочность — более чем в 10 раз. Значительно возрастает предел прочности полиэтилена при растяжении, удлинение при разрыве. Такие свойства полимера, используемого при производстве противопучинной оболочки ОСПТ “Reline», позволяют ему выдерживать значительные механические нагрузки, возникающие в период строительства, а также в период сезонного промерзания грунта.
Кроме улучшения эксплуатационных качеств покрытия, в процессе радиационной сшивки приобретается уникальное технологическое свойство «память» — способность после цикла термомеханической деформации (растяжение, сжатие, скручивание) возвращаться к первоначальным размерам и формам. Такое свойство облучённого материала позволяет существенно упростить технологию нанесения изготовленного из него покрытия и реализовать её, что особенно важно в условиях труднодоступных северных районов, в полевых условиях. Иными словами, покрытие может поставляться в виде оболочки и наноситься на сваю непосредственно перед её погружением. УЗПТ «Маяк» https://polymerpro.ru/ поставляет как готовые к монтажу сваи СМОТ с противопучинной оболочкой, так и оболочку ОСПТ Reline как самостоятельный вид продукции, дополняющий металлическую сваю.
В 2014-2015 годах противопучинные оболочки ОСПТ «Reline» производства УЗПТ «Маяк» прошли успешные натурные испытания на полигоне ООО «Газпром добыча Надым» - УКПГ-Н, месторождение Медвежье. Оболочку использовали в качестве противопучинного покрытия стальных свайных фундаментов на основе противопучинных свай серии СМОТ (типовая серия 1.411.3-11 см), схожих по конструкции с описанными выше сваями ВНИИГАЗ-NKK.
Результатами испытаний стало получение понижающего коэффициента снижения касательных сил морозного пучения для проведения проектных расчетов. Сваи СМОТ были внесены в «Реестр технических условий конструкций, средств, изделий и материалов для строительства, реконструкции, капитального ремонта объектов транспорта газа, соответствующих техническим требования ПАО «Газпром». Противопучинные оболочки ОСПТ «Reline» успешно использованы при строительстве газопровода «Сила Сибири» и других объектов ПАО «Газпром».
Преимущества противопучинных свай СМОТ и противопучинной оболочки ОСПТ Reline по результатам испытаний:
1. Полимерное покрытие «Reline» применимо как для буроопускной, так и для бурозабивной технологии погружения свай, что обеспечивает существенную экономию при проектировании и строительстве свайных фундаментов.
2. Покрытие «Reline» из модифицированного полимера повышает прочность противопучинного покрытия свай. Для буроопускных металлических свай, в зависимости от температуры грунта при сдвиге, прочность на срез по поверхности смерзания снижается в 2,3 – 3,3 раза по сравнению с металлической сваей без покрытий. Для бурозабивных свай прочность на срез по поверхности смерзания снижается в 1,6 раза по сравнению с металлической сваей без покрытий.
3. Повышенная стойкость покрытия из модифицированного полиэтилена к абразивному воздействию грунта, что обеспечивает срок службы металлической свай более 30 лет.
4. Простота нанесения покрытия: оболочки ОСПТ «Reline» могут быть нанесены на стальные сваи в полевых условиях.
Стандартизация и развитие продукта
На основе уже выполненных работ по лабораторным и натурным испытаниям свай с противопучинными оболочками в 2017 году НИЦ «Строительство»* разработал стандарт организации «Проектирование и устройство свайных фундаментов с противопучинной оболочкой ОСПТ «Reline». Разработка СТО позволит проектировщикам рассчитывать свайные фундаменты с применением противопучинной оболочки ОСПТ «Reline» по оригинальной методике на документальной основе.
Успешное применение противопучинных оболочек ОСПТ «Reline»для стальных свай на объектах ПАО «Газпром» привлекло широкое внимание специалистов, занимающихся проектированием фундаментов. Перед разработчиками и производителями встала новая задача – применить успешное техническое решение по борьбе с морозным пучением для железобетонных свай. Результатами совместной работы стало появление новой продукции – противопучинного покрытия для железобетонных свайных фундаментов - ПСПП «Reline».
* В состав АО НИЦ «Строительство» г. Москва входят:
• Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева;
• Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова;
• Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) им. В.А. Кучеренко
На большей части территории России грунт промерзает в течение трех – девяти месяцев в году. В пределах глубины сезонного промерзания (оттаивания) грунт попеременно находится в талом и мерзлом состоянии.
