Оценка применения ударного метода погружения свай при строительстве свайных фундаментов



Работа посвящена изучению технологического процесса, связанного с устройством свайных фундаментов ударным методом погружения. В статье рассматриваются: технология погружения свай методом забивки; общие сведения о механизмах, применяемых при забивке железобетонных свай и направления развития методов погружения свай. На примере установки для забивки свай ПДД-1 и вдавливающей установки СВУ В-6, а также методом завинчивания машиной УБМ-85, были выдвинуты достоинства и недостатки при использовании подобного устройства свайного фундамента. Разработана методика выполнения технико-экономического расчета на основе общепринятых формул и зависимостей.

Произведен расчет и сравнительный анализ технико-экономических показателей машин для погружения свай.

Ключевые слова: сваи, свайные фундаменты, погружение свай, технология забивки, вдавливание свай, технико-экономический расчет.

В современном строительстве на сегодняшний день ударный метод является самым применяемым для устройства свайного основания. Но, тем не менее, использование в тесной застройке ударного метода ограничено или невозможно, ввиду больших динамических воздействий [1].

Технологию забивки свай может применяться при устройстве свайного основания фундамента для любых зданий и сооружений, при условии отсутствия воздействия на соседние строения, которое может повредить их при сотрясении почвы ввиду динамических воздействий от ударов сваебоя. Поэтому есть необходимость усовершенствования подобной технологии и применяемых устройств.

Достоинствами ударного метода забивки являются: высокая производительность; короткие сроки строительства; увеличение несущей способности грунтов, при забивке, ввиду уплотнения околосвайного грунта (на 5–30 %); молоты работают независимо от внешних источников энергии; быстрота подготовки к работе; простота и удобство в эксплуатации; невысокая стоимость работ и навесного оборудования; в отличие от СВУ, установка для забивки свай имеет малые габариты и малый вес.

К недостаткам данного способа относят: динамические воздействия на ствол сваи и грунт, а также на фундаменты соседних зданий и сооружений. При наличии рядом со строительной площадкой аварийных зданий забивка свай неприемлема; так же механизмы создают шум и загрязняют выбросами отработанного топлива окружающую среду.

Если невозможно применить метод забивки, то рассматривают альтернативные способы погружения свай. Могут применить метод статического вдавливания, который не имеет недостатков способа забивки. Такой метод может быть актуален при реконструкции зданий старого фонда.

Метод статического вдавливания заключается в погружении готовых элементов в грунт самоходными вдавливающими машинами. Технологический цикл состоит из: подъезда машины на точку вдавливания; пригруз механизма; строповка сваи и ее подтягивание; установка сваи на точку; погружение; переезд машины к следующей точке вдавливания.

Основные выгоды по сравнению с забивкой свай: экономия времени за счет высокой производительности; экономия средств на лидерном бурении, а так же средств на энергозатраты, так как при забивке свай много энергии тратится на динамические воздействия на сваю и грунт; экономия средств за счет снижения затрат на предварительные полевые испытания свай и грунтов, так как СВУ может измерять вдавливающее усилие; за счет равномерного уплотнения грунта повышается общая несущая способность свайного поля; отсутствует разрушение материала сваи при вдавливании; минимальный уровень шумового воздействия (до 50 дБ).

Способ погружения свай завинчиванием может исключать некоторые недостатки, перечисленных в двух предыдущих методах.

Принцип погружения свай завинчиванием основывается на завинчивании, с помощью мобильных установок, стальных и железобетонных свай со стальным наконечником. Такой метод широко применяется при устройстве фундаментов под мачты ЛЭП, радиосвязи и др. сооружения, где вполне достаточна несущая способность винтовых свай и их сопротивления выдергиванию. Установка для завинчивания состоит из рабочего органа, гидросистемы, приводов вращения, коробки управления, выносных аутригеров и дополнительного оборудования.

Рабочий орган — кабестан, — представляет собой механизм, состоящий из электродвигателя и пары захватов. Захваты обхватывают сваю и передают ей вращательное движение от электродвигателя. В зависимости от назначения, длина свай может превышать 20 м, а винтовые лопасти могут достигать в диаметре от 0,3 м до 3 м. Технологический цикл погружения свай завинчиванием аналогичен операциям, выполняемым при забивке или при вибропогружении. Разница лишь в том, что вместо устройства наголовника одевают металлическую оболочку. После завинчивания винтовой сваи, полость сваи заполняют бетоном.

Достоинства винтовых свай — это их высокая несущая способность; плавное погружение в грунт без динамических воздействий; восприятие отрицательных усилий.

Сравнительный метод погружения свай

Выбор технологии погружения свай и применяемых машин, обусловлен следующими определяющими факторами: тип свай, глубина погружения, инженерно-геологические условия площадки, объем свайных работ, производительность механизмов, технико-экономическое обоснование [2].

Рассмотрим трудозатраты на погружение 1 куб.м. свай длиной 12 м., в соответствии с ГЭСН 81–02–05–2001 Часть 5. Свайные работы. Первичные данные для расчета сведены в табл.1. Результаты анализа представлены в виде диаграммы (рис. 1)

Таблица 1

Первичные данные для расчета

Наименование элемента затрат	Ед. измер	Вибропогружение свай	Забивка свай	Вдавливание свай	Завинчивание свай
Затраты труда рабочих-строителей	чел.-ч	4,58	2,7	1,4	1,3
Затраты труда машинистов	чел.-ч	1,94	1,31	0,75	2,3
Вид используемых кранов		Кран гусеничный. 25 т.	Кран гусеничный. 16 т.	СВУ на базе крана на гусеничном ходу РДК	Машины бурильные универсальные на автомобильном ходу
Затраты рабочего времени установки	маш.-ч	0,88	0,02	0,61	2,62
Вид используемых навесного оборудования		Вибропогружатели низкочастотные (сваи до 3 т.)	Дизель-молоты 2,5 т
Затраты рабочего времени оборудования	маш.-ч	0,87	1,02

Рис. 1. Диаграмма временных затрат на погружение 1 куб м. свай

На диаграмме видно, что вдавливание является наименее затратным способом погружения. Но так как в нормах ГЭСН не учтены затраты на аренду или покупку, на транспортировку и установку машин, то для обоснования принятого метода необходимо выполнять технико-экономические расчеты для конкретной местности и объекта строительства [3].

Технико-экономический расчет

Целью расчета является построение зависимостей общей стоимости выполнения работ от объемов работ.В расчете использованы классические формулы по определению технико-экономических показателей машин и механизмов [4,5].

Общая стоимость выполнения работ определяется по формуле (1):

(1)

где С_м.см. — себестоимость машино-смены работы машины; Т — продолжительность работы машины на объекте; Е — единовременные расходы на транспортировку машин от склада механизации до строительной площадки, руб.

Себестоимость машино-смены работы машины С_м.см. определяется по формуле (2):

(2)

где С_е — себестоимость машино-часа работы машины, продолжительность рабочей смены, час; З_Г — годовые затраты, на амортизационные отчисления на полное восстановление и на капитальный ремонт, руб; Т_г — максимальное количество машино-смен работы установки в году.

Годовые затраты Г определяются по формуле (3):

(3)

где А — амортизационные отчисления, %; М_(i) — инвентарно-расчетная стоимость машины, руб.

Максимальное количество машино-смен работы установки в году Т_г определяется по формуле (4):

(4)

где N_сут — количество рабочих смен в сутки, N_нед — количество рабочих дней в неделю, N_год — количество рабочих месяцев в году.

Продолжительность работы машины на объекте Т определяется по формуле (5):

(5)

где n — количество погружаемых свай, П — сменная производительность агрегата.

Единовременные расходы Е определяются по формуле (6):

(6)

где m — полная масса установки, т; g – грузоподъемность платформы для перевозки машин и механизмов, т; а — ставка на перевозку крупных грузов, руб./км.,L_п.

Условная годовая прибыль для установок устройства свай длиной 12 м. и с учетом перебазировки механизмов ежемесячно, которая рассчитывалась по формуле (7):

(7)

В расчет приняты следующие установки для погружения свай: сваевдавливающая установка СВУ-В-6; копровая установка СП49 в связке с молотом СП6 (5т).

Вторичные данные для расчета сведены в табл. 2 и табл. 3.

Таблица 2

Вторичные данные для расчета

Параметры	Обоснование	Усл. обознач.	Ед. изм.	Сравниваемая техника
				СВУ-В-6	СП49 всвязке смолотом СП6 (5т)	УБМ-85
Стоимость	Анализ рынка	Mi	руб.	10000000	7 000000	7800000
Себестоимость эксплуатации	ТСН 2001.2	Се	руб/час	92,33	123,31	76,25
Сменная производительность	Технич. хар-ки.	П	шт/см.	30	30	18
Полная масса	Технич. хар-ки.	m	т.	112	30	3,5
Грузоподъемность платформы для перевозки машин и механизмов	Технич. хар-ки.	g	т.	Трал, 65т.	Негабарит, 35т.	Не требуется
Средняя ставка на перевозку крупных грузов	Анализ рынка	a	руб./км	100	75	50*
Дальность перебазировки	Условно	Lп	км.	50	50	50
Продолжительность рабочей смены	Условно	с	час.	8	8	8
Амортизационные отчисления	Условно	А	%	25	25	25
Количество рабочих смен в сутки	Условно	Nсут	см.	3	2	2
Количество рабочих дней в неделю	Условно	Nнед	дн.	5	5	5
Количество рабочих месяцев в году	Условно	Nгод	мес.	12	12	12

Примечание: В расчёт приняты распространенные машины в своем сегменте и средние цены по рынку за начала 2018 года. Механизмы могут погружать сваи длиной до 12 м. и сечением d =0,35 см. Доставка не требуется для самоходной установки.