Вода, превращаясь в лёд, увеличивается в объеме на 9%, что порождает явление морозного пучения грунтов. Это явление приводит к неравномерной деформации фундаментов объектов, которые стоят на влагоёмких глинистых грунтах, и в местах с близким залеганием грунтовых вод.
Грунт, окружающий фундамент, смерзается с ним в нижней и боковых частях, увеличивается в объеме, и фундамент под внешними стенами поднимается. Летняя осадка фундамента не компенсирует возникшую деформацию пучения, и год за годом деформация фундамента усиливается, приводя к трещинам в фундаменте и в стенах, и в конечном итоге к разрушению здания.
Особенно значительно морозное пучение проявляется в условиях вечной мерзлоты, с чем столкнулись строители в процессе освоения нефтяниками и газовиками районов Крайнего Севера. Силы морозного пучения могут привести к разрушению трубопроводов, опор линий электропередач и других инженерных объектов.
СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» описывает основной вариант фундамента для вечной мерзлоты - свайные металлические конструкции и мероприятия по устранению вредного воздействия сил морозного пучения.
По соотношению затрат и результата наиболее эффективным противопучинным решением стало применение стальных анкерных свай с полимерным покрытием. Полимер снижает смерзание металлической сваи и грунта в его верхнем (пучинистом) слое, в период оттаивания – способствует обратному движению грунта за счет скольжения. Устойчивость покрытия к абразивному воздействию грунтов при сезонном промерзании – оттаивании обеспечивает долгосрочный эффект.
Противопучинные сваи ВНИИГАЗ-NKK – прообраз свай СМОТ
В середине 90-х годов для уменьшения влияния сил морозного пучения грунтов на опоры надземных трубопроводов институт ПАО «Газпром» - ВНИИГАЗ совместно с японской компанией NKK разработали и апробировали на полигоне в г. Норильск анкерную противопучинную металлическую сваю ВНИИГАЗ – NKK.
Разработанная конструкция противопучинной трубчатой сваи ВНИИГАЗ – NKK состоит из трех составных частей: оголовка, оригинальной анкерной части и средней части с полиэтиленовым экструдированным заводским покрытием компании NKK (Рис.1).
Рис. 1. Конструкция противопучинной металлической сваи «ВНИИГАЗ–NKK»
Длина полимерного покрытия соответствует расчетной сезонной глубине оттаивания – промерзания.
Глубина заложения сваи определяется по результатам расчета: анкерный пояс погружается в вечномерзлый слой, покрытая полимерная противопучинная часть – находится выше верхней границы вечномерзлого грунта. Таким образом, геометрия сваи каждого объекта определяется в проекте исходя из условий её эксплуатации.
В течение 5 лет ВНИИГАЗ проводил натурные полевые испытания по измерению сил морозного пучения на гладкие и противопучинные сваи ВНИИГАЗ – NKK. Результаты испытаний представлены на Рис. 2.
Рис. 2. Результаты натурных полевых испытаний свай ВНИИГАЗ – NKK
Испытания показали эффективность полиэтиленового противопучинного покрытия в сравнении с гладкой стальной поверхностью: уменьшение сил морозного пучения составило 30–50 %.
Описание, расчеты и результаты проведенных натурных полевых испытаний свай «ВНИИГАЗ – NKK» вошли в итоговый нормативный документ ПАО «Газпром» - РД 51-00158623-10-95 «Инструкция по возведению и расчету анкерных противопучинных свай конструкции ВНИИГАЗ-NKK для опор надземных трубопроводов в районах распространения вечной мерзлоты». С момента появления нормативного документа реализованы несколько проектов по строительству свайных фундаментов газопроводных систем в ПАО «Газпром».
Противопучинные сваи «ВНИИГАЗ – NKK» погружаются в грунты буроопускным методом: сначала пробуривается лидерная скважина, затем в неё опускается свая, а пазухи заделываются цементно-песчаной смесью. Другой способ погружения свай – бурозабивной, который обеспечивает лучшие прочностные характеристики фундаментов и лучшую экономику стройки – для таких свай неприменим, поскольку прочность полимера NKK для забивной технологии недостаточна.
Создание и испытания свай СМОТ c оболочкой Reline
В 2008 году в Озерске на заводе полимерных технологий «Маяк» были созданы образцы инновационной продукции – противопучинной термоусаживаемой оболочки ОСПТ (оболочка свай противопучинная термоусаживаемая) серии Reline. Для изготовления оболочки использованы радиационно-модифицированные композиционные материалы из полиолефинов.