Таблица 3

Вторичные данные для расчета

Параметры	Усл. об	Ед. изм.	Сравниваемая техника
			СВУ-В-6	СП49 всвязке смолотом СП6 (5т)	УБМ-85
Годовые затраты, связанные с амортизационными отчислениями	ЗГ	руб./год.	2 750 000	1 925 000	2145000
Максимальное количество маш-см работы установки в году	ТГ	см./год.	720	480	480
Себестоимость машино-смены	См.см.	руб/см.	4558,08	4996,9	4628,3
Условная рыночная стоимость маш-смены	См.см.усл.	руб/см.	5241,79	5746,43	5322,54
Продолжительность работы машины на объекте	Т	см.	n/30	n/30	n/18
Производительность за год	Q	шт/год	21600	9600	5760
Единовременные расходы по доставке машин	Е	руб.	5000	3750	2500
Условная годовая прибыль	Пусл.	руб.	42479082	31129465,6	28482859,2

Результаты расчета

Таким образом, по результатам расчета (табл. 3) общая стоимость работ выражается зависимостью:

Для СВУ-В-6, формулой (8):

(8)

Для СП49 в связке с молотом СП6 (5т), формулой (9):

(9)

Для УБМ, формулой (10):

(10)

Графическое отображение зависимостей, получено с помощью ЭВМ, представлено в виде графиков (рис.2)

Рис. 2. Зависимость стоимости выполнения работ от объемов работ. Зависимость продолжительности выполнения работ от объемов работ

Выводы

Анализ результатов данных, полученных с помощью ЭВМ, показал, что при прочих равных условиях, использование сваевдавливающей установки или метода погружения свай забивкой становится эффективным по стоимости при объемах работ до 150 свай на одной строительной площадке.

С точки зрения временных затрат, забивной метод имеет среднее значение стоимости и продолжительности выполнения работ среди анализируемых установок, и начинает выигрывать у УБМ-85 уже после 1 дня эксплуатации (рис. 2), но уступает сваевдавливающей установке, так как последняя имеет возможность работать 24 часа в сутки, тогда как забивку свай запрещено производить в населенных пунктах с 23 до 7 часов, требования которого прописаны в ФЗ «О тишине», ввиду высокого уровня шумового воздействия. Поэтому метод забивки нельзя использовать в 3 смены. Однако и СВУ имеет определенную специфичность — она не может быть доставлена на объект в собранном виде, так как требует сборки на площадке. Поэтому СВУ экономически не целесообразно применять при малых объемах строительства. УБМ можно применять для малых объемов строительства, но область применения будет ограничена, и поэтому на больших объектах и большом объеме работ применение будет не целесообразно.

Как видно из рис. 2 и рис. 3, при малых объемах работ лучшими показателями трудовых затрат и стоимости работ обладают метод забивки и завинчивания. Тем не менее, в тесной застройке невозможно будет использовать метод забивки, а будет предпочтительным два других метода: завинчивание — при условии не сложного строительства объекта с использованием свай длиной до 12 м; метод вдавливания — при условии большого объема работ и тесной застройки. Во всех иных случаях, как показал расчет, целесообразно использовать метод забивки свай.

Литература:

1. Мангушев Р. А., Ершов А. В., Осокин А. И. Современные свайные технологии: учеб. пособие СПб: СПбГАСУ, 2010. 240 с.
2. Кузнецов С. М. Теория и практика формирования комплектов и систем машин в строительстве: Монография: Директ-Медиа, 2015. 271 с.
3. Е. О. Ержаковский, Д. Н. Сурсанов. Оценка применимости метода статического погружения свай при строительстве свайных фундаментов // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии № 8. Пермь: ПНИПУ, 2017. 13 с.
4. Шипилова Н. А. Теория и практика производства свайных работ: Монография: М.–Берлин: Директ-Медиа, 2016. 128 с.
5. Бочкарева Т. М. Технология строительных процессов классических и специальных методов строительства: учеб. пособие. Пермь: ПНИПУ, 2014. 254 c.