Известно, что радиационная модификация качественно изменяет физико-механические характеристики полимеров из класса полиолефинов. Так, радиационная модификация полиэтилена увеличивает его износостойкость до 35 раз, ударную прочность — более чем в 10 раз. Значительно возрастает предел прочности полиэтилена при растяжении, удлинение при разрыве. Такие свойства полимера, используемого при производстве противопучинной оболочки ОСПТ “Reline», позволяют ему выдерживать значительные механические нагрузки, возникающие в период строительства, а также в период сезонного промерзания грунта.
Кроме улучшения эксплуатационных качеств покрытия, в процессе радиационной сшивки приобретается уникальное технологическое свойство «память» — способность после цикла термомеханической деформации (растяжение, сжатие, скручивание) возвращаться к первоначальным размерам и формам. Такое свойство облучённого материала позволяет существенно упростить технологию нанесения изготовленного из него покрытия и реализовать её, что особенно важно в условиях труднодоступных северных районов, в полевых условиях. Иными словами, покрытие может поставляться в виде оболочки и наноситься на сваю непосредственно перед её погружением. УЗПТ «Маяк» https://polymerpro.ru/ поставляет как готовые к монтажу сваи СМОТ с противопучинной оболочкой, так и оболочку ОСПТ Reline как самостоятельный вид продукции, дополняющий металлическую сваю.
В 2014-2015 годах противопучинные оболочки ОСПТ «Reline» производства УЗПТ «Маяк» прошли успешные натурные испытания на полигоне ООО «Газпром добыча Надым» - УКПГ-Н, месторождение Медвежье. Оболочку использовали в качестве противопучинного покрытия стальных свайных фундаментов на основе противопучинных свай серии СМОТ (типовая серия 1.411.3-11 см), схожих по конструкции с описанными выше сваями ВНИИГАЗ-NKK.
Результатами испытаний стало получение понижающего коэффициента снижения касательных сил морозного пучения для проведения проектных расчетов. Сваи СМОТ были внесены в «Реестр технических условий конструкций, средств, изделий и материалов для строительства, реконструкции, капитального ремонта объектов транспорта газа, соответствующих техническим требования ПАО «Газпром». Противопучинные оболочки ОСПТ «Reline» успешно использованы при строительстве газопровода «Сила Сибири» и других объектов ПАО «Газпром».
Преимущества противопучинных свай СМОТ и противопучинной оболочки ОСПТ Reline по результатам испытаний:
1. Полимерное покрытие «Reline» применимо как для буроопускной, так и для бурозабивной технологии погружения свай, что обеспечивает существенную экономию при проектировании и строительстве свайных фундаментов.
2. Покрытие «Reline» из модифицированного полимера повышает прочность противопучинного покрытия свай. Для буроопускных металлических свай, в зависимости от температуры грунта при сдвиге, прочность на срез по поверхности смерзания снижается в 2,3 – 3,3 раза по сравнению с металлической сваей без покрытий. Для бурозабивных свай прочность на срез по поверхности смерзания снижается в 1,6 раза по сравнению с металлической сваей без покрытий.
3. Повышенная стойкость покрытия из модифицированного полиэтилена к абразивному воздействию грунта, что обеспечивает срок службы металлической свай более 30 лет.
4. Простота нанесения покрытия: оболочки ОСПТ «Reline» могут быть нанесены на стальные сваи в полевых условиях.
Стандартизация и развитие продукта
На основе уже выполненных работ по лабораторным и натурным испытаниям свай с противопучинными оболочками в 2017 году НИЦ «Строительство»* разработал стандарт организации «Проектирование и устройство свайных фундаментов с противопучинной оболочкой ОСПТ «Reline». Разработка СТО позволит проектировщикам рассчитывать свайные фундаменты с применением противопучинной оболочки ОСПТ «Reline» по оригинальной методике на документальной основе.
Успешное применение противопучинных оболочек ОСПТ «Reline»для стальных свай на объектах ПАО «Газпром» привлекло широкое внимание специалистов, занимающихся проектированием фундаментов. Перед разработчиками и производителями встала новая задача – применить успешное техническое решение по борьбе с морозным пучением для железобетонных свай. Результатами совместной работы стало появление новой продукции – противопучинного покрытия для железобетонных свайных фундаментов - ПСПП «Reline».
* В состав АО НИЦ «Строительство» г. Москва входят:
• Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева;
• Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений (НИИОСП) им. Н.М. Герсеванова;
• Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) им. В.А. Кучеренко
Редактировалось: 1 раз (Последний: 17 марта 2019 в 10:59)